基于参量阵的水下宽带波束合成系统设计与实现

　　声源系统研究已有很长时间的历史，但是具有指向性的声学系统是一种新兴的声源，国内外对它的研究都还处于初级阶段。早在十八世纪中期，主观音调Tartini[1]的发现预示着指向性声学的起源。随着Westervelt方程[2]，Berktay远场解[3]以及KZK方程[4]的提出从理论上为指向性声学研究奠定了良好的基础。

　　20世纪以来，随着参量阵声学理论的发展及其在军用设备中的重要作用，参量阵声学用于目标探测、目标识别的优越性日益凸显。在军用领域中，如果能将参量阵技术成功应用于水下目标探测、水下目标追踪，对于水下声通信技术而言具有划时代的意义。基于参量阵的高指向性这一特性为本项目提供了有力的信号处理方法。但是这种高指向性只能满足特定方位的指向，从传统意义上来讲，如果不借助任何机械手段是无法完成在空间某一范围内任意指向。结合指向性可调的要求，要发射指向性可调的定向超声波，可以采取超声相控技术，超声相控技术属于电子技术范畴，能够满足空间中一定范围之内指向性的控制，也可以采取超声相控技术与机械手段相结合的方式，这样能够满足空间中较大范围指向性的控制。

　　本文正是以指向性声学技术为基础，以基于FPGA的平台为硬件基础，采用超声相控阵算法与参量阵输入相结合的控制策略，提出了一种基于参量阵的水下波束合成系统的设计方案。

　　1 波束合成系统基本原理

　　波束合成系统主要由以下几个部分组成: 上位机，声频定向系统，D/A转换，功率放大器，换能器以及信号采集设备等。如图1所示，上位机主要负责传送参数，本系统的参数主要是波束偏转角度，声频定向系统产生输入信号交由信号采集设备进入声束合成系统。对于系统而言，声频定向系统为其提供的是一个具有高指向性的信号，通过传输进入波束合成核心处理部分。核心处理部分将这个宽带信号进行存储，并且处理上位机传送的偏转角度的数据，通过处理可以获得n条通道所对应的每一个阵元的发射相位。

　　在核心处理与阵元之间，首先要通过D/A转换，将数字信号转换为相应的模拟信号，由于D/A转换直接获得的模拟信号不足以驱动换能器阵元，所以此时加入功率放大器，这样就能够成功激励阵元发射超声波了。

　　2 系统硬件设计

　　波束合成系统硬件部分主要由自组换能器阵列、波束合成核心处理、外围处理三部分组成。换能器能有效地实现电声转换，也是系统重要组成部分之一。波束合成核心处理主要是基于FPGA的信号处理平台，外围处理包括输出信号的数模转换，带通滤波以及功率放大。