声波测井圆环阵指向性设计

常规的单极子发射声波没有指向性,能量损失过多,用模态分解的方法设计出合适的阵列加权系数,就可以控制圆环阵的辐射主瓣角宽和旁瓣级,以利于在任意地层中有效激励滑行纵横波和减少能量损失.通过comsol有限元软件对圆环阵声波辐射数值模拟的例子,分析了圆环阵的辐射指向性对声波测井中各种模式波的接收幅度和到达时间的影响.结果表明,只要在圆环阵的各阵元上施加合适延迟时间合适幅度的激励信号,就能根据不同的实际情况设计出各种主声束的宽度和方向.圆环阵的使用可明显地改善声波测井的测量质量,为声波辐射器在石油勘探中的应用提供一定理论依据.     

超声相控阵缺陷检测聚焦技术仿真分析

采用有限元方法对超声相控阵缺陷检测技术进行分析.首先介绍了超声波波束聚焦、偏转的基本原理,然后使用COMSOL有限元分析软件以及Matlab仿真程序对超声相控阵缺陷检测技术进行建模,在该模型的基础上分析了超声相控阵延时聚焦技术的实现过程与方法.在仿真过程中,通过改变阵元参数,研究其对于超声相控阵缺陷检测信号的影响,并结合物理实验进行了验证.分析结果表明,超声相控阵的延时聚焦技术减小了发射波的波幅宽度,提高了缺陷点回波信号的幅值;基于延时聚焦技术的发射信号,其波束指向性图的主波瓣波束较窄,幅值较高,旁瓣幅值降低,提高了图像分辨率以及成像质量.     

水下成像的稀疏阵列乘性处理

针对阵列传感器布阵设计中的冗余问题,提供了一种水下声学成像稀疏阵列的处理方法。采用稀疏阵列乘性处理方法可合成一个收发一体的虚拟阵列且虚拟阵元数目等于实际阵列发射阵元与接收阵元的乘积。依据相位中心近似的原理,对虚拟阵元的布阵位置进行了数学的解析表示,使用几种不同结构的稀疏阵列进行比较。实验结果得出,使用上述方法建立的稀疏阵列性能指标在三维声场、波束、导向矢量、主瓣宽度和峰值旁瓣级等方面与同等数量的收发一体Mills cross稀疏阵列一致。表明了乘性处理方法能有效解决阵元冗余问题,利用上述方法可得到一种优于Mills cross的新型稀疏阵列。     

一种小型矢量阵优化波束方法研究

在小型声纳平台中由于单个矢量水听器所含的振速传感器具有自然指向性,其组成的矢量阵较传统水听器阵有优越性,但单个矢量水听器的自然指向性波束较宽,组成的矢量阵的-3dB束宽和旁瓣级不够理想。该文利用单个矢量传感器的声压、振速信息联合处理形成较好指向性,并用于矢量阵获得良好的阵列效果,同时分析了该方法对线阵和圆阵的影响。仿真结果表明当线阵的阵元间距和圆阵半径都为0．5米时,矢量阵接收低频信号所形成的波束图中-3dB束宽在以25°内,第一旁瓣级低于-60dB,这证明了该文的方法是有效的。     

稀疏超声相控阵声场特性的仿真及优化

设计发射阵列与接收阵列上下交错排列的稀疏阵列,可有效消除栅瓣和抑制旁瓣.针对稀疏超声相控阵列的相位模糊问题,采用直径为16mm的压电超声探头,利用活塞式振动和远声场近似,得到了相控阵的阵列因子和方向图,对不同阵元尺寸、间距、数目等参数的相控阵声场特性进行了仿真及优化.优化后的阵列比单列阵列结构更加紧凑,方向图旁瓣得到有效抑制,横向分辨率达到4.09°,扫描范围由30.扩大到50..设计的稀疏超声相控阵列优化特性可用于空气中的障碍检测.     

基于DSP和FPGA的超声相控阵信号收发卡设计

超声相控阵收发卡在超声发射时产生具有特定延迟的一组信号激发超声换能器上的各个阵元,产生可控的空间超声波声场;信号接收时进行多路回声信号的处理,通过多波束合成算法对超声声场进行空间滤波处理得到具有空间指向性的回波信号,基于DSP和FPGA设计了相控阵信号收发卡,可进行8路信号的接收和发射控制,配合外部多路D/A、A/D卡可对8阵元超声相控阵换能器进行激发和接收控制.     

基于遗传算法的圆柱阵列稀疏方法

由于共形阵列所具有的特性,使其正得到日益广泛的应用,但其耗用较多的阵元,方向图具有相对主瓣较高的旁瓣电平。为此,针对基本的共形阵列——圆柱阵列的天线阵元,应用经典遗传算法,以阵元的工作状态为优化参量,对其进行稀疏。减少了阵元数量,仿真结果表明,该方法能有效地降低圆柱阵列的旁瓣电平。     

基于改进风驱动优化算法的稀疏阵列旁瓣抑制方法

针对阵列稀疏通常会引起波束方向图旁瓣电平抬高的问题,本文提出了一种基于改进风驱动优化算法和凸优化的稀疏阵列旁瓣抑制方法。该方法首先针对传统的风驱动优化（Wind driven optimization, WDO）算法缺少普遍适用的参数设置方案,提出了一种结合高斯分布的改进风驱动优化算法。将半圆阵方向图的峰值旁瓣电平作为目标函数,采用改进的WDO算法作为全局优化算法来优化阵元位置,同时采用凸优化算法作为局部优化算法来高效求解有效阵元的最优加权系数,确保了阵元位置和权值的理想匹配。仿真结果表明,在稀疏 阵列阵元数一定的情况下,算法可有效降低旁瓣水平,具有更好的全局寻优能力和更快的收敛速度,为稀疏阵列的旁瓣抑制提供了有效的优化设计方法。     

基于改进遗传算法的圆阵列方向图联合优化

为降低圆阵列方向图的峰值旁瓣电平,提出一种基于改进遗传算法的圆阵列方向图优化方法。将阵元位置和阵元权值作为联合优化变量,以最小化波束方向图峰值旁瓣为目标函数,采用遗传算法优化阵元位置和阵元权值,以增加变量的自由度,在采用双重选择机制的基础上,结合差分进化、内插/外推、单点交叉和多点交叉4种方式实现交叉变异。实验结果表明,该方法能降低陷入局部最优点的概率,具有较好的适应度和较快的收敛速度,使峰值旁瓣电平降低至?12.611 dB。     

大型直线稀疏阵列的迭代FFT算法优化

提出了一种基于迭代FFT算法的大型直线稀疏阵列(可放置阵元的栅格数为1 000)的旁瓣电平优化方法,并给出了详细的优化步骤。在给定的旁瓣约束条件下,利用阵列因子与阵元激励之间存在的傅里叶变换关系,对不同的初始随机阵元激励分别进行迭代循环来降低稀疏阵列的旁瓣电平。在迭代过程中,根据稀疏率将阵元激励按幅度大小置1置0来完成阵列稀疏。仿真实验证明了该方法的高效性和稳健性。     

Optimally overlapped ultrasonic sensor ring design for minimal positional uncertainty in obstacle detection

This paper presents the optimal overlapping arrangement of a circular array of ultrasonic sensors for minimal positional uncertainty in obstacle detection. First, it is shown that beam overlap among three adjacent ultrasonic sensors leads to significant reduction of positional uncertainty. Second, the positional uncertainty of an overlapped ultrasonic sensor ring is compared to a single ultrasonic sensor in terms of a collision-free region with obstacles. Third, the optimal design index for an overlapped ultrasonic sensor ring is defined as the area closest between the non-overlapped and overlapped sensing sub-zones. Fourth, using commercial low directivity ultrasonic sensors, an optimally overlapped ultrasonic sensor ring is given along with its prototype installed on top of a mobile robot. Finally, experimental results are given to demonstrate the validity and performance of our overlapped ultrasonic sensor ring prototype.     

微压电复合材料超声波探测器的制备及应用

基于微细加工工艺,设计并制备了一种指向性良好的压电复合材料的超声波探测器。该探测器由压电振子、阻尼器、中继板和特高频（UHF）连接器构成。压电振子由4×4个（80μm×80μm×130μm）（长×宽×高）的锆钛酸铅（PZT）压电柱状阵列及阵列缝隙填充环氧树脂而构成。当压电振子施加高频交流电压时,柱状PZT阵列产生纵向伸缩运动,从而产生超声波并向介质辐射。作为填充材料的环氧树脂,能够吸收掉因柱状PZT阵列其他方向振动而引起的噪声,使探测器在纵向上能产生指向性良好的超声波,从而提高了该探测器的灵敏度。测试结果表明,该微压电探测器指向性好,灵敏度高,精度高和抗干扰性好,可应用在泥沙的含水量测量中。     

空气耦合电容式微超声换能器线阵设计与测试

电容式微超声换能器(CMUT)作为一种新型的MEMS器件,在空气耦合无损检测领域具有较大的研究价值;设计了一种在空气介质中使用的电容式微超声换能器阵列,阵列由8个阵元组成,每个阵元包含16个CMUT敏感单元;介绍了CMUT换能器的原理和设计方法,利用FieldⅡ仿真了不同参数下的阵列指向性;对加工出的CMUT阵列进行了表面形貌测试和声学实验测试.实验结果表明:所加工的CMUT阵列满足设计要求,实验结果同仿真结果一致.     

基于ACTRAN的超声聚能器声场辐射仿真研究

设计了一种超声聚能器,旨在解决超声预警避障系统在远程测距中因超声波能量分散和衰减过快导致的回波信号难以识别问题.首先根据声学理论分析了超声聚能器可以通过改善阻抗匹配提高其辐射效率;再利用贝塞尔函数分析了超声聚能器影响声源指向性的重要设计参数,通过改变声源频率,聚能器开口面积等设计参数可以使指向性尖锐,能量更集中;ACTRAN有限元仿真软件模拟声场辐射云图及相应的实验均证明了理论分析的正确性以及优化聚能器设计参数对提高超声探测距离的有效性与可控性.     

Beamforming of UWB pulse array and its implementation

This paper firstly introduces a realistic ultra-wideband (UWB) pulse model and discusses the principle of sensor array beamforming for UWB pulse signals. Then the differences between a UWB pulse array and narrowband sinusoidal array are studied. Based on it, the problem of realizing a digital and applicable variable delay circuit (VDC) to compensate the channel propagation delay accurately for UWB pulse array beamforming is addressed. In our work, fractional sample delay compensation filters (FDCF) are combined with delay lines to build up accurate VDCs. As a result, the Lagrange interpolation method based on maximally flat criterion is found to be most suitable for the fixed beam steering; and Farrow structure is recommended to satisfy the need of rapid beam adjustment. In the simulation experiments, two kinds of directivity pattern for an UWB pulse array are studied and compared with that of sinusoidal array. The effectiveness of the presented scheme is verified by the simulation results, which show that the VDC implementation by digital lines and FDCF can remarkably improve the performance of the directivity patterns of UWB pulse array especially for the system with low sampling rate.     

基于Matlab的基阵方向性仿真研究

根据水声传播和换能器基阵理论,建立了任意几何分布的基阵方向性的数学模型。借助于Matlab软件,研究了基阵三维方向性图的精细表示方法,对不同坐标网格表现的基阵方向性图进行了对比分析。通过分解三维方向性图得到了任意定向平面上及轴向等开角的方向性仿真曲线图。应用表明,结论对于基阵方向性的仿真与设计具有一定实用价值和指导意义。     

Theoretical Analysis of a First-Order Azimuth-Steerable Superdirective Microphone Array

A first-order azimuth-steerable superdirectional microphone response can be constructed by means of a linear combination of three eigenbeams (monopole and two orthogonal dipoles). Via this method, we can construct any first-order directivity pattern (monopole, cardioid, hypercardioid, etc.) that can be electronically steered to a certain angle on the 2-D plane to capture the desired signal. In this paper, the superdirectional responses are generated via a planar microphone array with a square geometry. We analyze the influence of spatial aliasing on the captured desired signal and the directivity index. Furthermore, we investigate the sensitivity for uncorrelated sensor noise and the sensitivity for phase- and magnitude-errors on the individual sensors. Finally, two rules of thumb are derived to choose the size of the microphone array.     

圆形基阵指向性的仿真研究

对一种适用于小型水下航行器的圆形基阵进行了研究.通过建立数学模型,对其指向特性进行了仿真,分析了影响基阵指向特性的各个因素.结果表明,与一般阵元相比,采用具有单向性与超指向性的水听器作阵元,不仪可以消除基阵的栅瓣、降低旁瓣、减小波束(主瓣)宽度,并能大大提高指向性指数,从而全面地改善基阵的指向特性;而且随着频率的降低,改善效果更为显著.采用单向性水听器作阵无的基阵在低频条件下工作更能显示其优越性.     

超声谐振器在传感器测距中应用分析

设计一种超声谐振器,旨在解决超声传感器远程测距中因超声波能量分散和衰减过快导致的回波信号难以识别问题。首先,根据声学理论分析了超声谐振器可以通过改善阻抗匹配提高其辐射效率;再利用Bessel函数分析了超声谐振器影响声源指向性的重要设计参数,通过改变声源频率、谐振器开口面积等设计参数可以使指向性尖锐,能量更集中。Matlab仿真计算与相应的实验均证明了理论分析的正确性和优化谐振器设计参数对提高超声探测距离的有效性与可控性。