基于LabVIEW的參量陣測試系統(tǒng)設(shè)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(jīng)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(jīng)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(yīng)的陣元。
相比較，單通道發(fā)射方式結(jié)構(gòu)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(fù)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(diào)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(jié)構(gòu)設(shè)計
本文設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示，主要包括PC機(jī)(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(jié)構(gòu)。其中，PC機(jī)主要是通過LabVIEW軟件完成對初始信號和高頻載波的產(chǎn)生、信號失真預(yù)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(diào)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(diào)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(jìn)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(guān)鍵部分之一，主要完成輸入信號的失真預(yù)處理和超聲載波的振幅調(diào)制。信號處理部分的基本理論是。Berktay遠(yuǎn)場解決方案。
2．1．1 失真預(yù)處理
失真預(yù)處理的目的是增強(qiáng)信號的強(qiáng)度，減少失真，增強(qiáng)低頻等。1965年， Berktay使用調(diào)制中包絡(luò)的概念為參量陣提出了一個更精確完整的解釋，認(rèn)為最終的解調(diào)信號將由這個包絡(luò)決定，即參量陣解調(diào)后的信號P2(t)與包絡(luò)E (t)平方對時間的兩次微分成正比。根據(jù)Berktay遠(yuǎn)場解決方案，現(xiàn)有的預(yù)處理方法主要有三種：
第一種也是最初的預(yù)處理方法，假設(shè)包絡(luò)為E(t)=1+mg(t)，其中m為調(diào)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(diào)能夠?qū)⒄扔诎j(luò)信號E(t)的調(diào)制信號Ps(t)解調(diào)出來；但自解調(diào)過程中會伴隨二次諧波失真信號Pd(t)的產(chǎn)生。
細(xì)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(diào)出來的信號Ps(t)也隨之減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低。因此就有了第二種預(yù)處理方法，對包絡(luò)先積分兩次，然后再開方，即：

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