Здравствуйте! Столкнулся с проблемой выбора при построение схемы устройства на фазированных решетках. В устройстве присутствуют большое количество пьезоэлементов, значит можно ставить один генератор и делитель частоты, либо количество генераторов должно быть равным количеству преобразователей, но если пьезоэлементов, например, 32 - это порядочно усложняет схему. И, если я не ошибаюсь, то при использовании большого количества генераторов, то можно задавать смещение фаз прямо в генераторе и использовать фазовращатели только при приеме сигнала. Также не понял какой лучше ставить фазовращатель: аналоговый или цифровой. Аналоговым тяжелее управлять (хотя можно поставить дешифратор и схемку к нему), а у цифрового свои проблемы...
Буду рад любому совету по этим вопросам!

Это что - ультразвуковая фазированная решетка? На какие частоты?

Да, конечно, забыл уточнить. Частота порядка 10-20 МГц.

Ну, тогда фазирование аналогично антенным решеткам КВ-диапазона. Если использовать один источник сигнала, то или матрица Батлера (МБ) или коммутируемые линии задержки (КЛЗ) на отрезках кабеля или коммутируемые фиксированные фазовращатели (КФВ). Можно также поставить на каждый излучатель свой генератор на цифровом синтезаторе типа DDS (но подавать на все синтезаторы общую тактовую частоту) и управлять начальной фазой каждого синтезатора. Цифровое формирование сигналов и фазирование - более гибкое по сравнению с аналоговым, позволяет формировать с большой точностью любые фазовые сдвиги и даже амплитудное распределение. Матрица Батлера - только дискретные фазовые сдвиги. Например, матрица 16х16 -дает дискрет изменения фазы 22,5град, 32х32 - 12,25град, и т.д. На линиях задержки - требуется много коммутационных элементов и много отрезков кабеля, чем выше точность фазирования , тем больше. Преимущество аналоговых ДФС (МБ, КЛЗ, КФВ) в том, что они обратимы, могут работать как на прием так и на передачу.
Чтобы выбрать вариант на системном уровне, надо еще знать:
- количество элементарных излучателей и геометрию их расстановки;
- угловая ширина луча ДН в пространстве;
- точность установки луча в пространстве;
- мощность на одном излучателе в режиме передачи.

Все зависит от того какую схему фазированной решетки Вы планируете реализовать.
1. Полностью параллельная схема: N - генераторов, N - приемников, N - число элементов.
Преимущества:
Максимальное быстродействие
Максимальная чувствительность
Максимальная разрешающая способность (более высокая точность фокусировки)

Недостатки:
Высокая сложность
Высокая стоимость
Сложность калибровки

2. Параллельно-последовательная схема: N - генераторов, 1 приемник с мультиплексором (1:N), N - число элементов.
Преимущества:
Умеренное быстродействие
Простота реализация
Меньшая стоимость

Недостатки:
Средняя чувствительность
Средняя разрешающая способность

3. Последовательная схема: 1 генератор с мультиплексором (1:N), 1 приемник с мультиплексором (1:N), N - число элементов.
Преимущества:
Простота реализация
Низкая стоимость

Недостатки:
Низкое быстродействие
Низкая чувствительность
Низкая разрешающая способность


Преимущество аналоговых фазовращателей применительно к фазированной решетке в том, что позволяет суммировать сфазированные аналоговые сигналы малой амплитуды при этом увеличить отношение С/Ш пропорционально SQRT(N), N - число элементов. И ставить фазовращатели лучше после МШУ.

Для использования цифровых фазовращателей необходимо иметь в каждом приемном канале АЦП с высоким динамическим диапазоном (не менее 16 бит). После оцифровки сигналы можно двигать с достаточно высоким разрешением. После чего суммировать в цифровом виде.
В аналоге можно вытянуть сигнал из шума до С/Ш +6дБ (при исходном С/Ш минус 10дБ) без накопления.
Для цифры при таком уровне шумов думаю надо 24 разряда АЦП или накопление, потому как пиковое значение шума как правило на 12-16дБ выше действующего и надо иметь запас по динамике, чтобы не было перегрузки АЦП.
Потому как если АЦП в перегрузе, цифра шумы никаким усреднением уже убрать не сможет.

Спасибо за ответ.
Если взять количество элементов равным 10. При использовании одного источника сигнала, то схема получается следующей: ИСТОЧНИК СИГНАЛА -> ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ -> (10 штук - МБ или КЛЗ или КФВ) -> БЛОК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ. А в приемном тракте: БЛОК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ -> (те же самые 10 штук МБ, КЛЗ или КФВ) -> СУММАТОР -> АЦП (единственный)

Второй вариант: 10 ЦИФРОВЫХ СИНТЕЗАТОРОВ типа DDS (в них же и происходит сдвиг фаз) -> БЛОК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ. А в приемном тракте: БЛОК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ -> опять же (10 штук МБ, КЛЗ или КФВ) ->СУММАТОР -> АЦП (единственный).

Если же ставить в приемном тракте цифровой фазовращатель, то перед ним стоит поставить, 10 АЦП (либо какую-то сложную схему с мультиплексором и одним очень быстрым АЦП, при этом непонятно насколько быстро она будет работать), если я правильно понимаю.

Что Вы имеете ввиду под "системным уровнем"? Формирование диаграммы направленности?



Спасибо за ответ. В варианте параллельно-последовательной схемы: N - генераторов, 1 приемник с мультиплексором (1:N), N - число элементов; если, например, будет 32 излучателя, то процесс приема и преобразования сигнала будет очень сложным, работа мультиплексора и далее одного или 32 фазовращателей будет очень долгой...Или я не прав?

Может быть еще один вариант параллельно-последовательной схемы: при одном генераторе и делителе частоты, а в приемном тракте организовать параллельный прием сигнала. Разве этот вариант не лучше?

Не злоупотребляйте излишне длинными цитатами

Схема с N генераторами работает следующим образом:

Приемный мультиплексор коммутируется на один из N элементов.
Происходит запуск генераторов.
При каждом запуске на генераторы подаются задержанные (сфазированные) импульсы формирующие диаграмму направленности.
Оцифровывается сигнал.
Приемный мультиплексор коммутируется на следующий элемент.
Повторяем для всех приемных элементов.
В каждом запуске приемные данные суммируем с необходимой задержкой.

Период сканирования соответственно в N раз больше. Это цена за простоту реализации.
Быстрый АЦП не нужен. Частота дискретизации АЦП 40 - 80 Мгц (для сигнала 10 - 20МГц)
Частота повторения импульсов Генератора может быть 1-5кГц.
Период сканирования T = To * N, To - период повторения импульсов Генератора.

Схема с N Приемниками и Одним Генератором имеет худшие параметры.
Диаграмма направленности формируется с разделением во времени (принцип синтезированной апертуры).
Из-за того что излучает один элемент фокусировка луча отсутствует. Мощность отраженного сигнала гораздо ниже.
Требуется более чувствительный приемник или высоко-разрядный АЦП.
К тому же нужен высоковольтный мультиплексор Генератора.
Это экономически не оправданно.

Более простая, но требующая больших вычислительных ресурсов схема.
1 Генератор + мультиплексор, 1 Приемник + Мультиплексор.

Преимущества данной схемы, что все задержки формируются программно в процессе пост обработки,
и при наличии большого объема памяти и быстрого ЦП позволяет получить качественный 3D скан за приемлемое время.

если не сложно подскажите где в данной схеме происходит сдвиг фаз ( или задержка) в приёмной канале ?я так понял это происходит при суммировании?......если я правильно понял приёмный тракт это следующее: элемент->мультиплексор->АЦП->....а далее можно подать сразу на ПЛИС и в ней просуммировать с необходимыми задержками??
Заранее спасибо.

Во что, надо Вам еще разобраться с возможностью формирования узкого луча в пространстве. Например, длина ультразвуковой волны в воздухе на 20MHz составляет единицы микрон и чтобы не было дифракционных максимумов излучения, расстояние между излучателями не должно превышать половины длины волны, а это уже влечет за собой соответствующее уменьшение размеров элементарного излучателя (если волновые акустические процессы аналогичны электромагнитным). Если звуковая волна распространяется в воде, длина волны возрастает всего в пять раз, что не облегчает проблему.


Да, в режиме приема сигнал с каждого элемента можно подать на свой АЦП и дальше уже в цифре производить нужные сдвиги фаз и суммирование. Это есть цифровое формирование ДН.

Насколько я понимаю это все относится к расчетам по формированию луча, его угла ввода и остальных параметров диаграммы направленности. И исходя из определенных вычислений будут ясны: размер решетки и каждого элемента, расстояние между ними и их расположение.
Я думал, что сначала следует разобраться со структурной схемой устройства, а потом уже производить расчеты необходимых законов. или я ошибаюсь?

Вначале надо не расчеты делать а грубые прикидки по всей системе.
Допустим, Вы придумали лучшую в мире диаграммоформирующую схему (ДФС), но длина акустической волны 20MHz в воздухе 16 микрон (я пишу не сокращенно, а именно словами, чтобы Вы прочувствовали - микрон). И где Вы возьмете элементарный излучатель с поперечным размером 8 микрон (если их вплотную располагать с шагом в полволны)? Решетка в виде микрочипа собственного производства? Тогда почему бы на этом чипе не сделать еще линии задержки на приборах с зарядовой связью (ПЗС) или на ПАВ?
На сложность структуры ДФС также влияет форма решетки: линейка это (сканирующая в одной плоскости) или прямоугольная решетка, сканирующая в двух плоскостях.

спасибо Всем за советы, прежде чем задавать вопросы получше изучу этот материал

А кто-то может посоветовать хорошую книгу с формированием диаграммы направленности при цифровой реализации? Прочитал уже кучу книг, но пока не нашел...