陣列信號處理實驗平臺設計

楊 濤，朱閃閃，劉玉佼

(西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010)

0 引言

陣列信號處理作為信號處理的一個重要分支，已在現代通信、雷達、聲納以及醫學診斷等領域得到廣泛應用和快速發展。波束成形和波達方向估計是陣列信號處理的兩個主要方面[1-3]。

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

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

本文綜合考慮制作成本、控制電路復雜程度、陣元安裝、元器件購買和實驗平臺維護等因素，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。設計了一種發射陣列和接收陣列上下交錯排布的二維稀疏超聲相控陣實驗平臺，其發射陣列陣元數目為8×8，行、列方向上陣元間距均為17 mm，接收陣列陣元數目為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

當豎直與水平方向上相鄰陣元分別按一定的時間差被激勵，即相鄰超聲波換能器產生的超聲波信號在豎直和水平兩個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生偏轉，豎直方向波束偏轉原理圖如圖1所示[10]。

圖1 豎直方向波束偏轉原理圖

2 聲場仿真與分析

本實驗平臺選用壓電片直徑為8 mm的超聲波換能器，陣元間距大于半個波長滿足稀疏相控陣的條件，將會出現柵瓣。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果如圖2所示。發射陣元間距為17 mm、陣元數目為8×8時陣列聲場仿真效果如圖3所示。發射陣列方向圖、接收陣列方向圖、優化后的方向圖如圖4所示。優化后超聲相控陣方向圖如圖5所示。換能器參數列表如表1所示，設計指標如表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 優化后的二維超聲相控陣方向圖

表1 超聲波換能器參數列表

表2 二維超聲相控陣設計指標

由圖2～5可知，本實驗平臺能增強波束的抗干擾與穿透能力，合成的波束具有較好的指向性，達到偏轉聲壓最大化，主瓣寬度最小化，消除掃描角度50°以內的柵瓣，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，對陣列布置進行優化，可將二維稀疏超聲相控陣掃描角度擴大到 ±25°。

3 實驗平臺電路設計

3.1 實驗平臺總體結構

本實驗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、控制器主機、發射控制器從機、接收控制器從機、發射匹配電路、接收匹配電路、發射陣列和接收陣列等。

PC機主要用于程序編譯和記錄掃描結果，存儲掃描數據?？刂破髦鳈C與8個發射控制器從機、3個接收控制器從機進行數據通信。8個發射控制器從機主要用于產生8×8個發射陣元的驅動信號，每個發射控制器從機可以驅動8個發射陣元，每個接收控制器從機完成10個單通道接收電路的信號處理任務。針對不同掃描點，事先完成發射陣元驅動信號的仿真和優化，再存儲到發射從機中，在接收到發射主機的控制命令后，讀取對應掃描點的驅動矩陣，由從機的DDS信號發生器產生信號。發射從機輸出的驅動信號為數字信號，必須經過匹配電路才能用于驅動超聲波換能器，發射匹配電路包括D/A轉換電路、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轉換電路等。其硬件設計框圖如圖6所示。

圖6 二維超聲相控陣總體硬件設計框圖

3.2 單通道發射電路設計

本實驗平臺以直接數字式頻率合成技術(DDS)為基礎構建。信號發生器用以發射激勵信號，該信號發生器在FPGA平臺上完成，具有輸出頻率范圍寬、相位連續可調、輸出波形靈活和頻率分辨率高等優點[12]。D/A轉換器選用TI公司的TLC7524作為轉換芯片，用于將信號發生器輸出的數字信號轉換成模擬信號。帶通濾波器用于消除耦合到電路中非40 kHz的環境噪聲，平滑D/A轉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負載能力。阻抗匹配電路對換能器進行阻抗匹配，激勵信號驅動陣元發出超聲波信號。單通道發射電路工作原理圖如圖7所示。

圖7 單通道發射電路工作原理圖

3.3 單通道接收電路設計

稀疏超聲相控陣的發射與接收過程是互逆的，在接收電路中實現接收信號的相位延遲處理及幅值加權處理[13]。掃描點反射的超聲波信號經接收陣列換能器接收，將回波信號從機械波轉換為電信號。前置放大器將超聲波換能器接收的微弱回波信號進行電壓放大。帶通濾波器除去環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行電壓補償放大。經過放大、濾波處理后的信號經A/D轉換后輸出到FPGA平臺進行處理，完成延時及幅值加權處理的信號輸出到控制器主機。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 實驗平臺軟件架構

本實驗平臺稀疏超聲相控陣設計的關鍵點在于波束成形技術及波達方向估計的實現。采用數字波束成形技術配合幅值加權變跡技術來實現稀疏超聲相控陣的波束成形和波達方向估計，具有高延遲精度、高分辨率及高可靠性的優點。

若再加入幅值加權變跡技術之后，該方法的波束成形和波達方向估計的準確度會進一步提高。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

本實驗平臺設計的一種基于主從同步方式的二維稀疏超聲相控陣電路，實現各陣元發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。

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