基于LabVIEW的參量陣測試系統(tǒng)設計

1．3 參量陣的發(fā)射方式
參量陣的發(fā)射方式分為兩種，單通道發(fā)射方式和雙通道發(fā)射方式。其中，單通道發(fā)射方式是指兩個原波頻率信號，經過線性相加以及功率放大后，同時激勵換能器陣中的所有陣元；而雙通道發(fā)射方式是指兩個原波信號經過功率放大后，各自通過換能器陣中的某個通道來激勵相對應的陣元。
相比較，單通道發(fā)射方式結構比較簡單，容易實現(xiàn)，但大功率輸出較困難；而雙通道發(fā)射時，其輸出功率較大，但換能器陣元組合比較復雜。本系統(tǒng)中9個圓形壓電陶瓷換能器組成的3×3矩形基陣采用單通道發(fā)射方式，即載波調制信號同時接入換能器陣的兩個通道。

2 聲參量陣測試系統(tǒng)的組成結構設計
本文設計的系統(tǒng)結構原理框圖如圖2所示，主要包括PC機(LabVIEW信號處理平臺)、功率放大電路、換能器發(fā)射及接收陣、信號接收電路及數(shù)據(jù)采集卡等結構。其中，PC機主要是通過LabVIEW軟件完成對初始信號和高頻載波的產生、信號失真預處理和接收信號的后續(xù)處理(包括信號的實時顯示、頻譜分析等)；換能器發(fā)射和接收陣分別實現(xiàn)載波調制信號的發(fā)射和回波信號的接收；功率放大電路用來提高載波調制信號的發(fā)射功率；而信號接收電路則是對傳聲器接收到的回波信號進行處理，包括前端放大、帶通濾波及末級放大等幾個處理環(huán)節(jié)。

2．1 信號處理
信號處理是本系統(tǒng)中關鍵部分之一，主要完成輸入信號的失真預處理和超聲載波的振幅調制。信號處理部分的基本理論是。Berktay遠場解決方案。
2．1．1 失真預處理
失真預處理的目的是增強信號的強度，減少失真，增強低頻等。1965年， Berktay使用調制中包絡的概念為參量陣提出了一個更精確完整的解釋，認為最終的解調信號將由這個包絡決定，即參量陣解調后的信號P2(t)與包絡E (t)平方對時間的兩次微分成正比。根據(jù)Berktay遠場解決方案，現(xiàn)有的預處理方法主要有三種：
第一種也是最初的預處理方法，假設包絡為E(t)=1+mg(t)，其中m為調制因數(shù)，g(t)為音頻信號。則有：

根據(jù)式(1)可以看到：在非線性作用下，信號的自解調能夠將正比于包絡信號E(t)的調制信號Ps(t)解調出來；但自解調過程中會伴隨二次諧波失真信號Pd(t)的產生。
細觀式(1)可得，失真信號Pd(t)與m2成正比，即減小m就可以減少失真，但解調出來的信號Ps(t)也隨之減小，導致轉換效率降低。因此就有了第二種預處理方法，對包絡先積分兩次，然后再開方，即：

很顯然，單邊帶預處理方法對應產生純音頻信號時沒有失真，即沒有其他頻率成分產生。
2．1．2 載波調制
載波調制的作用是將預處理過的信號與超聲載波信號進行振幅調制，生成超聲載波調制信號。載波調制可分為雙邊帶(Double Sideband，DSB)調制和單邊帶(Single Sideband，SSB)調制等。在DSB調制中，輸出信號的頻譜由位于載頻左右兩側的上下邊帶組成，而且信號的上、下邊帶攜帶的調制信號信息完全一樣；SSB調制就是選擇DSB調制中一個邊帶進行傳輸，從而節(jié)省一半的發(fā)射功率。假設載波頻率為85 kHz，音頻信號頻率為5 kHz，則DSB和SSB調制示意圖如圖3所示。