楊 濤，朱閃閃，劉玉佼

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010)

0 引言

陣列信號處理作為信號處理的一個(gè)重要分支，已在現(xiàn)代通信、雷達(dá)、聲納以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。波束成形和波達(dá)方向估計(jì)是陣列信號處理的兩個(gè)主要方面[1-3]。

波束成形是通過對陣列單元輸出加權(quán)處理，增強(qiáng)有用信號，抑制干擾和噪聲，使陣列方向圖的主瓣指向所需方向;波達(dá)方向估計(jì)則根據(jù)各陣元的相位差估計(jì)信號的方位[4-6]。

電磁波陣列信號處理技術(shù)難度大、造價(jià)高，而且實(shí)驗(yàn)操作不便[7]，而超聲波的頻率高，波長短，在空間中傳播時(shí)，能保持很好的束射性和方向性[8-9]。因此，本實(shí)驗(yàn)平臺采用超聲波陣列單元來構(gòu)建。

本文綜合考慮制作成本、控制電路復(fù)雜程度、陣元安裝、元器件購買和實(shí)驗(yàn)平臺維護(hù)等因素，選擇中心頻率為40 kHz、直徑為11 mm(其中壓電片直徑為8 mm)的圓形活塞式超聲波探頭。設(shè)計(jì)了一種發(fā)射陣列和接收陣列上下交錯(cuò)排布的二維稀疏超聲相控陣實(shí)驗(yàn)平臺，其發(fā)射陣列陣元數(shù)目為8×8，行、列方向上陣元間距均為17 mm，接收陣列陣元數(shù)目為5×5，行方向上陣元間距為25.5 mm，列方向上陣元間距為17 mm。該平臺可用于一維線陣和二維面陣的陣列信號處理問題的研究。

1 二維相控陣的波束偏轉(zhuǎn)

當(dāng)豎直與水平方向上相鄰陣元分別按一定的時(shí)間差被激勵，即相鄰超聲波換能器產(chǎn)生的超聲波信號在豎直和水平兩個(gè)方向上都存在相位差。相控陣波束在豎直和水平方向上都將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，豎直方向波束偏轉(zhuǎn)原理圖如圖1所示[10]。

圖1 豎直方向波束偏轉(zhuǎn)原理圖

2 聲場仿真與分析

本實(shí)驗(yàn)平臺選用壓電片直徑為8 mm的超聲波換能器，陣元間距大于半個(gè)波長滿足稀疏相控陣的條件，將會出現(xiàn)柵瓣。二維相控陣的陣列方向圖為陣元方向圖和陣列因子的乘積[11]。超聲波換能器的指向性仿真結(jié)果如圖2所示。發(fā)射陣元間距為17 mm、陣元數(shù)目為8×8時(shí)陣列聲場仿真效果如圖3所示。發(fā)射陣列方向圖、接收陣列方向圖、優(yōu)化后的方向圖如圖4所示。優(yōu)化后超聲相控陣方向圖如圖5所示。換能器參數(shù)列表如表1所示，設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示。

圖2 超聲波換能器指向性仿真

圖3 陣列聲場仿真效果圖

圖4 陣列方向圖

圖5 優(yōu)化后的二維超聲相控陣方向圖

表1 超聲波換能器參數(shù)列表

表2 二維超聲相控陣設(shè)計(jì)指標(biāo)

由圖2～5可知，本實(shí)驗(yàn)平臺能增強(qiáng)波束的抗干擾與穿透能力，合成的波束具有較好的指向性，達(dá)到偏轉(zhuǎn)聲壓最大化，主瓣寬度最小化，消除掃描角度50°以內(nèi)的柵瓣，抑制旁瓣的目的，并且可以提高陣列的橫向分辨率?？紤]到接收陣列的特性，對陣列布置進(jìn)行優(yōu)化，可將二維稀疏超聲相控陣掃描角度擴(kuò)大到 ±25°。

3 實(shí)驗(yàn)平臺電路設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺總體結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)平臺中二維稀疏超聲相控陣基于主從同步方式工作，其組成部分包括PC機(jī)、控制器主機(jī)、發(fā)射控制器從機(jī)、接收控制器從機(jī)、發(fā)射匹配電路、接收匹配電路、發(fā)射陣列和接收陣列等。

PC機(jī)主要用于程序編譯和記錄掃描結(jié)果，存儲掃描數(shù)據(jù)?？刂破髦鳈C(jī)與8個(gè)發(fā)射控制器從機(jī)、3個(gè)接收控制器從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。8個(gè)發(fā)射控制器從機(jī)主要用于產(chǎn)生8×8個(gè)發(fā)射陣元的驅(qū)動信號，每個(gè)發(fā)射控制器從機(jī)可以驅(qū)動8個(gè)發(fā)射陣元，每個(gè)接收控制器從機(jī)完成10個(gè)單通道接收電路的信號處理任務(wù)。針對不同掃描點(diǎn)，事先完成發(fā)射陣元驅(qū)動信號的仿真和優(yōu)化，再存儲到發(fā)射從機(jī)中，在接收到發(fā)射主機(jī)的控制命令后，讀取對應(yīng)掃描點(diǎn)的驅(qū)動矩陣，由從機(jī)的DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生信號。發(fā)射從機(jī)輸出的驅(qū)動信號為數(shù)字信號，必須經(jīng)過匹配電路才能用于驅(qū)動超聲波換能器，發(fā)射匹配電路包括D/A轉(zhuǎn)換電路、帶通濾波電路、信號放大電路和阻抗匹配電路等。接收匹配電路包括前置放大電路、帶通濾波電路、后置放大電路、信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路等。其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

圖6 二維超聲相控陣總體硬件設(shè)計(jì)框圖

3.2 單通道發(fā)射電路設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺以直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)(DDS)為基礎(chǔ)構(gòu)建。信號發(fā)生器用以發(fā)射激勵信號，該信號發(fā)生器在FPGA平臺上完成，具有輸出頻率范圍寬、相位連續(xù)可調(diào)、輸出波形靈活和頻率分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[12]。D/A轉(zhuǎn)換器選用TI公司的TLC7524作為轉(zhuǎn)換芯片，用于將信號發(fā)生器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。帶通濾波器用于消除耦合到電路中非40 kHz的環(huán)境噪聲，平滑D/A轉(zhuǎn)換電路階梯狀輸出信號，得到平滑的正弦信號。信號放大器用于提高信號電壓幅值和增強(qiáng)負(fù)載能力。阻抗匹配電路對換能器進(jìn)行阻抗匹配，激勵信號驅(qū)動陣元發(fā)出超聲波信號。單通道發(fā)射電路工作原理圖如圖7所示。

圖7 單通道發(fā)射電路工作原理圖

3.3 單通道接收電路設(shè)計(jì)

稀疏超聲相控陣的發(fā)射與接收過程是互逆的，在接收電路中實(shí)現(xiàn)接收信號的相位延遲處理及幅值加權(quán)處理[13]。掃描點(diǎn)反射的超聲波信號經(jīng)接收陣列換能器接收，將回波信號從機(jī)械波轉(zhuǎn)換為電信號。前置放大器將超聲波換能器接收的微弱回波信號進(jìn)行電壓放大。帶通濾波器除去環(huán)境中耦合的與中心頻率不同的噪聲。后置放大器對濾波后的電壓信號進(jìn)行電壓補(bǔ)償放大。經(jīng)過放大、濾波處理后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出到FPGA平臺進(jìn)行處理，完成延時(shí)及幅值加權(quán)處理的信號輸出到控制器主機(jī)。單通道接收電路工作原理圖如圖8所示。

圖8 單通道接收電路工作原理圖

4 實(shí)驗(yàn)平臺軟件架構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)平臺稀疏超聲相控陣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于波束成形技術(shù)及波達(dá)方向估計(jì)的實(shí)現(xiàn)。采用數(shù)字波束成形技術(shù)配合幅值加權(quán)變跡技術(shù)來實(shí)現(xiàn)稀疏超聲相控陣的波束成形和波達(dá)方向估計(jì)，具有高延遲精度、高分辨率及高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。

若再加入幅值加權(quán)變跡技術(shù)之后，該方法的波束成形和波達(dá)方向估計(jì)的準(zhǔn)確度會進(jìn)一步提高。二維稀疏超聲相控陣工作流程圖如圖9所示。

圖9 二維超聲相控陣工作流程圖

本實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)的一種基于主從同步方式的二維稀疏超聲相控陣電路，實(shí)現(xiàn)各陣元發(fā)出的超聲信號在空間完成波束成形，獲得較好的波束成形效果。

[1]汪晉寬，宋昕.魯棒自適應(yīng)陣列信號處理[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009

[2]王永良，丁前軍，李榮鋒.自適應(yīng)陣列處理[M].北京:清華大學(xué)出版社，2009

[3]張小飛，汪飛，徐大專.陣列信號處理的理論和應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2010

[4]陳四根.陣列信號處理相關(guān)技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2004

[5]孫學(xué)軍.陣列信號處理的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都電子科技大學(xué)，2010

[6]袁魁，沈希忠.陣列信號處理技術(shù)[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2012，12(1)，50-53

[7]賈永康，王亞軍，劉茂倉.超聲波陣列信號處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，23(2)，218-223

[8]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京:南京大學(xué)出版社，2001

[9]馮若.超聲手冊[M].南京:南京大學(xué)出版社，1999

[10]施克仁，郭寓岷.相控陣超聲成像檢測[M].北京:高等教育出版社，2010

[11]向玲，楊濤.稀疏超聲相控陣聲場特性的仿真及優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)仿真，2013，30(3):205-208

[12]劉玉佼，楊濤.用于空氣中障礙檢測的超聲波相控陣發(fā)射電路設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21(19):46-50

[13]王瑞，李伯全，駱英，等，基于FPGA的超聲相控陣系統(tǒng)接收裝置設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，(7)，2010，69-71