一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器的制作方法

本实用新型涉及换能器，特别是一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器。

背景技术：

随着我国综合国力的提高，我国逐渐从“浅水”国家转变为“深水”国家。国家海洋战略的提出，表明了我国更加注重海洋地缘政治安全，更加重视海洋发展权益，更加关注海洋资源利用的发展趋势。近年来，作为我国发展海洋战略的先决条件和关键一环的海洋探测和地形绘制研究在众多科研工作者的不懈努力中取得了很大的成就。

目前为止，进行海洋探测和地形绘制的方式主要有光学成像与超声成像两种方式。光学成像方式具有操作简单、成像直观、成像速度快等优势。然而，对于我国广阔的海岸线以及复杂的超声成像应用场合而言，光学成像方式成像距离近，在水质不佳的区域成像不清晰等缺陷大大限制了其应用。由于超声成像可以克服光学成像距离近、易受水质条件影响等缺陷，因而超声成像具有更加广泛的应用场合和应用前景。

超声成像技术是利用发送换能器向目标区域发送超声波，当超声波遇到目标物后会反射回来，接收换能器接收反射波后进行放大等预处理后由运算与处理电路对回波信息进行算法加工后呈现目标物的一种成像方式。由此可见，换能器及其放大器的设计在超声成像应用中具有决定性的作用，直接关系到成像质量的好坏。

目前，国内外的换能器设计多是从换能器的材料以及加工工艺角度阐述换能器的设计，很少从换能器的阵元排列角度研究换能器设计，所以无法避免晶体管放大电路发热严重，工作不稳定的缺点，本实用新型解决这些问题。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器。本实用新型将“回”字形稀疏基阵与放大器结合在一起，不仅能达到6×6满阵时回波的接收性能，还能有效保证基阵的角分辨力，放大电路的设计不仅能放大回波信号，抑制噪声，结合LFM调频波的使用还能极大地抑制回波干扰。

为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：

一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器，包括：收发异置稀疏声的传感器基阵，使用导线与传感器基阵的接收阵元连接的放大器电路，通过接线柱接收放大器电路的回波信号的上位机；传感器基阵组成有：九个信号接收阵元，设置于接收阵元外围的四个信号发射阵元；九个信号接收阵元的中心点的连线为正方形，四个信号发射阵元的中心点的连线为正方形。

前述的一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器，阵元间隔为d＝2.5mm。

前述的一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器，四个发射阵元的坐标分别为：(-3d,3d)，(3d,3d)，(-3d,-3d)，(3d,-3d)；九个接收阵元的坐标分别为：(-2d,2d)，(0,2d)，(2d,2d)，(-2d,0)，(0,0)，(2d,0)，(-2d,-2d)，(0,-2d)，(2d,-2d)。

前述的一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器，放大器电路组 成有：第一级反相放大电路，采用直接耦合方式连接于第一级反相放大电路的第二级反相放大电路，第一级反相放大电路与第二反相放大电路之间并联用于滤去电路中高频噪声的100pF电容，100pF电容接地。

前述的一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器，第一级反相放大电路组成有：集成运算放大器，连接集成运算放大器的正输入端并接地的10K电阻，连接集成运算放大器的负输入端并接输入信号的1K电阻，一边接集成运算放大器的负输入端另一边接在输出端的30K电阻。

前述的一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器，第二级反相放大电路组成有：负输入端接地的集成运算放大器，接输入端与集成运算放大器的正输入端之间的1K电阻，一边接集成运算放大器的正输入端另一边接输出信号的30K电阻。

前述的一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器，集成运算放大器位OP37G集成运算放大器。

本实用新型的有益之处在于：本实用新型提供一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器。本实用新型将“回”字形稀疏基阵与放大器结合在一起，不仅能达到6×6满阵时回波的接收性能，还能有效保证基阵的角分辨力，放大器电路的设计不仅能放大回波信号，抑制噪声，结合LFM调频波的使用还能极大地抑制回波干扰。相比常规的6×6基阵更加节省阵元，本实用新型的基阵减少了布阵的成本和难度，不仅具有高分辨率，而且减少了阵元的数目；10通道低噪声放大器设计能够将微伏级信号放大到后级电路能够处理的量级，从而扩大了探测的距离。本换能器探头能接收10-20米范围内的回波信号，从而能够有效并稳定应用于河道清淤、浅水域地形测绘、湖泊目标物探测等多场合之中，具有一定的军事和民用价值。

附图说明

图1是本实用新型一种实施例的结构示意图；

图2是本实用新型虚拟阵元的一种实施例的结构示意图；

图3是本实用新型传感器基阵的一种实施例的结构示意图；

图4是本实用新型一种实施例的放大器电路图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。

一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器，包括：收发异置稀疏声的传感器基阵，使用导线与传感器基阵的接收阵元连接的放大器电路，通过接线柱接收放大器电路的回波信号的上位机。本设计将“回”字形声传感器基阵的每一个接收阵元使用导线将接收放大器电路与之连接，10路放大器置于同一张PCB基板上，预留其中一个通道用作备用通道，放大器将微弱的回波信号放大以后，通过接线柱以及简单的滤波电路将回波信号送给上位机处理，利用上位机配套设计的回波接收软件对系统进行整体的测试与调整，最终利用回波信号进行相应的延时算法处理、得到成像图像。滤波电路组成有：串联于负载电阻的电容，电容进过二极管对接地，可以滤除接收回路中的高频信号并做好电压限幅，防止击穿后续电路。常用的用于换超声能器以及超声波传播与分析的软件除了成熟的由美国子声波项目衍生的PZFlex软件和医学上大量使用的Ultrawin软件以外，还有基于Matlab，C++，VB开发平台设计的各种用于超声成像研究的专用软件。

传感器基阵组成有：九个信号接收阵元，设置于接收阵元外围的四个信号发射阵元；九个信号接收阵元的中心点的连线为正方形，四个信号发射阵元的中心点的连线为正方形。阵元间隔为d＝2.5mm。四个发射阵元的坐标分别为： (-3d,3d)，(3d,3d)，(-3d,-3d)，(3d,-3d)；九个接收阵元的坐标分别为：(-2d,2d)，(0,2d)，(2d,2d)，(-2d,0)，(0,0)，(2d,0)，(-2d,-2d)，(0,-2d)，(2d,-2d)。

虚拟阵元的实现方法主要有：相移法和相位中心法。相位中心近似法是通过多发多收来实现更多阵列孔径数目，发射阵元和接收阵元都采用稀疏布置，来形成更多虚拟的独立收发通道。基于相位中心近似原理设计的M2发N2收的稀疏基阵其基本思想为：在一定条件下，一对收发分置的单元，可以由位于它们中心位置的一个收发共置的相位中心来替代。

虚拟阵元的形成示意图如图1所示，假设发射阵元的坐标为接收阵元坐标为点目标坐标为(p_x,p_y)，虚拟阵元坐标为其中， 目标点到发射阵元的距离目标点到接收阵元的距离中心点到目标点的距离 在远场情况下发射阵元到目标点的距离和接收阵元到目标点的距离近似相等，即l_v≈(l_s+l_v)/2，就等效为在点发射和接收。

假设系统采用M个阵元用于发射信号，N个阵元接收回波信号，N个通道接收回波信号经过通道分离技术，一共可以获得M×N个阵元，比虚拟阵元形成的基阵多用M×N-(M+N)个阵元。另一方面，采用M个发射阵元就意味着要设计一组M个互相正交的发射信号，且在每个接收阵元放置要放置一组包含M个匹配滤波器的滤波器组，当发射阵元数目过多时，将会给硬件实现和信号设计带来很大的困难。因此，在进行MIMO超声基阵设计的时候，应当设法减少发射阵元的数目。这说明，采用稀疏基阵的设计方法可以大大降低传感器基阵的面积和减少设备复杂度。

经理论证明，使用M²发N²收的MIMO超声阵列是由排列密集均匀正方形N×N个接收阵元和排列成稀疏正方形的M×N个发射阵元组成，基于相位中心近似原理等效成为具有(NM)²个收发共用阵元的均匀正方形阵列，且等效阵列的阵元间隔缩小了一半。基于这样M²发N²收的MIMO超声稀疏阵列降低了正交发射信号设计和实际配置困难，在工程上易于实现和加工。

基于以上原理，本设计使用用4发9收MIMO超声稀疏阵列，其轮廓形状看起来与汉字中的“回”很相似，因此被成为“回”字形稀疏声传感器基阵如图2所示。阵列中心与坐标原点重合最外围四个顶点为4个发送阵元，其余的为接收阵元。

本设计期望阵列工作在中心频率为300KHz处，因此确定间隔d＝2.5mm。各阵元的排布情况如图2所示。该阵元设计不仅大大减少阵元面积，易于加工和实现，更为了该阵元的放大器设计提供了良好的设计前提。如果采用6X6满阵的收发共置设计阵元就需要在基阵后面设计36通道的低噪声放大器，然而采用“回”字形设计方法，只需设计9通道低噪声放大器即可，这一设计大大减少了放大器的面积，利于放大器微小化设计。

与该“回”字形稀疏声传感器基阵相应设计了10通道的低噪声、宽带、高增益的放大器。放大器电路组成有：第一级反相放大电路，采用直接耦合方式连接于第一级反相放大电路的第二级反相放大电路，第一级反相放大电路与第二反相放大电路之间并联用于滤去电路中高频噪声的100pF电容，100pF电容接地。第一级反相放大电路组成有：集成运算放大器，连接集成运算放大器的正输入端并接地的10K电阻，连接集成运算放大器的负输入端并接输入信号的1K电阻，一边接集成运算放大器的负输入端另一边接在输出端的30K电阻。第二级反相放大电路组成有：负输入端接地的集成运算放大器，接输入端与集成 运算放大器的正输入端之间的1K电阻，一边接集成运算放大器的正输入端另一边接输出信号的30K电阻。

作为一种优选，集成运算放大器位OP37G集成运算放大器。OP37G具有 的低噪声，具有63MHz的带宽，优秀的压摆率17V/uS能够高增益放大弱信号，具有高速数据处理能力。根据这些指标，可以看出OP37G的选型基本符合本设计基阵的工作要求。然而，在实验中发现：增益与带宽之间存在着矛盾。当追求高增益的时候，器件的工作带宽也随之急剧降低；当降低增益的时候，器件的带宽将又逐渐变大。考虑到本基阵工作在250KHz—350KHz的频率范围上，因此决定采用两片OP37G级联的方式来完成放大器设计。

放大器的设计如图3所示。第一级和第二级放大电路均为反相放大电路，两级放大电路之间采用直接耦合方式进行信号传输，中间级使用100pF小电容滤去电路之中高频干扰和噪声，考虑到运放的增益和带宽的矛盾，所以每一级放大电路均使用较低的增益以此来扩大系统带宽，采用双片级联式达到期望增益值。第一级与第二级放大电路采用直接耦合方式连接，中间并联100pF电容接地，用来滤去电路中高频噪声。理论上两级放大电路可以输出与输入信号同相且增益为900倍的输出信号；具体原理如下：根据放大器输入端“虚短”、“虚断”可以得到第一级输出为v₁＝-R₃v_i/R₁，第二级放大器同理可得v₂＝-R₅v₁/R₄。所以得到整个系统的输出为v₂＝R₅R₃v_i/R₄R₁＝900。由于待放大信号处于整个运放的带宽范围内，所以整体的增益能达到1000倍以上。

经实验验证，本设计不仅能具有1000倍以上的增益还能有效工作在200KHz—500KHz的频率范围内满足设计需求。该电路采用双电源工作模式，当工作于+12V与-12V电压时，运算放大器具有最佳的输出，增益高，带宽大，输出稳定。 整个放大器电路，热噪声小，热稳定性好，电路输出噪声远小于输出信号。是一款适用于本设计基阵的低噪声、宽带、高增益前端放大器，加之以LFM调频信号能有效剥离信号噪声方便后级电路处理。

本实用新型提供一种基于虚拟化阵元技术的超声波收发一体换能器。本实用新型将“回”字形稀疏基阵与放大器结合在一起，不仅能达到6×6满阵时回波的接收性能，还能有效保证基阵的角分辨力，放大器电路的设计不仅能放大回波信号，抑制噪声，结合LFM调频波的使用还能极大地抑制回波干扰。相比常规的6×6基阵更加节省阵元，本实用新型的基阵减少了布阵的成本和难度，不仅具有高分辨率，而且减少了阵元的数目；10通道低噪声放大器设计能够将微伏级信号放大到后级电路能够处理的量级，从而扩大了探测的距离。本换能器探头能接收10-20米范围内的回波信号，从而能够有效并稳定应用于河道清淤、浅水域地形测绘、湖泊目标物探测等多场合之中，具有一定的军事和民用价值。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。