换能器幅相一致性测试系统

发布时间：2020-08-13 09:58

【摘要】：声呐作为对水下目标探测与定位的设备,其重要组成部分之一为换能器基阵。由于制作工艺等原因,每个阵元间的幅度和相位水平很难保持一致。因此为了提高基阵的接收精度,本文设计了一套换能器幅相一致性测试系统。论文主要内容包括系统总体方案设计、硬件平台搭建以及配套软件编写等。硬件平台依据其功能划分为综合控制模块、信号生成模块、信号调理模块、通道切换模块以及信号采集模块五个部分。综合控制模块采用DSP+FPGA架构,因为DSP具有浮点运算能力,且FPGA管脚资源丰富,为系统的升级预留了空间。信号调理模块采用了程控放大倍数模式,且每个通道的放大增益均独立可调,从而提高了通道间幅度一致性。由于系统最多可以测试128个通道,本文采用64组继电器组成通道切换模块,既完成了测试通道的扩展,又保证了通道间幅度和相位的一致性。系统选用AD9244作为信号采集模块的模数转换核心芯片,该模数转换芯片支持高速采样率,可以实现对高频信号的采集。同时,利用VC++设计了与之匹配的显控软件。在启动测试系统后,上位机软件会自动进行自检,确定系统内各模块能够在软件的控制下完成相应功能动作。在使用时,用户只需配置一些参数后,系统即可自动化完成测试过程,并可以将测试结果生成Word文档。系统可产生指定频率信号,该信号经外部功放后推动发射换能器发声。待测换能器基阵接收信号后经调理电路进入信号采集模块。最后系统将采集到的数据上传至上位机,计算机通过分析和处理后,将通道间幅度和相位一致性显示在界面上。整个系统在实验室环境中进行测试,性能稳定,在20kHz~200kHz频带范围内,幅度一致性小优于±1dB,相位一致性优于±3°,符合预期的设计要求。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U666.7
【图文】：

测试装置,耦合腔

主要有三种方法：有源近场校准、使用馈源法校准和有源远场校准。有源校准算法的主要优势在于从理论上可以完全消除各种误差的影响。目前基阵阵元的幅相一致性测量基本都采用了自校准的方法。图 1.1 所示为美国佛罗里达州的海军海岸系统实验室（NCSL）的相位一致性测试装置。这种测量方法需要有专用的测量结构，且固定器是设备的关键部分。图 1.1 NCSL 测试装置图 1.2 为 715 研究所的耦合腔测量法。在耦合腔的底部固定一个发射器，然后在腔内充满水，被测水听器放置在腔的顶部。在耦合腔中测得各水听器开路电压相位一致性，

耦合腔,自由声场,绪论,相位一致性

第 1 章绪论水听器自由声场开路电压灵敏度的相位一致性。在测量时，调节信号器的发射电压，直到示波器上的信号不失真为止。在有足够的信噪比频率发射电压。此种方法不需要水池即可完成测试过程，省时省力，方测量方法的限制，每次只能测试一个换能器，不能实现对换能器阵列

系统框架

其系统框架如图 3.1 所示。图 3.1 系统框架图3.1 硬件总体方案设计本文采用 DSP 与 FPGA 组合的方式作为系统的控制核心，上位机通过 USB 接口与DSP 相连接，上位机首先把指令下发给 DSP，DSP 控制信号的产生、模拟开关以及继电器的切换，同时 DSP 再将部分控制指令转发给 FPGA。FPGA 控制 A/D 进行数据采集与RAM 的数据缓存。采集完成后，FPGA 负责将采集到的原始数据上传至 DSP，DSP 将数据打包后再传送至上位机，供上位机处理和分析。系统的整体设计方案如下：通常情况下，水听器输出的信号很微弱，同时信号的噪声也很大，所以为了得到适合采集的信号，需要进行放大滤波处理[11]。考虑到水池的测试环境比较良好

【参考文献】