【摘要】：相控陣超聲波束合成技術作為陣列信號處理的一個實際工程應用技術,一直是超聲波檢測應用中的研究熱點,同時也是一個難點。傳統的相控陣進行超聲波束合成時,通過對陣列換能器施加延時達到接收不同方向信號的目的,沒有考慮接收信號中的干擾噪聲等問題。本文根據陣列信號處理中空時等效性原理,設計了一種自適應波束合成算法,通過對各陣元接收到的信號施加復增益進行波束合成以得到期望方向信號,同時抑制信號中的干擾與噪聲,同時解決了自適應波束形成中無法解相干的問題。為了驗證算法的可行性,設計了相控陣超聲實驗平臺。主要研究工作如下:學習相控陣超聲換能器聲場輻射的基本原理,并以此為基礎研究了陣列信號處理的數學模型,在傳統延時疊加算法的基礎上引入空域濾波器,并且分析了影響空域濾波的關鍵參數。針對空域濾波器與延時疊加算法中權值固定,無法去除噪聲與抑制干擾信號的問題,引入自適應波束形成技術,并且分析了自適應波束形成的常用準則以及基于最小均方誤差準則產生的廣義旁瓣相消器算法。針對該算法存在協方差矩陣與互相關向量難以求得、超聲環(huán)境下相干信號無法處理等問題,對廣義旁瓣相消器進行改進,引入變換域下的最小均方迭代算法,最后對該算法進行了性能分析與給出實現方案。為驗證算法的可行性,完成相控陣超聲波束合成系統平臺的設計,首先分析該系統的總體設計,而后分析發(fā)射與接收電路的具體實現,接著介紹整個系統的核心部件FPGA與MCU控制系統,分析系統中數據通信處理。整體系統工作流程為:通過發(fā)射部分產生指定頻率的正弦波信號,進行D/A轉換、信號濾波功率放大等處理后激勵超聲波信號在鋁板中傳播,接收端對接收到的超聲波信號進行A/D轉換等處理后,通過FPGA級聯傳輸進入MCU,最后上傳到PC端進行數據處理。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(MVDR)與變換域下最小均方算法(FLMS)的波束形能力。在抑制干擾信號方面,FLMS算法與CBF算法相比,不會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。在解相干信號方面,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,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,此時MVDR算法已無法接收到期望信號;在高信噪比條件下,信噪比為20dB,干噪比為-20dB時,FLMS算法依然能保持良好的波束形成能力,而此時MVDR算法無法判斷接收信號中的相干干擾,不能在干擾方向形成零陷,并且FLMS算法無需求解接收信號的協方差矩陣與互相關向量,簡化了自適應波束計算的復雜度。通過相控陣超聲實驗平臺發(fā)射/接收超聲波信號,并對接收到的數據進行算法處理,驗證了該實驗平臺的可靠性,并且進一步驗證變換域下的最小均方迭代算法在處理超聲波束合成時解相干與抑制干擾信號的優(yōu)越性。
【圖文】：

陣列信號處理作為信號處理的一個分支，與傳統的時域信號分析相比，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的處理，不僅可以得到信號信息，并且可以分析信號的空域信息，如方向、位置等。傳感器陣列同時刻對接信號進行采樣，得到空間中的離散數據，并采用有效的算法進行處理，，主要目的接收信號中的干擾與噪聲，同時增強期望方向信號，并提取出其中有用信號特征號所包含的信息。陣列信號處理的特點有：靈活控制波束的形成、信號增益可靠的抗干擾能力與有效去除噪聲等優(yōu)點，因此近幾十年該技術得到快速的發(fā)展[6-7]。在超聲檢測領域，陣列信號處理得到廣泛的研究與應用，相控陣超聲成像是當前測技術中的發(fā)展熱點之一，同時也是陣列信號處理的重要分支技術[8]。與傳統的超聲檢測相比，超聲相控陣檢測主要優(yōu)點有：利用多陣元的波束合成提高了檢測，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行工作，陣列換能器不動減小了系統工作誤差以及提高了檢測結果的可靠性[9]。

單個陣元的輻射聲場計算可以推廣到 N 個陣元組成的線性陣列，如圖2.2 所示，為簡化分析可以計算介質 XOZ 平面任意一點的聲壓，其空間沖擊響應是陣列中所有陣元空間響應的延時代數和，由此得到陣列輻射聲場的計算[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；ir 是第 i 個陣元到場點的距離；Δti表示延時時間，通過延時時間可以達到波束控制的效果，如聚焦、波束偏轉等。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN911.7

【參考文獻】

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本文編號：2635718