基于相控阵原理的水声成像系统设计与实现

发布时间：2017-09-24 04:44

  本文关键词：基于相控阵原理的水声成像系统设计与实现

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【摘要】：常规的水下探测设备多采用大基阵进行移动收发,随着海洋资源的开发,对易操作便携式水声成像系统的需求愈发迫切。相控阵成像技术能够灵活控制声束方位,实现动态聚焦偏转,具有较高的检测灵敏度和成像分辨率。将相控阵技术应用于水声成像领域,对于推动水声成像检测技术的发展具有重要的现实意义。针对水声成像系统的应用需求,本文进行了基于相控阵原理的水声成像系统设计。首先讨论了相控阵技术的检测理论,包括相控线阵的声场分布和声束指向性,分析了通过控制相控发射和相控接收实现声束偏转和聚焦的原理,确立了具体的检测手段。其次,在理论分析的基础上,对水声成像系统进行了总体设计。确定了采用电容式微加工超声换能器阵列作为系统探头,对系统硬件电路进行设计和调试,主要包括发射和接收采集两部分。其中发射部分包括脉冲产生模块、数模转换电路、信号放大电路,接收部分包括收发隔离电路、滤波放大电路、高速数据采集电路和数据存储模块。然后,利用FPGA实现了系统的硬件控制和相控关键技术。在分析相控阵聚焦和偏转时间延迟的基础上,针对系统对相控延时精度的要求,采用FPGA内部锁相环实现了相控聚焦偏转发射,最小延时2.5ns。调用IP ROM实现相控发射声束的自动扫查。使用PCI总线进行FPGA硬件控制端和上位机的连接,实现了命令和采集数据的高速传输。最后通过水池测试对相控阵水声成像系统进行了验证。测试结果表明,设计的相控阵水声发射电路发射信号强,相控聚焦和偏转性能良好,相控接收电路采集信号稳定。数据传输满足功能要求,利用上位机软件显示成像检测效果清晰。证明系统整体性能良好,具有一定的工程应用发展前景。
【关键词】：相控阵技术 水声成像系统 高速数据采集 相控延时精度
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB56;TP391.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1. 绪论9-16
• 1.1 水声成像技术的发展与意义9-11
• 1.2 相控阵技术在水下检测的优势11-12
• 1.3 水声成像系统国内外研究现状12-15
• 1.3.1 国外水声成像系统研究现状12-14
• 1.3.2 国内水声成像系统研究现状14-15
• 1.4 本文研究内容15-16
• 2. 相控阵水声检测原理理论分析16-25
• 2.1 引言16
• 2.2 相控阵工作原理16-21
• 2.2.1 波阵面形成16-18
• 2.2.2 相控阵检测声学特性分析18-21
• 2.3 超声检测方法21-23
• 2.4 相控阵发射和接收原理23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 3. 相控阵水声成像系统总体方案研究25-44
• 3.1 系统总体方案设计25-26
• 3.2 相控阵超声换能器阵列26-28
• 3.3 相控阵发射电路研究与设计28-33
• 3.3.1 多通道脉冲发生模块28-30
• 3.3.2 D/A转换电路30-32
• 3.3.3 脉冲放大电路32-33
• 3.4 相控阵接收和采集电路33-42
• 3.4.1 收发隔离电路34
• 3.4.2 低通滤波放大电路34-36
• 3.4.3 A/D转换电路36-41
• 3.4.4 接收数据缓存模块41-42
• 3.5 电源模块42-43
• 3.6 本章小结43-44
• 4. 相控阵水声成像系统控制设计与实现44-56
• 4.1 相控阵延时计算44-48
• 4.1.1 相控阵声束聚焦延时计算45-46
• 4.1.2 相控阵声束偏转延时计算46-47
• 4.1.3 相控阵声束聚焦加偏转延时计算47-48
• 4.2 相控延时的FPGA实现48-52
• 4.3 相控自动扫查实现52-53
• 4.4 通信接口模块53-55
• 4.5 本章小结55-56
• 5. 系统调试与实验结果56-64
• 5.1 CMUT阵列性能测试56-58
• 5.1.1 CMUT阵列一致性测试56-57
• 5.1.2 CMUT阵列频率测试57-58
• 5.2 相控阵聚焦和偏转性能测试58-60
• 5.3 A/D数据采集测试60-62
• 5.4 水池成像测试62-63
• 5.5 本章小结63-64
• 6. 总结与展望64-66
• 参考文献66-70
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果70-71
• 致谢71-72

【参考文献】

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本文编号：909431