發(fā)布時(shí)間：2017-09-24 04:44

  本文關(guān)鍵詞：基于相控陣原理的水聲成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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【摘要】：常規(guī)的水下探測(cè)設(shè)備多采用大基陣進(jìn)行移動(dòng)收發(fā),隨著海洋資源的開(kāi)發(fā),對(duì)易操作便攜式水聲成像系統(tǒng)的需求愈發(fā)迫切。相控陣成像技術(shù)能夠靈活控制聲束方位,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦偏轉(zhuǎn),具有較高的檢測(cè)靈敏度和成像分辨率。將相控陣技術(shù)應(yīng)用于水聲成像領(lǐng)域,對(duì)于推動(dòng)水聲成像檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)水聲成像系統(tǒng)的應(yīng)用需求,本文進(jìn)行了基于相控陣原理的水聲成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先討論了相控陣技術(shù)的檢測(cè)理論,包括相控線陣的聲場(chǎng)分布和聲束指向性,分析了通過(guò)控制相控發(fā)射和相控接收實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦的原理,確立了具體的檢測(cè)手段。其次,在理論分析的基礎(chǔ)上,對(duì)水聲成像系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。確定了采用電容式微加工超聲換能器陣列作為系統(tǒng)探頭,對(duì)系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試,主要包括發(fā)射和接收采集兩部分。其中發(fā)射部分包括脈沖產(chǎn)生模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)放大電路,接收部分包括收發(fā)隔離電路、濾波放大電路、高速數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。然后,利用FPGA實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件控制和相控關(guān)鍵技術(shù)。在分析相控陣聚焦和偏轉(zhuǎn)時(shí)間延遲的基礎(chǔ)上,針對(duì)系統(tǒng)對(duì)相控延時(shí)精度的要求,采用FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了相控聚焦偏轉(zhuǎn)發(fā)射,最小延時(shí)2.5ns。調(diào)用IP ROM實(shí)現(xiàn)相控發(fā)射聲束的自動(dòng)掃查。使用PCI總線進(jìn)行FPGA硬件控制端和上位機(jī)的連接,實(shí)現(xiàn)了命令和采集數(shù)據(jù)的高速傳輸。最后通過(guò)水池測(cè)試對(duì)相控陣水聲成像系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的相控陣水聲發(fā)射電路發(fā)射信號(hào)強(qiáng),相控聚焦和偏轉(zhuǎn)性能良好,相控接收電路采集信號(hào)穩(wěn)定。數(shù)據(jù)傳輸滿足功能要求,利用上位機(jī)軟件顯示成像檢測(cè)效果清晰。證明系統(tǒng)整體性能良好,具有一定的工程應(yīng)用發(fā)展前景。
【關(guān)鍵詞】：相控陣技術(shù) 水聲成像系統(tǒng) 高速數(shù)據(jù)采集 相控延時(shí)精度
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB56;TP391.41
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1. 緒論9-16
• 1.1 水聲成像技術(shù)的發(fā)展與意義9-11
• 1.2 相控陣技術(shù)在水下檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)11-12
• 1.3 水聲成像系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.3.1 國(guó)外水聲成像系統(tǒng)研究現(xiàn)狀12-14
• 1.3.2 國(guó)內(nèi)水聲成像系統(tǒng)研究現(xiàn)狀14-15
• 1.4 本文研究?jī)?nèi)容15-16
• 2. 相控陣水聲檢測(cè)原理理論分析16-25
• 2.1 引言16
• 2.2 相控陣工作原理16-21
• 2.2.1 波陣面形成16-18
• 2.2.2 相控陣檢測(cè)聲學(xué)特性分析18-21
• 2.3 超聲檢測(cè)方法21-23
• 2.4 相控陣發(fā)射和接收原理23-24
• 2.5 本章小結(jié)24-25
• 3. 相控陣水聲成像系統(tǒng)總體方案研究25-44
• 3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)25-26
• 3.2 相控陣超聲換能器陣列26-28
• 3.3 相控陣發(fā)射電路研究與設(shè)計(jì)28-33
• 3.3.1 多通道脈沖發(fā)生模塊28-30
• 3.3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路30-32
• 3.3.3 脈沖放大電路32-33
• 3.4 相控陣接收和采集電路33-42
• 3.4.1 收發(fā)隔離電路34
• 3.4.2 低通濾波放大電路34-36
• 3.4.3 A/D轉(zhuǎn)換電路36-41
• 3.4.4 接收數(shù)據(jù)緩存模塊41-42
• 3.5 電源模塊42-43
• 3.6 本章小結(jié)43-44
• 4. 相控陣水聲成像系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)44-56
• 4.1 相控陣延時(shí)計(jì)算44-48
• 4.1.1 相控陣聲束聚焦延時(shí)計(jì)算45-46
• 4.1.2 相控陣聲束偏轉(zhuǎn)延時(shí)計(jì)算46-47
• 4.1.3 相控陣聲束聚焦加偏轉(zhuǎn)延時(shí)計(jì)算47-48
• 4.2 相控延時(shí)的FPGA實(shí)現(xiàn)48-52
• 4.3 相控自動(dòng)掃查實(shí)現(xiàn)52-53
• 4.4 通信接口模塊53-55
• 4.5 本章小結(jié)55-56
• 5. 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果56-64
• 5.1 CMUT陣列性能測(cè)試56-58
• 5.1.1 CMUT陣列一致性測(cè)試56-57
• 5.1.2 CMUT陣列頻率測(cè)試57-58
• 5.2 相控陣聚焦和偏轉(zhuǎn)性能測(cè)試58-60
• 5.3 A/D數(shù)據(jù)采集測(cè)試60-62
• 5.4 水池成像測(cè)試62-63
• 5.5 本章小結(jié)63-64
• 6. 總結(jié)與展望64-66
• 參考文獻(xiàn)66-70
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果70-71
• 致謝71-72

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：909431