一种基于相控参量阵的次声波定向发射系统及方法与流程

1.本发明属于次声波技术领域，涉及一种基于相控参量阵的次声波定向发射系统及方法。


背景技术：

2.次声波是一种频率在20hz以下的低频声波。通常在地震、海啸、火山爆发和火箭发射等情况下都会产生次声波。由于它的低频特性使其在生物驱散、管道检测、次声武器以及医疗等方面都具有广阔的应用前景。同时对次声波的检测能够对有些灾害进行预警。
3.目前次声波的产生方式主要有气爆式、爆弹式、扬声器式和频率差拍式。但现有的这些方法无法得到高指向性的次声波，以及实现声波的偏转。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于相控参量阵的次声波定向发射系统及方法，本发明将相控阵和参量阵结合成相控参量阵来产生次声波，能够用小体积的设备产生高指向性的次声波，并实现声波的偏转。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种基于相控参量阵的次声波定向发射系统，包括依次连接的矩阵键盘、信号产生模块、信号调制模块、延时模块、数模转换模块、功率放大模块和超声波换能器阵列；
7.所述信号产生模块用于根据矩阵键盘的控制信号输出待调制的信号以及高频载波；
8.所述信号调制模块用于根据待调制的信号以及高频载波实现带载波单边带调制，得到单边带调制信号；
9.所述延时模块用于根据所述单边带调制信号的偏转角度的大小分别对各路处理信号进行延时，生成多路调制信号；
10.数模转换模块和功率放大模块分别用于对各路调制信号进行数模转换和放大；
11.超声波换能器阵列用于根据所有放大后的调制信号发射超声波。
12.优选的，信号产生模块输出的待调制的信号为正弦信号和余弦信号，输出的高频载波为21khz～40khz的正弦载波信号和余弦载波信号。
13.优选的，信号调制模块根据待调制的信号以及高频载波实现带载波单边带调制，得到单边带调制信号的过程包括：
14.根据带载波单边带调制方法将待调制的正弦信号和余弦信号分别与余弦载波信号和正弦载波信号相乘，再将余弦载波信号和两个乘法器的积相加，得到上边带信号；最后再根据偏转角度分别得出各路信号的延时，之后根据延时将各路调制信号输出。
15.优选的，所述超声波换能器阵列以八角平面阵的形式排列，每个超声波换能器连接一路调制信号。
16.优选的，所述超声波换能器阵列包括24个超声波换能器，24个超声波换能器以一
个四行三列和一个三行四列的平面阵复合成八角平面阵。
17.优选的，本发明基于相控参量阵的次声波定向发射系统还包括显示模块，显示模块与信号产生模块连接并用于显示信号产生模块输出的待调制信号的频率。
18.本发明还提供了一种次声波定向发射方法，包括如下过程：
19.产生控制信号；
20.根据控制信号得到待调制的信号以及高频载波；
21.根据待调制的信号以及高频载波实现带载波单边带调制，得到单边带调制信号；
22.根据所述单边带调制信号的偏转角度的大小分别对各路处理信号进行延时，生成多路调制信号；
23.对各路调制信号进行数模转换，得到多路模拟信号；
24.对多路模拟信号进行放大，得到多路放大信号；
25.将多路放大信号中的每一路放大信号转化为一路超声波，所有的超声波以阵列形式传输并在传播介质中自解调出次声波。
26.优选的，所有超声波传播时的阵列形式为八角平面阵的形式排列。
27.优选的，所有超声波传播时以一个四行三列和一个三行四列的平面阵复合而成的八角平面阵形式传播。
28.优选的，所述待调制的信号为正弦信号和余弦信号，输出的高频载波为21khz～40khz的正弦载波信号和余弦载波信号；
29.根据待调制的信号以及高频载波实现带载波单边带调制，得到单边带调制信号的过程包括：
30.根据带载波单边带调制方法将待调制的正弦信号和余弦信号分别与余弦载波信号和正弦载波信号相乘，再将余弦载波信号和两个乘法器的积相加，得到上边带信号；最后再根据偏转角度分别得出各路信号的延时，之后根据延时将各路调制信号输出。
31.本发明具有如下有益效果：
32.本发明基于相控参量阵的次声波定向发射系统通过超声波换能器阵列发射方向可控的超声波，超声波在空气介质中通过非线性自解调效应，解调出高指向性的次声波。此方式所需的设备体积小，且不需要机械转动就能实现声束的电子偏转。本发明中信号调制模块采用带载波单边带调制，根据伯克泰远场解不会自解调出高阶谐波。同时，发射阵采用超声波换能器阵列，一方面能进一步提高发射声波的指向性，另一方面在阵元数较多的情况下能提高声压级。
附图说明
33.图1为本发明基于相控参量阵的次声波定向发射系统的原理图；
34.图2为本发明实施例中信号产生模块的示意图；
35.图3为本发明实施例中带载波单边带调制的原理图；
36.图4为本发明实施例中超声波换能器阵列的排布图；
37.图5为本发明实施例中分贝仪的前面板；
38.图6为本发明实施例中分贝仪的后面板。
具体实施方式
39.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
40.本发明提供了一种基于相控参量阵的次声波定向发射系统，采用相控参量阵的方法产生高指向性、可偏转的次声波，并对产生的次声波进行检测。
41.参照图1
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图4，本发明基于相控参量阵的次声波定向发射系统，主要包括次声波发射装置和次声波检测装置。次声波发射装置包括控制与显示模块、信号产生模块、信号调制模块、延时模块、数模转换模块、功率放大模块和超声波换能器阵列；次声波检测装置包括声波接收器和分贝仪。所述控制与显示模块包括矩阵键盘和oled显示屏；所述信号产生模块基于fpga采用直接数字频率合成技术生成待调制的正余弦信号和40khz的载波信号，并输入到信号调制模块；所述信号调制模块基于fpga采用带载波单边带调制方法生成调制信号，并输入到24路延时模块分别进行延时，之后再输入到数模转换模块；所述数模转换模块使用双通道14位的ad9767及其外围电路实现功能；所述功率放大模块使用运算放大器进行第一级放大，之后再使用lm4766进行第二级放大。所述超声波换能器阵列为八角平面阵，由一个四行三列和一个三行四列的平面阵复合而成。所述分贝仪用labview编写。在分贝仪前面板上包含有原始波形、原始频谱图、读取或提取数据图和提取数据频谱图四个窗口。在分贝仪前面板下方有测量、读取、提取和计算等按钮，能够对得到的原始波形进行任意长度的提取，再通过频谱图和算法计算其频率。
42.本发明基于相控参量阵的次声波定向发射系统基于由相控阵和宽带参量阵组成的相控参量阵原理。当各个超声波换能器驱动信号存在一定的延时，就可以使超声波换能器阵列产生的声束朝不同方向偏转。声学参量阵分为双频参量阵和宽带参量阵，双频参量阵通过超声波换能器发出两列频率差在20hz以下的超声波，在空气介质中通过非线性作用生成差频波，即次声波；宽带参量阵依据伯克泰远场解理论，即参量阵的差频声场是原频包络的平方的二阶导数。将低频信号搭载在高频超声波信号之上，在空气介质中通过非线性自解调效应解调出次声波。由于吸声系数随着频率增大而增大，因此高频声波在空气中迅速衰减，最后只剩下不易衰减的次声波。
43.利用上述基于相控参量阵的次声波定向发射系统，本发明次声波定向发射方法的步骤包括：
44.步骤1，通过控制与显示模块设置待调制信号的频率以及声波偏转的角度，并在oled显示屏上显示参数信息；控制与显示模块用fpga进行控制，待调制信号的频率以5hz为步进，最大到20hz；
45.步骤2，将控制与显示模块输出的控制信号输入信号产生模块，信号产生模块输出待调制的信号以及高频载波，并输入信号调制模块实现带载波单边带调制，然后根据偏转角度的大小分别对各路信号进行延时，生成多路调制信号；其中，所述信号产生模块和信号调制模块，都使用fpga进行逻辑设计。信号产生模块根据控制与显示模块输入的频率，生成对应频率的正弦信号和余弦信号，同时生成频率为40khz的正弦和余弦载波信号，最后将生成的信号输入到信号调制模块。信号调制模块包括两个加法器和两个乘法器，根据带载波单边带调制原理将待调制的正弦信号和余弦信号分别与余弦载波信号和正弦载波信号相乘，再将余弦载波信号和两个乘法器的积通过两个加法器相加，得到上边带信号。最后再根据控制与显示模块输入的偏转角度分别得出24路信号的延时，然后将24路调制信号输出到
数模转换模块；
46.步骤3，由于调制信号是数字信号，因此将各路调制信号输入数模转换模块将数字量转换为模拟量，并通过功率放大模块进行放大，然后分别驱动超声波换能器阵列对应位置的超声波换能器发射超声波，超声波在空气中通过非线性自解调效应解调出所需次声波；其中，数模转换模块使用ad9767为核心将数字量转换为模拟量，输入功率放大模块。其所述功率放大模块首先通过运算放大器进行前级放大，之后再通过lm4766进行后级放大，最后输入到超声波换能器阵列；所述超声波换能器阵列由24个超声波换能器组成，以八角平面阵的形式排列，每个超声波换能器连接一路调制信号。
47.步骤4，用声波接收器对发出的次声波进行接收，然后用分贝仪对声波进行检测分析，其中，分贝仪用labview进行编写，用于显示接收到声波的波形，提取波形数据和进行频谱分析。
48.实施例
49.本实施例基于相控参量阵的次声波定向发射系统如图1所示，控制与显示模块包括矩阵键盘和oled显示屏，矩阵键盘和oled显示屏外设与fpga连接，将矩阵键盘控制信号输入fpga，fpga再将相应的信息显示在oled显示屏上。信号产生模块、信号调制模块和延时模块都使用fpga进行逻辑功能设计。由于超声波换能器阵列有24个阵元，因此从fpga输出24路调制信号，每路调制信号根据偏转角度分别设置不同的延时时间。之后再将每一路信号进行数模转换和功率放大，最终输入超声波换能器阵列中的超声波换能器中，驱动超声波换能器向空气中发出超声波，超声波在空气中解调出所需要的次声波。其中数模转换模块使用双通道14位的ad9767配合外围电路实现数模转换功能；功率放大模块使用运算放大器进行第一级放大，之后再使用lm4766进行第二级放大。
50.信号产生模块的fpga逻辑功能设计框图如图2所示。将时钟、复位信号和控制与显示模块输入的频率字输入该模块，输入的频率字主要用于设置待调制信号频率，载波的频率等于超声波换能器的中心频率为40khz，因此其频率字为一定值。信号产生模块采用直接数字频率合成技术产生波形，首先将正弦信号生成mif文件导入rom中，再通过查表法，用累加器对频率字和相位字进行累加，累计值作为查询地址，生成待调制的波形，通过控制频率字可以调节输出信号的频率，控制相位字可以调节输出信号的相位。信号产生模块例化了四个dds模块，生成了四路信号输入到信号调制模块。
51.信号调制模块根据带载波单边带调制的原理实现其功能，如图3所示。将待调制的正弦信号一路与直流信号相加，另一路做希尔伯特变换，即为负余弦信号。之后将相加的和与高频余弦信号相乘，同时希尔伯特变换后的信号与高频正弦信号相乘，两者所乘之积若要取下边带则相加；若要取上边带则相减，所得调制信号再输入延时模块，延时模块根据偏转角度计算不同位置阵元的声程差进而得出每个阵元的延迟时间，最后将延时后的调制信号输入相应的超声波换能器。
52.为了提高次声波信号的指向性和声压级，采用如图4所示排布的超声波换能器阵列，每个阵元均为压电陶瓷换能器。阵列由一个四行三列和一个三行四列的平面阵复合而成，共24个超声波换能器，每个换能器都与一路调制信号相连接。
53.图5和图6为用labview编写的分贝仪的前面板和后面板。在前面板上包含有原始波形、原始频谱图、读取或提取数据图和提取数据频谱图四个窗口。在下方有测量、读取、提
取和计算等按钮，能够对得到的原始波形进行任意长度的提取，再通过频谱图和算法计算其频率。后面板通过状态机的方式来编写程序，在各个状态调用labview内部的函数和工具完成程序的设计和编写。分贝仪将声波接收器接收到的声波信号，进行数据的读取、提取和频谱分析，实现对次声波的检测。