基于三维阵列相控阵次声聚焦定向方法的关键技术研究

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次声波的物理特性决定了次声波能够在介质中实现远距离传播,同时其发散特性也使得次声波传播以辐射形式进行,所以次声在大气介质中传播时无任何指向性,因此针对次声定向问题,本文提出了一种采用三维阵列相控阵技术实现次声定向聚焦的方法,并通过理论分析结合次声指向性仿真研究验证了该方法的可行性。主要研究工作包括以下几个方面:(1)三维阵列相控阵指向性理论研究:根据指向性乘积定理并结合相控阵指向性分析方法,推导了三维阵列相控阵的指向性函数公式、主瓣宽度计算公式和三维阵列各个阵元延时量计算公式,为次声定向的仿真研究奠定基础;(2)三维阵列次声指向性仿真分析:基于三维阵列相控阵的指向性函数公式及主瓣宽度公式进行仿真,研究了阵列形式、阵元形式、阵元间距、阵元数和次声频率变化时的指向性变化规律;在相同阵元总数的前提下对比三维阵列和二维阵列在定向角度变化时的定向效果;同时分析了三维阵列相控阵的阵列形式和Z轴阵元间距变化时对三维阵列相控阵次声定向效果的影响;(3)三维阵列相控阵延时电路设计:采用FPGA数字电路设计三维阵列相控阵的延时触发电路,通过计数器延时方法,利用FPGA开发板的高频率时钟信号来对阵元进行延时触发。并且通过调用FPGA芯片内的锁相环模块,实现了精度为5ns的延时系统设计。最后对延时系统进行实验,能够得到预期的延时触发信号,并对该触发信号存在的误差进行了分析。通过对三维阵列相控阵次声指向性效果以及三维阵列各个参量对次声指向性和定向效果影响的研究,不仅证明了三维阵列相控阵实现次声定向聚焦的可行性,同时通过和传统相控阵列形式进行对比发现其定向效果更好。
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