基于LabVIEW平台的参量阵测试系统设计

1．3 参量阵的发射方式
参量阵的发射方式分为两种，单通道发射方式和双通道发射方式。其中，单通道发射方式是指两个原波频率信号，经过线性相加以及功率放大后，同时激励换能器阵中的所有阵元；而双通道发射方式是指两个原波信号经过功率放大后，各自通过换能器阵中的某个通道来激励相对应的阵元。
相比较，单通道发射方式结构比较简单，容易实现，但大功率输出较困难；而双通道发射时，其输出功率较大，但换能器阵元组合比较复杂。本系统中9个圆形压电陶瓷换能器组成的3×3矩形基阵采用单通道发射方式，即载波调制信号同时接入换能器阵的两个通道。

2 声参量阵测试系统的组成结构设计
本文设计的系统结构原理框图如图2所示，主要包括PC机(LabVIEW信号处理平台)、功率放大电路、换能器发射及接收阵、信号接收电路及数据采集卡等结构。其中，PC机主要是通过LabVIEW软件完成对初始信号和高频载波的产生、信号失真预处理和接收信号的后续处理(包括信号的实时显示、频谱分析等)；换能器发射和接收阵分别实现载波调制信号的发射和回波信号的接收；功率放大电路用来提高载波调制信号的发射功率；而信号接收电路则是对传声器接收到的回波信号进行处理，包括前端放大、带通滤波及末级放大等几个处理环节。

2．1 信号处理
信号处理是本系统中关键部分之一，主要完成输入信号的失真预处理和超声载波的振幅调制。信号处理部分的基本理论是。Berktay远场解决方案。
2．1．1 失真预处理
失真预处理的目的是增强信号的强度，减少失真，增强低频等。1965年， Berktay使用调制中包络的概念为参量阵提出了一个更精确完整的解释，认为最终的解调信号将由这个包络决定，即参量阵解调后的信号P2(t)与包络E (t)平方对时间的两次微分成正比。根据Berktay远场解决方案，现有的预处理方法主要有三种：
第一种也是最初的预处理方法，假设包络为E(t)=1+mg(t)，其中m为调制因数，g(t)为音频信号。则有：

根据式(1)可以看到：在非线性作用下，信号的自解调能够将正比于包络信号E(t)的调制信号Ps(t)解调出来；但自解调过程中会伴随二次谐波失真信号Pd(t)的产生。
细观式(1)可得，失真信号Pd(t)与m2成正比，即减小m就可以减少失真，但解调出来的信号Ps(t)也随之减小，导致转换效率降低。因此就有了第二种预处理方法，对包络先积分两次，然后再开方，即：

很显然，单边带预处理方法对应产生纯音频信号时没有失真，即没有其他频率成分产生。
2．1．2 载波调制
载波调制的作用是将预处理过的信号与超声载波信号进行振幅调制，生成超声载波调制信号。载波调制可分为双边带(Double Sideband，DSB)调制和单边带(Single Sideband，SSB)调制等。在DSB调制中，输出信号的频谱由位于载频左右两侧的上下边带组成，而且信号的上、下边带携带的调制信号信息完全一样；SSB调制就是选择DSB调制中一个边带进行传输，从而节省一半的发射功率。假设载波频率为85 kHz，音频信号频率为5 kHz，则DSB和SSB调制示意图如图3所示。