阵列信号处理实验平台设计

杨 涛，朱闪闪，刘玉佼

(西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010)

0 引言

阵列信号处理作为信号处理的一个重要分支，已在现代通信、雷达、声纳以及医学诊断等领域得到广泛应用和快速发展。波束成形和波达方向估计是阵列信号处理的两个主要方面[1-3]。

波束成形是通过对阵列单元输出加权处理，增强有用信号，抑制干扰和噪声，使阵列方向图的主瓣指向所需方向;波达方向估计则根据各阵元的相位差估计信号的方位[4-6]。

电磁波阵列信号处理技术难度大、造价高，而且实验操作不便[7]，而超声波的频率高，波长短，在空间中传播时，能保持很好的束射性和方向性[8-9]。因此，本实验平台采用超声波阵列单元来构建。

本文综合考虑制作成本、控制电路复杂程度、阵元安装、元器件购买和实验平台维护等因素，选择中心频率为40 kHz、直径为11 mm(其中压电片直径为8 mm)的圆形活塞式超声波探头。设计了一种发射阵列和接收阵列上下交错排布的二维稀疏超声相控阵实验平台，其发射阵列阵元数目为8×8，行、列方向上阵元间距均为17 mm，接收阵列阵元数目为5×5，行方向上阵元间距为25.5 mm，列方向上阵元间距为17 mm。该平台可用于一维线阵和二维面阵的阵列信号处理问题的研究。

1 二维相控阵的波束偏转

当竖直与水平方向上相邻阵元分别按一定的时间差被激励，即相邻超声波换能器产生的超声波信号在竖直和水平两个方向上都存在相位差。相控阵波束在竖直和水平方向上都将发生偏转，竖直方向波束偏转原理图如图1所示[10]。

图1 竖直方向波束偏转原理图

2 声场仿真与分析

本实验平台选用压电片直径为8 mm的超声波换能器，阵元间距大于半个波长满足稀疏相控阵的条件，将会出现栅瓣。二维相控阵的阵列方向图为阵元方向图和阵列因子的乘积[11]。超声波换能器的指向性仿真结果如图2所示。发射阵元间距为17 mm、阵元数目为8×8时阵列声场仿真效果如图3所示。发射阵列方向图、接收阵列方向图、优化后的方向图如图4所示。优化后超声相控阵方向图如图5所示。换能器参数列表如表1所示，设计指标如表2所示。

图2 超声波换能器指向性仿真

图3 阵列声场仿真效果图

图4 阵列方向图

图5 优化后的二维超声相控阵方向图

表1 超声波换能器参数列表

表2 二维超声相控阵设计指标

由图2～5可知，本实验平台能增强波束的抗干扰与穿透能力，合成的波束具有较好的指向性，达到偏转声压最大化，主瓣宽度最小化，消除扫描角度50°以内的栅瓣，抑制旁瓣的目的，并且可以提高阵列的横向分辨率。考虑到接收阵列的特性，对阵列布置进行优化，可将二维稀疏超声相控阵扫描角度扩大到 ±25°。

3 实验平台电路设计

3.1 实验平台总体结构

本实验平台中二维稀疏超声相控阵基于主从同步方式工作，其组成部分包括PC机、控制器主机、发射控制器从机、接收控制器从机、发射匹配电路、接收匹配电路、发射阵列和接收阵列等。

PC机主要用于程序编译和记录扫描结果，存储扫描数据。控制器主机与8个发射控制器从机、3个接收控制器从机进行数据通信。8个发射控制器从机主要用于产生8×8个发射阵元的驱动信号，每个发射控制器从机可以驱动8个发射阵元，每个接收控制器从机完成10个单通道接收电路的信号处理任务。针对不同扫描点，事先完成发射阵元驱动信号的仿真和优化，再存储到发射从机中，在接收到发射主机的控制命令后，读取对应扫描点的驱动矩阵，由从机的DDS信号发生器产生信号。发射从机输出的驱动信号为数字信号，必须经过匹配电路才能用于驱动超声波换能器，发射匹配电路包括D/A转换电路、带通滤波电路、信号放大电路和阻抗匹配电路等。接收匹配电路包括前置放大电路、带通滤波电路、后置放大电路、信号放大电路和A/D转换电路等。其硬件设计框图如图6所示。

图6 二维超声相控阵总体硬件设计框图

3.2 单通道发射电路设计

本实验平台以直接数字式频率合成技术(DDS)为基础构建。信号发生器用以发射激励信号，该信号发生器在FPGA平台上完成，具有输出频率范围宽、相位连续可调、输出波形灵活和频率分辨率高等优点[12]。D/A转换器选用TI公司的TLC7524作为转换芯片，用于将信号发生器输出的数字信号转换成模拟信号。带通滤波器用于消除耦合到电路中非40 kHz的环境噪声，平滑D/A转换电路阶梯状输出信号，得到平滑的正弦信号。信号放大器用于提高信号电压幅值和增强负载能力。阻抗匹配电路对换能器进行阻抗匹配，激励信号驱动阵元发出超声波信号。单通道发射电路工作原理图如图7所示。

图7 单通道发射电路工作原理图

3.3 单通道接收电路设计

稀疏超声相控阵的发射与接收过程是互逆的，在接收电路中实现接收信号的相位延迟处理及幅值加权处理[13]。扫描点反射的超声波信号经接收阵列换能器接收，将回波信号从机械波转换为电信号。前置放大器将超声波换能器接收的微弱回波信号进行电压放大。带通滤波器除去环境中耦合的与中心频率不同的噪声。后置放大器对滤波后的电压信号进行电压补偿放大。经过放大、滤波处理后的信号经A/D转换后输出到FPGA平台进行处理，完成延时及幅值加权处理的信号输出到控制器主机。单通道接收电路工作原理图如图8所示。

图8 单通道接收电路工作原理图

4 实验平台软件架构

本实验平台稀疏超声相控阵设计的关键点在于波束成形技术及波达方向估计的实现。采用数字波束成形技术配合幅值加权变迹技术来实现稀疏超声相控阵的波束成形和波达方向估计，具有高延迟精度、高分辨率及高可靠性的优点。

若再加入幅值加权变迹技术之后，该方法的波束成形和波达方向估计的准确度会进一步提高。二维稀疏超声相控阵工作流程图如图9所示。

图9 二维超声相控阵工作流程图

本实验平台设计的一种基于主从同步方式的二维稀疏超声相控阵电路，实现各阵元发出的超声信号在空间完成波束成形，获得较好的波束成形效果。

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