论文部分内容阅读
针对现有的光学和电磁学成像设备在大雾、雨雪、强辐射、深海、烟雾等无法工作或效果不够理想的情况，在空气环境下提出一种用于障碍检测及成像的二维稀疏超声相控阵解决方案。 结合圆形活塞式超声波换能器的远声场特性及二维相控阵扫描法原理，得到二维稀疏超声相控阵阵列因子及其方向图，建立了二维稀疏超声相控阵在空气中的声场模型。对二维稀疏超声相控阵声场特性进行仿真，确定了相控阵结构及换能器尺寸、阵元间距、阵元数量等参数，二维稀疏超声相控阵发射阵列由8×8个发射阵元组成，行方向和列方向上阵元间距均为2λ。为避免二维稀疏相控阵声场中栅瓣的影响，根据双向辐射基本原理排列发射与接收阵列，得到接收阵列结构，接收阵列由5×5个接收阵元组成，行方向上阵元间距为3λ，列方向上阵元间距为2λ。利用幅值加权变迹优化技术减小旁瓣与主瓣幅值比例，通过交替伪逆迭代算法获得二维稀疏超声相控阵的驱动矩阵、回波信号幅值加权矩阵及相位延迟矩阵。设计了一种基于主从控制结构的二维稀疏超声相控阵驱动装置，该装置包括发射电路与接收电路。发射电路中为完成发射信号的聚焦与偏转，在FPGA平台上构建基于DDS技术的信号发生器，实现不同通道驱动信号的加权与延时;接收电路中通过相反的过程完成信号的定向接收。 设计的二维稀疏超声相控阵可有效消除栅瓣并抑制旁瓣的影响，行方向和列方向上的角度分辨率可达1.5°，扫描范围最大可达50°。此外，通过幅值加权变迹优化，二维稀疏超声相控阵声场与优化前相比，旁瓣与主瓣比值降低约5％、-3dB声束宽度减小约0.6cm。最后完成了驱动装置中各功能模块的设计、制作与调试，并测定单通道发射与接收匹配电路的扫描距离可达0.5～4m。