基于FPGA的超声相控阵发射电路研究

针对基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的高精度相控阵控制电路,采用锁相环技术的延时控制电路设计方法,在Modelsim软件中设计、仿真相控阵发射电路的聚焦和延时功能。在设计过程中,采用S扫描的扫描方式,由相控阵发射原理计算出相控阵发射电路的延时时间,通过相应的延时得到相控阵发射电路的聚焦。采用FPGA内部集成的锁相环,可以对输入时钟进行倍频或者分频,以此产生超声相控阵发射电路所需要的相关时钟信号。     

超声相控阵系统提高延时分辨率的研究进展

超声相控阵技术通过对超声阵列换能器中各阵元进行相位延时控制,获得灵活可控的合成波束及实现动态聚焦、偏转、声束形成等各种相控效果。精密聚焦延时是超声相控阵动态聚焦的核心,无论是在超声相控阵发射延迟控制还是接收延时补偿中,都需精确控制相位延时。该文介绍了国内外超声相控阵系统延时分辨率的发展历程和研究现状,并分析了各个方法的优缺点。     

基于正交编码激励的水下声呐高帧频成像方法

针对水下声速引起的超声成像系统成像帧率不高的问题,提出一种采用伪随机编码线性调频波(平衡Gold-LFM)作为发射信号的高帧频水下声呐成像方法。该方法通过依次发射相互正交的伪随机编码调制线性调频波,结合通道分离技术和波束形成技术,实现不同信号的通道分离与高帧频成像。仿真实验表明所提出的基于平衡Gold-LFM复合信号的成像方法可以实现回波信号的通道分离和提高成像帧率,同时能够降低图像伪影,具有较好的成像信噪比。     

编码激励技术在医学超声内窥镜中的实现

为了提高医学超声内窥镜系统的探测深度和成像质量,将广泛应用于雷达系统的编码激励技术引入到超声成像系统中,采用编码脉冲信号激励超声换能器,以增加超声发射功率,提高回波信号信噪比.在分析编码激励原理和超声换能器暂态工作特性的基础上,设计并实现了超声信号的4 bit Barker编码脉冲发射.实验中,激发电路输出的编码激励信号与超声换能器的暂态工作特性吻合;玻璃杯壁的反射超声回波信号,具备编码特征,与Matlab仿真结果相同,且幅度较强.     

基于语音识别控制的激光超声水下遥感研究

为了减少激光致声对水下目标遥感的实时性和有效性的影响,分析了激光超声诱导与光声效应原理,采用语音识别技术实现字符化编码,探讨语音信息的基频编码和控制激光发射的码型结构。搭建了实验测试系统,利用波长为1.06μm的脉冲激光进行水下超声激励,通过对水下激光声信号采集处理,完成了实验室空中平台到水下目标的实时语音控制。结果表明,非特定人的语音指令识别与编码方法有效实现了可变基频的激光超声水下目标控制。该研究为激光声水下目标遥感应用提供了一种新的技术途径。     

基于ADS6122和FPGA的多通道信号采集系统的设计

针对超声成像系统的信号采集要求,介绍了一种基于FPGA的多通道数据采集和传输系统的设计与实现。采用ADS6122,实现了12 bit、单通道最高采样频率达65 MHz的A/D转换电路。该系统采用FPGA进行逻辑控制,实现了高频信号单通道采集,低频信号多通道同时采集的数据采集系统。系统测试结果表明:当单通道模拟信号输入频率不超过7 MHz时,得到的采样速度和采样精度都能满足超声信号采集的高要求。该系统还可以作为相关多通道信号采集系统设计的参考。     

相控阵聚焦超声控制系统的设计

低强度聚焦超声治疗技术是当前超声治疗领域的研究热点,应用场景不同对于超声系统的参数和性能要求也具有差异化,相控阵技术的引入为解决聚焦声场精确控制带来了新的思路。现有相控阵聚焦超声控制系统的输出参数相对固定,频率和功率可调范围窄,且支持换能器阵列通道的规模较小。该文设计了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的256通道的相控阵超声控制系统。实验结果表明,该系统实现频率1~3 MHz 可调,输出电压峰 峰值±100 V连续可调,相位延时精度为5 ns,可驱动不同阵元数的相控阵探头,从而为超声治疗技术的研究提供多元化激励实施方案。     

超声多重深度相控聚焦发射设计与仿真

为解决动态孔径发射检测效率低而动态深度聚焦成像技术不同深度检测分辨率不均匀的问题,结合两种技术的优点,设计了一种多重深度聚焦发射方案。通过对超声相控阵成像空间分辨力与线性阵列结构参数关系的分析,确定了分区对称发射方式。并在标定横向焦宽7 mm,纵向焦深50 mm条件下,得到探测深度最大为110mm。经仿真成像对比,证明了该发射方法可有效改善分辨率不均和动态范围随探测深度降低的问题,且有效提高了超声相控阵检测效率。     

基于FPGA的超声相控阵接收系统的研究

超声相控阵检测技术具有提高检测灵敏度、分辨力和信噪比等优点。该文基于现场可编程门阵列(FPGA)技术,控制接收部分的信号以完成电压隔离,放大,滤波处理并转换为低电压差分信号(LVDS)等功能,实现了超声相控阵接收控制系统的小型化和数据传输的高速化。实验结果表明,处理的信号满足所需要求,系统稳定,对相控阵接收系统的优化具有重要意义。     

超声相控阵发射电路的设计探讨

根据超声波发射模块具有灵活性高、速度快和小型化的特点,采用模块化思想设计了一个小型超声相控阵发射单元,可实现超声探头发射稳定的高压脉冲激励信号来产生超声波。采用模块化设计,不仅提高了设计效率,而且也使系统的稳定性得到很大提高。     

基于DDS和Taylor加权发射波束形成研究

提出了一种对水声换能器基阵的发射波束进行优化控制的方法。首先,根据Taylor加权的计算公式,计算出可获得低旁瓣波束各阵元的幅度加权系数;然后,应用直接数字频率合成(DDS)技术设计出每个阵元偏移一定相位的发射信号;最后,结合高性能现场可编程门阵列(FPGA)技术,设计了8元直线阵的发射波束形成。仿真计算和实验结果表明,文章设计的方法不仅能实现低旁瓣的发射波束,还能很精确地控制发射波束角度,为以后的实际工程实现提供了参考方案。     

基于DDS的有源相控阵天线

有源相控阵天线不仅能提高通信系统的性能,而且还能扩充其功能,所以在通信领域的应用越来越广泛.本文介绍一种没有高频移相器的8单元有源相控阵天线系统,它由平面天线阵、数字T/R组件、接收DBF和系统控制分析软件等组成.其基本原理是在发射模式下,利用直接数字合成(DDS)代替传统的高频移相器和衰减器.由于DDS的工作频率比较低,需要通过上变频到系统所需要的工作频率(2.0GHz).在发射模式下,通过控制DDS完成发射波束形成所必需的幅度、相位加权和上变频所必需的本振信号;在接收模式下,则利用DDS技术产生接收信号下变频所必需的本振信号,然后采用DBF技术形成接收波束.文中详细介绍了基于DDS的有源相控阵天线的实现方法和实验结果.通过8单元基于DDS的有源相控阵天线系统的研究,证实了DDS技术在相控阵天线中应用的显著优点和相控阵天线在通信领域具有潜在应用市场.     

宽带恒定束宽波束形成器的高速数据采集方案及实现

设计了一种适用于水声宽带恒定束宽波束形成器的多通道数据采集方案。采用FPGA技术,控制16个A/D转换芯片,同时对阵列的16个通道信号进行模/数转换,使采样后各个通道之间的相位误差小于1°,满足了恒定束宽波束形成器对各通道相位一致性的要求。该方案已在水声阵列信号探测系统中成功应用。     

基于脉冲压缩的高频超声信号实时增强系统

高频超声成像具有高分辨率的优点,但其衰减速度过快导致探测深度过浅。编码脉冲压缩可以解决高频超声纵向分辨率和探测深度的矛盾。利用FPGA设计了一个线性调频脉冲的发射和实时压缩系统,通过发射大时宽-带宽积的线性调频脉冲来保证信号的能量,从而提高探测深度,在接收端通过脉冲压缩获得窄脉冲保证分辨率。实验表明,中心频率为10 MHz和50 MHz的高频超声回波信号,经过脉冲压缩以后的分辨率分别为0.3 mm和41 μm,旁瓣水平分别为48 dB和37 dB,信噪比分别提高15 dB和10 dB。     

基于DDS的多载波水声通信信号发生器的实现

根据水下远程通信系统对信号发射的要求,设计并实现了由FPGA和DSP组成的水下声通信信号发生器。采用直接数字合成（DDS）方法,实现了多载波频移键控（MFSK）和正交频分复用（OFDM）2种水声远程通信复杂信号。实验结果表明,该系统性能稳定,能够满足水声通信系统对发射信号的实时发生要求。     

TR组件S参数自动测试软件的设计和应用

为了实现TR组件S参数测试的自动化,分别建立了接收和发射S参数自动测试系统,使用VISA-COM和SCPI命令对仪器进行编程,重点阐述了在脉冲状态下实现TR组件移相和衰减全自动化测试的方法,并介绍了TR组件移相数据处理软件的设计。该方法在有源相控阵天线的自动化测试上得到成功应用,论述了在有源相控阵天线配相自动化测试系统的应用情况。该自动化测试技术具有准确方便快速等特点,在工程实践中取得了良好的效果。     

超指向性相控阵列波束形成设计与实现

超指向性相控阵列设计要求阵列具有高指向性,基于对平面阵波束形成与指向性的理论分析,提出了矢量分解阵列设计,使波束形成的方法得到很大的改进,并实现相控阵系统中各阵元发射和接收相位的精确控制.     

稀疏MIMO雷达实孔径三维成像技术

针对任意的多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)稀疏阵列提出了MIMO单快拍成像模式和相控阵多帧联合成像模式两种三维成像方法,并对两种模式下角度分辨率及信噪比(signal noise ratio, SNR) 进行了对比. MIMO单快拍成像模式角度分辨率等价于收发联合等效阵列;相控阵多帧联合成像模式的方向图等于发射方向图与接收方向图的乘积,同样也能获得收发联合等效阵列的角度分辨率;相控阵多帧联合成像模式与MIMO单快拍成像模式的SNR的比值为发射阵列数量. 讨论了稀疏阵列与均匀满阵之间的区别与联系,稀疏阵列的波束方向图等价于均匀满阵的二维加窗快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT),加窗使稀疏阵列方向图展宽. MIMO单块拍成像模式适用于对实时性要求高的应用场景,相控阵多帧联合成像模式适用于对SNR要求高的应用场景.     

基于AD9959的高精度多通道雷达信号源设计

现代相控阵雷达为了保证空间功率合成精度需要高精度的雷达信号,设计实现了一种以AD9959为核心的高精度多通道雷达信号源。信号源利用多片AD9959产生32路正弦波、线性调频以及相位编码等多种信号形式,并设计采用AD8302对多路信号的幅度和相位进行检测与调整。该信号源已应用实际工程中,现场实验结果表明,该信号源系统产生的高频信号频率稳定度高、相位幅度一致性好,完全满足对信号源的性能指标的要求。