【摘要】：相控陣超聲波束合成技術(shù)作為陣列信號(hào)處理的一個(gè)實(shí)際工程應(yīng)用技術(shù),一直是超聲波檢測(cè)應(yīng)用中的研究熱點(diǎn),同時(shí)也是一個(gè)難點(diǎn)。傳統(tǒng)的相控陣進(jìn)行超聲波束合成時(shí),通過對(duì)陣列換能器施加延時(shí)達(dá)到接收不同方向信號(hào)的目的,沒有考慮接收信號(hào)中的干擾噪聲等問題。本文根據(jù)陣列信號(hào)處理中空時(shí)等效性原理,設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)波束合成算法,通過對(duì)各陣元接收到的信號(hào)施加復(fù)增益進(jìn)行波束合成以得到期望方向信號(hào),同時(shí)抑制信號(hào)中的干擾與噪聲,同時(shí)解決了自適應(yīng)波束形成中無法解相干的問題。為了驗(yàn)證算法的可行性,設(shè)計(jì)了相控陣超聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。主要研究工作如下:學(xué)習(xí)相控陣超聲換能器聲場(chǎng)輻射的基本原理,并以此為基礎(chǔ)研究了陣列信號(hào)處理的數(shù)學(xué)模型,在傳統(tǒng)延時(shí)疊加算法的基礎(chǔ)上引入空域?yàn)V波器,并且分析了影響空域?yàn)V波的關(guān)鍵參數(shù)。針對(duì)空域?yàn)V波器與延時(shí)疊加算法中權(quán)值固定,無法去除噪聲與抑制干擾信號(hào)的問題,引入自適應(yīng)波束形成技術(shù),并且分析了自適應(yīng)波束形成的常用準(zhǔn)則以及基于最小均方誤差準(zhǔn)則產(chǎn)生的廣義旁瓣相消器算法。針對(duì)該算法存在協(xié)方差矩陣與互相關(guān)向量難以求得、超聲環(huán)境下相干信號(hào)無法處理等問題,對(duì)廣義旁瓣相消器進(jìn)行改進(jìn),引入變換域下的最小均方迭代算法,最后對(duì)該算法進(jìn)行了性能分析與給出實(shí)現(xiàn)方案。為驗(yàn)證算法的可行性,完成相控陣超聲波束合成系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì),首先分析該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),而后分析發(fā)射與接收電路的具體實(shí)現(xiàn),接著介紹整個(gè)系統(tǒng)的核心部件FPGA與MCU控制系統(tǒng),分析系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信處理。整體系統(tǒng)工作流程為:通過發(fā)射部分產(chǎn)生指定頻率的正弦波信號(hào),進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換、信號(hào)濾波功率放大等處理后激勵(lì)超聲波信號(hào)在鋁板中傳播,接收端對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換等處理后,通過FPGA級(jí)聯(lián)傳輸進(jìn)入MCU,最后上傳到PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過仿真分析,比較了常規(guī)波束形成算法(CBF)、最小方差無失真響應(yīng)(MVDR)與變換域下最小均方算法(FLMS)的波束形能力。在抑制干擾信號(hào)方面,FLMS算法與CBF算法相比,不會(huì)受到外界信噪比的影響,算法依然能在干擾方向形成-80dB以上零陷,具有抑制干擾的特點(diǎn)。在解相干信號(hào)方面,FLMS算法與MVDR算法相比,在低信噪比條件下,信噪比為-20dB,干噪比為20dB時(shí),除了能在期望方向形成主瓣外,還可以抑制相干干擾方向信號(hào),此時(shí)MVDR算法已無法接收到期望信號(hào);在高信噪比條件下,信噪比為20dB,干噪比為-20dB時(shí),FLMS算法依然能保持良好的波束形成能力,而此時(shí)MVDR算法無法判斷接收信號(hào)中的相干干擾,不能在干擾方向形成零陷,并且FLMS算法無需求解接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣與互相關(guān)向量,簡(jiǎn)化了自適應(yīng)波束計(jì)算的復(fù)雜度。通過相控陣超聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)射/接收超聲波信號(hào),并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理,驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可靠性,并且進(jìn)一步驗(yàn)證變換域下的最小均方迭代算法在處理超聲波束合成時(shí)解相干與抑制干擾信號(hào)的優(yōu)越性。
【圖文】：

陣列信號(hào)處理作為信號(hào)處理的一個(gè)分支，與傳統(tǒng)的時(shí)域信號(hào)分析相比，其主要特通過分布在空間中的傳感器組成傳感器陣列完成信號(hào)的處理，不僅可以得到信號(hào)信息，并且可以分析信號(hào)的空域信息，如方向、位置等。傳感器陣列同時(shí)刻對(duì)接信號(hào)進(jìn)行采樣，得到空間中的離散數(shù)據(jù)，并采用有效的算法進(jìn)行處理，，主要目的接收信號(hào)中的干擾與噪聲，同時(shí)增強(qiáng)期望方向信號(hào)，并提取出其中有用信號(hào)特征號(hào)所包含的信息。陣列信號(hào)處理的特點(diǎn)有：靈活控制波束的形成、信號(hào)增益可靠的抗干擾能力與有效去除噪聲等優(yōu)點(diǎn)，因此近幾十年該技術(shù)得到快速的發(fā)展[6-7]。在超聲檢測(cè)領(lǐng)域，陣列信號(hào)處理得到廣泛的研究與應(yīng)用，相控陣超聲成像是當(dāng)前測(cè)技術(shù)中的發(fā)展熱點(diǎn)之一，同時(shí)也是陣列信號(hào)處理的重要分支技術(shù)[8]。與傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)相比，超聲相控陣檢測(cè)主要優(yōu)點(diǎn)有：利用多陣元的波束合成提高了檢測(cè)，通過改變聲波的激發(fā)與接收方式可以在不同的模式下進(jìn)行工作，陣列換能器不動(dòng)減小了系統(tǒng)工作誤差以及提高了檢測(cè)結(jié)果的可靠性[9]。

單個(gè)陣元的輻射聲場(chǎng)計(jì)算可以推廣到 N 個(gè)陣元組成的線性陣列，如圖2.2 所示，為簡(jiǎn)化分析可以計(jì)算介質(zhì) XOZ 平面任意一點(diǎn)的聲壓，其空間沖擊響應(yīng)是陣列中所有陣元空間響應(yīng)的延時(shí)代數(shù)和，由此得到陣列輻射聲場(chǎng)的計(jì)算[61]-10( , ) ( , )Na i i iih r t h r t t (2.5)式(2.5)中，hi為陣列中第 i 陣元的空間響應(yīng)；ir 是第 i 個(gè)陣元到場(chǎng)點(diǎn)的距離；Δti表示延時(shí)時(shí)間，通過延時(shí)時(shí)間可以達(dá)到波束控制的效果，如聚焦、波束偏轉(zhuǎn)等。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN911.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2635718