CN103123265B - 一种提高超声测量或检测仪器轴向分辨力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高超声测量或检测仪器轴向分辨力的方法和装置，利用此装置可以通过虚拟电阻尼网络的行为，用信号处理的方法抑制超声脉冲波形中的起振波形和阻尼振荡部分，从而解决因发射波形、声学换能器工艺极限和阻抗匹配误差而引起的仪器轴向分辨力下降问题。本发明一方面可以代替仪器电阻尼网络硬件，在不引入插入损耗和插入噪声的同时提高仪器轴向分辨力；另外还可以简单的实现可靠、高精度以及宽范围的阻尼调节，提高了仪器的使用灵活性。该发明可通过各种可编程逻辑器件方便实现。

Description

一种提高超声测量或检测仪器轴向分辨力的方法和装置

所属技术领域

本发明涉及基于超声原理的测量或检测仪器。尤其是工作在非连续波激发状态下的仪器。

背景技术

公知的，在超声测量或检测仪器的工作过程中，经换能器转换后的脉冲信号会受到发射波形、声学换能器工艺极限和阻抗匹配误差的影响，产生一定的起振波形和阻尼振荡，这会造成测量中的脉冲-回波持续时间加长，使得仪器整机轴向分辨力变差。目前，抑制起振波形和阻尼振荡的主要手段是增加仪器电信号传输路径中的阻尼系数，即增加具有阻抗特性的电阻尼网络。见郭伟主编的《超声检测》，机械工业出版社，北京，2009年8月，第57-58页。这种方法的不足一方面是很难找到可靠、高精度且宽范围的阻尼调节方式，使得不同的换能器需要更换不同的电阻尼网络，限制了仪器的使用灵活性；另外也会在系统中引入一定的插入损耗或插入噪声，很难做到即满足仪器的分辨力要求又满足仪器的灵敏度要求。

发明内容

为了克服现有电阻尼网络灵活性差、牺牲仪器灵敏度的缺陷，本发明提供了一种方法和对应装置，可以在数字信号处理系统中模仿电阻尼网络的特性，从而实现高精度、可靠、宽范围且无信号损耗的抑制起振波形和阻尼振荡的功能，提高超声测量或检测仪器的轴向分辨力，使仪器相关性能接近或达到理论期望值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为通过数字信号处理的方法模拟电阻尼网络的特性，从而达到抑制起振波形和阻尼振荡的目的。具体方法是，将从换能器接收到的模拟电信号经过模数转换后形成一维数组，将数组中的每个数依次经过如下经验公式处理。

$f_{\mathrm{out}}=f_{\mathrm{in}}{e}^{\frac{(1-{\mathrm{af}}_{\max })[f_{\max }-f_{\mathrm{in}}]}{f_{\max }{f}_{\mathrm{in}}}}$

公式中f_in为输入信号即采集上来的数字信号；f_out为输出信号即我们期望获得的信号；a命名为阻尼系数，用于确定起振波形和阻尼振荡的衰减速度，由公式可以看出，a越大起振波形和阻尼振荡的衰减速度越快，同时有效的脉冲信号也衰减的越快；f_max命名为归一化系数，由公式可以看出，当f_in＝f_max时f_in不会被衰减，f_max的值一般取为从起振波形开始到阻尼振荡结束的一个脉冲序列的极大值，这样低于f_max的起振波形和阻尼振荡就会被衰减。f_max的取值会影响信号峰值的衰减速度，f_max越大，低于f_max的峰值信号衰减越快。最后，a的取值范围由f_max决定，为了保证公式的有效性，要求af_max＞1。

以上公式处理后的数组，再经过绘图即可得到抑制起振波形和阻尼振荡后的波形。

实现以上方法的硬件装置包括以下几部分

a.模数转换器：用于将超声换能器接收到的模拟信号转换为可供处理的数组并输出至c部分。

b.参数输入接口：用于从外部向装置内c部分输入参数阻尼系数a和参数归一化系数f_max，装置工作时，可以通过此接口变更参数来更改所模仿电阻尼网络的特性，以适应不同的换能器，从而控制起振波形和阻尼振荡的衰减速度和有效脉冲的损耗程度。

c.核心处理模块：用于实现本发明所提供的经验公式。

d.输出绘图接口：用于将处理完毕的数据绘成图样并输出。

本发明的有益效果一是通过在数字信号处理系统中模仿电阻尼网络的特性，实现了对起振波形和阻尼振荡的抑制，提高了仪器的轴向分辨力；二是可以代替仪器电阻尼网络硬件，在不引入插入损耗和插入噪声的同时提高仪器轴向分辨力；三是可以简单实现对所模仿电阻尼网络特性的可靠、高精度以及宽范围的调节，提高了仪器的使用灵活性。

附图说明

以下结合附图和具体实时方式来进一步说明本发明。

图1为本发明所述装置硬件构架图。

图2为本发明所述方法的实现流程图。

具体实施方式

下面将结合附图进一步阐述本发明

本发明所述装置由模数转换器、参数输入接口、核心处理模块以及输出绘图接口四部分组成，各组成部分的连接对应关系如图1所示。装置的具体工作流程如图2所示，装置开始工作后首先由参数输入接口向核心处理模块输入必需的参数a和f_max，核心处理模块得到参数后判断af_max是否大于1，若不满足af_max＞1的条件，则报错并询问是否需要再次输入参数。当输入参数满足af_max＞1条件时，由模数转换器将超声换能器接收到的模拟电信号转换为一个一维数组f_in，当我们得到数组f_in后，核心处理模块根据公式对数组f_in进行处理并将结果数组f_out输出至输出绘图接口。在数组f_out中，每个数元之间时差相等且等于采样周期，数组中每个元的数值与换能器接收到的超声声压存在着线形对应关系。根据这个数组我们可以画出抑制起振波形和阻尼振荡后的超声波的波形图。

上述硬件构架和工作流程原理是本发明所述方法和装置的一种典型的实施方式，对于本技术领域的技术人员，在上述构架基础上可以用多种硬件结构和软件流程实现本发明，但是，这种未经创造性工作实现的变化显然应该在本发明的权利要求书的保护范围内。

Claims (7)

1.一种提高超声测量或检测仪器轴向分辨力的方法，其特征在于：

a.通过在数字信号处理系统中模仿电阻尼网络的特性，来实现对起振波形和阻尼振荡的抑制，从而达到提高超声测量或检测仪器轴向分辨力的目的；

b.提供了如下经验公式：

公式中为输入信号即采集上来的数字信号；为输出信号；a命名为阻尼系数，用于确定起振波形和阻尼振荡的衰减速度，由公式可以看出，a越大起振波形和阻尼振荡的衰减速度越快，同时有效的脉冲信号也衰减的越快；命名为归一化系数，由公式可以看出，当时不会被衰减，的值一般取为从起振波形开始到阻尼振荡结束的一个脉冲序列的极大值，这样低于的起振波形和阻尼振荡就会被衰减，的取值会影响信号峰值的衰减速度，越大，低于的峰值信号衰减越快，最后，a的取值范围由决定，为了保证公式的有效性，要求，利用此公式可以在数字信号处理系统中模仿电阻尼网络的特性。

2.如权利要求1所述的方法，其特征为：在数字信号处理系统中模仿电阻尼网络的特性，通过更改参数来更改所模仿电阻尼网络的特性，实现阻尼调节，以适应不同的换能器。

3.如权利要求1所述的方法，其特征为：在数字信号处理系统中模仿电阻尼网络的特性，可以使小于主峰值的起振波形和阻尼振荡受到抑制的同时不引入插入损耗和插入噪声。

4.一种提高超声测量或检测仪器轴向分辨力的装置，其特征在于：装置由模数转换器、参数输入接口、核心处理模块以及输出绘图接口四部分组成，所述模数转换器用于将超声换能器接收到的模拟信号转换为可供处理的数组并输出至核心处理模块部分；所述参数输入接口用于从外部向装置内核心处理模块部分输入参数阻尼系数a和参数归一化系数，装置工作时，通过此接口变更参数来更改所模仿电阻尼网络的特性,以适应不同的换能器，从而控制起振波形和阻尼振荡的衰减速度和有效脉冲的损耗程度；核心处理模块用于实现权利要求1所提供的经验公式；输出绘图接口用于将处理完毕的数据绘成图样并输出；装置开始工作后首先由参数输入接口向核心处理模块输入必需的参数a和，核心处理模块得到参数后判断是否大于1，若不满足的条件，则报错并询问是否需要再次输入参数；当输入参数满足条件时，由模数转换器将超声换能器接收到的模拟电信号转换为一个一维数组，得到数组后，核心处理模块根据公式对数组进行处理并将结果数组输出至输出绘图接口，在数组中，每个数元之间时差相等且等于采样周期，数组中每个元的数值与换能器接收到的超声声压存在着线形对应关系，根据数组可以画出抑制起振波形和阻尼振荡后的超声波的波形图，所述装置可以模仿超声测量或检测仪器所用的传统电阻尼网络以期在不引入插入损耗和插入噪声的情况下实现阻尼变换，在兼顾仪器灵敏度的前提下提高超声测量或检测仪器轴向分辨力。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：模仿超声测量或检测仪器所用的传统电阻尼网络，通过参数输入接口即可实现更改所模仿电阻尼网络的特性以适应不同的换能器。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于：模仿高超声测量或检测仪器所用的传统电阻尼网络，不引入插入损耗和插入噪声，在兼顾仪器灵敏度的前提下提高超声测量或检测仪器轴向分辨力。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于：可以模仿高超声测量或检测仪器所用的传统电阻尼网络，且通过判断语句实现对输入参数的正确性进行判断并报错。