新聞中心

EEPW首頁 > 測(cè)試測(cè)量 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于LabVIEW的參量陣測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

基于LabVIEW的參量陣測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

作者: 時(shí)間:2009-08-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  引言

  聲學(xué)參量陣(ParametricAcousticArray)是利用介質(zhì)的非線性特性,使用兩個(gè)沿同一方向傳播的高頻初始波在遠(yuǎn)場(chǎng)中獲得差頻、和頻及倍頻等的聲發(fā)射裝置。根據(jù)介質(zhì)中聲吸收原理,吸收與信號(hào)頻率的平方成正比,在聲波的傳播過程中,和頻及倍頻等頻率較高的信號(hào)衰減很快,經(jīng)過一段距離后,僅剩下頻率較低的差頻信號(hào)。與常規(guī)換能器相比,首先,該差頻信號(hào)具有更好的指向性;其次,該差頻信號(hào)幾乎沒有旁瓣,避免了在淺海沉底或沉積物探測(cè)過程中由于邊界不均勻所帶來的干擾和信號(hào)處理的復(fù)雜性;第三,差頻信號(hào)具有大于10kHz的帶寬,空間分辨率高,抗混響,并能獲得較高的信號(hào)處理增益等。

  基于上述優(yōu)點(diǎn),參量陣在水下探測(cè)、水下通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如,在國外,德國INN0-MAR公司生產(chǎn)的SES-96和SES-2000系列參量陣測(cè)深/淺底層剖面儀,目前廣泛應(yīng)用于淺海水下探測(cè),其中SES-96低頻的束角為±1.8°,穿透深度最大達(dá)50m;在國內(nèi),中國科學(xué)院東海研究站研制成功的參量陣“堤防隱患監(jiān)測(cè)聲納”,可以對(duì)江河湖底和海底沉積層進(jìn)行探測(cè)識(shí)別或?qū)Φ谭罁p毀程度進(jìn)行探測(cè)評(píng)估。另外,美國技術(shù)公司開發(fā)的參量揚(yáng)聲器專利產(chǎn)品——極超音速揚(yáng)聲器系統(tǒng)(HypersonicSoundSystem,HSS),實(shí)現(xiàn)了聲音在空氣中的定向傳播。

  但是,目前參量陣技術(shù)并不成熟,沒有形成統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)規(guī)范。本文旨在對(duì)聲參量陣在空氣中的應(yīng)用做一些初步的探索和研究,為聲參量陣技術(shù)應(yīng)用于水聲探測(cè)做準(zhǔn)備。

  1聲參量陣?yán)碚摷皳Q能器陣設(shè)計(jì)

  1.1聲參量陣?yán)碚?/P>

  假設(shè)兩個(gè)高頻初始聲波信號(hào)的頻率分別為ω1和ω2(不妨設(shè)ω1>ω2),信號(hào)在傳播中由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)而形成差頻信號(hào)(ω1-ω2)、和頻信號(hào)(ω1+ω2)、倍頻信號(hào)(2ω1和2ω2)以及原信號(hào)(ω1和ω2),可表述如下:

式中:ei(i=1,2,…,6)為無量綱參量。

  由于高頻初始聲波信號(hào)ω1和ω2可以做得很接近,差頻信號(hào)(ω1-ω2)的頻率很低,該差頻信號(hào)具有很強(qiáng)的沉積層穿透力,可以用來探測(cè)海底淺部底層結(jié)構(gòu),而反射的主頻信號(hào)則可以用于精確的水深測(cè)量。另外,原波頻率較高,換能器可做得很小,這不但可以減小發(fā)射器的體積,而且還可探測(cè)較小物體。產(chǎn)生的差頻信號(hào)強(qiáng)度較原波稍高,衰減較慢,并與高頻時(shí)的波束角非常接近,且沒有旁瓣,因此其波束指向性好,具有較高的分辨率。同時(shí)可控的差頻聲波信號(hào)可以承載更多的沉積層信息,以便對(duì)埋入沉積層的目標(biāo)進(jìn)行分類識(shí)別。

  1.2換能器陣設(shè)計(jì)

  此處的換能器指的是電聲換能器,即用來實(shí)現(xiàn)電能和聲能之間能量相互轉(zhuǎn)換的器件。由于單個(gè)換能器的指向性不好(甚至沒有指向性),而且單個(gè)換能器的發(fā)射功率也不大。因此考慮使用基陣的方法,即由若干個(gè)換能器按一定規(guī)律排成陣列。這樣不但提高了發(fā)射功率,而且通過基陣形成的波束,其方向性的旁瓣得到降低,指向性得到了很大的提高,從而對(duì)目標(biāo)的定位、定向和測(cè)速都有很大的改善。同時(shí)隨著發(fā)射功率的增大,空間處理增益和接收陣輸入端的信噪比得到提高,并且系統(tǒng)的作用距離有所增加,對(duì)單個(gè)換能器的指向性等要求也有所降低,實(shí)現(xiàn)起來更加容易。

  設(shè)計(jì)換能器陣時(shí),可以采用多種排列組合方式,如矩形陣、六邊形陣、圓形陣等。本系統(tǒng)采用9個(gè)圓形壓電陶瓷換能器組成3×3矩形基陣的形式來發(fā)射超聲信號(hào),并利用4個(gè)傳聲器來進(jìn)行回波的接收。如圖1所示,其中1,3,7及9號(hào)換能器構(gòu)成一個(gè)通道,其余5個(gè)換能器構(gòu)成另一個(gè)通道。

  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(gè)原波頻率信號(hào),經(jīng)過線性相加以及功率放大后,同時(shí)激勵(lì)換能器陣中的所有陣元;而雙通道發(fā)射方式是指兩個(gè)原波信號(hào)經(jīng)過功率放大后,各自通過換能器陣中的某個(gè)通道來激勵(lì)相對(duì)應(yīng)的陣元。

  相比較,單通道發(fā)射方式結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),但大功率輸出較困難;而雙通道發(fā)射時(shí),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(gè)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(hào)同時(shí)接入換能器陣的兩個(gè)通道。


上一頁 1 2 3 下一頁

關(guān)鍵詞: LabVIEW 參量陣測(cè)試

評(píng)論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉