CN103490754A - 一种大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩方法及系统，所述方法包含：步骤101）自动获取高时间精度激励信号的步骤，具体包含：用于根据所需信号的能量和分辨率设定的调频时宽τ和调频带宽B以及中心频率fc进而设定大时间带宽积信号“D”；通过发射D，换能器产生的超声波在延迟介质中传播；换能器再将散射回波转换成电信号，经采集得到接收信号C；将D的自卷积结果与接收回波C解卷积，得到高时间精度激励波形X。步骤102）自动获得高能量高分辨率脉冲压缩结果的步骤，该步骤包含：通过发射高时间精度激励波形X，换能器产生的大时间带宽积线性调频超声波探测待测物体，获得回波信号Y；Y与匹配滤波器的脉冲响应h卷积，得到脉冲压缩回波Z。

Description

一种大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩方法及系统

技术领域

本发明属于超声领域，具体地说，本发明涉及一种大时间带宽积的超声信号脉冲压缩方法及系统。

背景技术

超声波随传播距离的增加能量衰减，离换能器较远的目标所接收的超声信号很弱，携带信息的回波信号的信噪比很小，导致目标受噪声干扰严重，直接影响判定或测量的有效性和准确性。若还需要成像，成像质量很难保证，甚至不能成像。所以，超声信号既要保证足够的穿透能力，又要保证较高的精度。在系统的发射和馈电设备峰值功率受限制的情况下，前者依靠加大信号持续的时宽（τ）来携带足够的能量，后者要求信号具备足够的频带带宽（B）来保证高纵向分辨率。而传统的高斯脉冲、正余弦波的时间带宽乘积（Bτ）都等于1，即信号时宽增加则带宽降低、反之带宽增加则时宽降低，故不能同时满足上述两个要求。

线性调频（Linear Frequency Modulation，缩写为LFM）信号的时间带宽积可以大于1，能够同时具备有大的时宽和带宽。且信号的时频之间呈线性关系，斜率为B/够。脉冲在时间上的累积使得信号能量增大，在给定噪声功率谱密度情况下，压缩后信噪比明显增大；并且经过脉冲压缩后的主瓣脉冲展宽只有原来的1/B，所以信号带宽越大，分辨率就越高。其脉冲压缩技术可以通过对回波信号s_r(t)和发射信号的匹配滤波器脉冲响应h(t)卷积实现。理论上，匹配滤波器脉冲响应h(t)＝K·s*(-t),其中

"*"表示复共轭。最终，将时宽大、幅值小的回波信号s_r(t)转变成幅值大、时宽小的脉冲压缩回波s_cr(t)。Bτ远大于1的LFM信号已在雷达、通信等领域获得广泛应用，并且脉冲压缩技术还被认为是雷达理论确立后最重要的三项创新发展之一。但是，超声领域中线性调频信号的应用还很有限。尤其是大时间带宽积超声信号的波形畸变严重，实际调频时宽和调频带宽都大打折扣，匹配滤波器失配程度太大，脉冲压缩的压缩比太小，脉冲压缩回波的信噪比和分辨率和理想值相差很多。

现有技术典型的线性调频脉冲压缩处理过程中,最主要的两个部分是线性调频信号s(t)的产生和匹配滤波器h(t)的设计。这两部分也是限制超声领域中大时间带宽积LFM信号应用的关键。

第一部分，理想的大时间带宽积超声信号的实现存在难度。超声换能器的脉冲响应，会使宽带发射信号发生严重的畸变，而长脉冲波形的失真更为严重。

激励信号的合成和优化是最为现实有效的控制换能器脉冲响应的方法。激励优化有两条路线，都是基于对换能器瞬态响应的大量研究和论证。其一是将激励信号分为多个组成部分，专门设计某一部分或两部分来抑制换能器脉冲响应中不需要的成分，达到减小波形失真、提高信号质量的目的。其二是剔除换能器全部的脉冲响应，直接求解逼近期望获得的超声信号所需要的激励信号。

第一种思路，最早在水声中的应用是由美国的J.C.Piquette于1992年提出。用软件控制合成激励信号。作为一项开创性的工作，它不但新颖而且有效，能够产生很好的矩形短脉冲波形。但是，该方法只适用于矩形短脉冲信号的发射，不能满足实际应用中对长脉冲、编码脉冲的需求。2007年，张建兰等也使用电补偿实现对低频水声换能器振动的控制。换能器发射端使用叠加了消影脉冲的激励信号。消影脉冲通过其相位、幅度和脉宽的控制，使其响应能够抵消超声信号的瞬态响应。针对二元编码调相信号和短脉冲信号，减小波形畸变程度，提高信号质量。

第二种思路，最早见于H.Ermert和J.Chmolke等人在1982的文章。利用可编程函数合成器，他们获得了短脉冲输出，认为这种方法可以超声无损检测和医学成像等领域提供高纵向分辨率超声信号。J.C.Piquette也曾与1996年提出一种基于z平面零极点分析的近似方法。他认为，对于给定换能器的理想输出，可以通过换能器的逆系统传递函数求解激励信号，用于获得接近期望的信号。但是逆系统的低效、不稳定性严重阻碍了实际实现。2007年，本申请的发明人之一张晗在换能器激励发射端使用计算机系统和任意信号发生器，通过软件计算激励信号，实现了高分辨率的单周期信号，也实现了B，为5.6、中心频率为1兆赫兹的线性调频信号。但该线性调频信号的B仅为0.8兆赫兹,压缩后脉冲宽度大于换能器在自身谐振频率下产生的脉冲宽度，反而造成分辨率降低。该方法难以产生应用于实际的大时间带宽积脉冲压缩。

此外，学术界还提出过匹配传输网络思想和声电反馈负技术，但都对器件要求过高、不便实现。且这些方法对硬件依赖太强，使用范围太受局限。若要用来实现大时间带宽积LFM信号，很难满足调频信号对线性、宽带的要求。

第二部分，匹配滤波器的设计必须增加对声波经介质传播和散射后发生变化的考虑。即使换能器辐射出一个标准的线性调频超声波，在介质中传播时，低频部分衰减慢，高频部分衰减快。接收信号的匹配滤波器不随之调整，必然失真。大时间带宽积信号信号的调频带宽B覆盖的频率范围越大，频带两端的幅值差距就越大。调频时间τ越长，累积影响就越严重。

综合来看，制约大时间带宽积超声信号的脉冲压缩方法实现及应用的主要原因有二：

一是现有技术使用的激励信号的精度不足，且在计算精度和发射端硬件上都不能保障。降低大时间带宽积超声信号的畸形程度，需要高时间精度的激励波形，尤其要充分考虑激励信号中具有不连续性的“源点”对超声信号的优化效果。现有技术中的激励发射电路较简单，无法实现这些不连续性“源点”电压。

二是超声信号的时间带宽积不足，不能保证脉冲压缩效果。现有技术实现的线性调频信号的脉冲压缩比有限，限制其应用和推广。

因此，超声信号的脉冲压缩方法及系统的实现，要能够提高超声信号的质量、保证脉冲压缩的效果，就必须实现高时间精度激励波形的计算和发射以解决线性调频超声波形畸形问题，必须降低匹配失真程度以提供高信噪比和高分辨率的脉冲压缩结果。此外，超声信号的脉冲压缩方法及系统的设计与实现，还必须充分合理地发挥软硬件优势，才更有实际应用价值，才有利于超声领域的脉冲技术发展、应用和普及。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述问题本发明提供一种大时间带宽积超声信号及其脉冲压缩方法及系统，采用本发明的方法获得的超声信号的信号质量高、脉冲压缩比大，且实现系统成本低、速度快、应用灵活。

为实现上述目的，本发明提供了一种大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩方法，所述方法包含：

步骤101）用于基于设定的线性调频信号的参数获取高时间精度激励信号的步骤，且该步骤进一步包含：

步骤101-1）用于由待测对象所需信号的能量和分辨率设定线性调频信号的调频时宽参数τ和调频带宽参数B以及中心频率fc的值，进而确定线性调频信号“D”；

步骤101-2）通过发射线性调频信号D，超声换能器产生的超声波在延迟介质中传播；

步骤101-3）超声换能器再将接收回波转换成电信号，经采集得到第一接收信号C；

步骤101-4）用于将线性调频信号D的自卷积结果与第一接收回波C进行解卷积运算，输出高时间精度激励波形X；

步骤102）用于自动获得高能量高分辨率脉冲压缩结果的步骤，且该步骤具体为：通过发射高时间精度激励波形X，超声换能器产生的大时间带宽积线性调频超声波在待测物体中；超声换能器再将接收回波转换成电信号，经采集得到第二回波信号Y；Y与匹配滤波器的脉冲响应h进行脉冲压缩，得到高能量高分辨率的脉冲压缩回波Z；

其中，所述调频时宽参数τ要小于超声波遇到最近处目标的传播时长；所述调频带宽参数B要小于超声换能器中心频率下降时20dB的带宽范围；所述延迟介质的厚度不小于调频时宽参数τ与其材料声速的乘积，且所述线性调频信号“D”的时间带宽积大于等于1。

上述的超声换能器为收发合置的换能器，或一组分别具有收和发功能的两个换能器。

上述方案将D的波形转化为激励电压，并将激励电压经发射放大施加到超声换能器上，产生超声波。

上述步骤104-1）具体采用如下时域解卷积运算电路处理获得高时间精度激励波形X：

104-1-1）按照采样频率离散化线性调频信号D；

104-1-2）将D的离散序列输入卷积运算单元，完成D的自卷积运算；

104-1-3）按照D的自卷积结果的数据长度n初始化解卷积运算单元的输入端，在解卷积运算单元包含的两个输入存储器中均存放长度为n的零值数据；

104-1-4）再对两个输入存储器赋值，分别存放D的自卷积结果数据和对第一接收回波C尾部补零后的数据；

104-1-5）迭代完成D的自卷积结果数据和对第一接收回波C尾部补零后的数据的解卷积运算，得到高时间精度激励波形数据；

104-1-6）输出高时间精度激励波形X，且高时间精度激励波形X的时间精度等于系统采样频率的倒数。

上述步骤102）进一步包含：

步骤102-1）将获取的高时间精度激励波形转化为激励电压，并将激励电压经发射放大施加到超声换能器上产生超声波，并在待测物体中传播；

步骤102-2）携带了待测目标特性的超声回波再经由超声换能器接收输出；

步骤102-3)将超声换能器输出的信号进行接收、放大和采集运算，从而获得携带待测目标性质的接收回波Y；

步骤102-4)运算单元接收匹配滤波器的脉冲响应h；

步骤102-4)运算单元接收Y后自动完成h和Y的时域卷积，输出脉冲压缩回波Z。

基于上述方法，本发明还提供了一种大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩系统，所述系统包含：

控制模块，用于依据调频时宽和调频带宽设计大时间带宽积线性调制超声信号和相应的匹配滤波器的脉冲响应函数，并对接收回波进行脉冲压缩；所述控制模块可以采用PC控制台实现；

激励信号产生及发射模块，用于基于设定的大时间带宽积超声信号获取高时间精度的激励波形，并将高时间精度的激励波形对应的信号发射至超声换能器，从而对待测目标进行探测；和

接收采集模块，用于：

将超声换能器接收的来自延迟介质的信号进行处理获得第一接收回波信号C，并将所述第一接收回波波形C输入所述激励信号产生及发射模块包含的运算单元用于产生高时间精度激励信号；或

将超声换能器接收的来自待测目标的信号进行处理获得第二接收回波信号Y，所述第二接收回波信号Y为携带了待测目标特性的接收回波信号。

上述激励信号产生发射模块进一步包含：

运算单元，用于实现线性调频信号D的自卷积运算、或信号D与第一回波信号C的解卷积计算进而输出设计的高时间精度激励波形X，同时该单元还用于实现对第二回波信号Y的脉冲压缩卷积运算；

MCU传输控制单元，用于控制和协调激励信号产生及发射模块内部各单元模块工作，并进行相关信号的传输，所述相关信号包括：所述确定的线性调频信号D的波形数据和所述运算单元输出的高时间精度激励X的波形数据；

FPGA芯片，用于控制接收数据的采集，并将所述MCU传输控制单元发送的高时间精度激励波形数据进行处理生成数字波形；

第一RAM存储单元，用于存储FPGA芯片输出的高时间精度激励数字波形或设定的信号“D”的量化幅值；

数模转换单元，用于对所述第一RAM存储单元存储的数据进行数模转换处理；和放大滤波单元，用于对数模转换单元输出的模拟激励信号进行如下处理：滤波及调节输出激励信号的电压幅值和偏移量。

上述运算单元进一步包含：

第三RAM存储子单元，用于存储设定的大时间带宽积检测信号“D”的自卷积结果的幅度量化值；

第四RAM存储子单元，用于存储尾部补零后的第一接收回波波形C的幅度量化值；

解卷积运算处理子单元，用于完成第三RAM存储子单元和第四RAM存储子单元存储的幅度量化值的解卷积运算输出高时间精度激励波形X；卷积运算处理子单元，用于完成大时间带宽积检测信号“D”的自卷积运算，或完成第二接收回波信号Y与匹配滤波器的脉冲响应h的卷积运算从而输出脉冲压缩结果Z。

上述接收采集模块进一步包含：

接收子模块，用于接收超声换能器输出的电压信号；

限幅子模块，用于限制接收子模块接收的电压幅值；

增益控制子模块，用于放大限幅子模块输出的限幅电压；

带通滤波器，用于滤除增益控制子模块输出信号的通频带之外的噪声；

数模变换子模块，用于将滤波处理后的信号进行模数转换；和

第二RAM存储器，用于存储数模变换处理后的波形量化幅值。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

1）本发明可根据所需信号的能量和分辨率设定线性调频信号参数值，产生大时间宽带积线性调频超声信号，信号的实际调频时宽和调频带宽比传统方法更接近设定的理想值，且线性关系良好，脉冲压缩后匹配程度高，脉冲压缩回波的信噪比和分辨率和理想值更佳接近。

2）本发明解决了LFM超声信号严重畸形的问题，突破了所需LFM信号调频带宽B大于超声换能器带宽时无法产生的现状，还大幅度改善了长脉冲LFM信号失真的情况。

3）本发明提供的时域解卷积运算电路自动完成高时间精度激励波形计算。既减小了计算复杂程度，又利于满足实际应用中快速运算的要求。

4）本发明解决了超声信号脉冲压缩严重失真的问题，改善了线性调频超声信号的脉冲压缩结果严重失真的情况。

5）本发明提供的方法的实现系统成本低，自动化程度高，适用性强，有实际应用价值，利于超声技术的发展、应用和普及，可应用于超声工业无损检测与评价、医学超声检测及成像、水声探测以及空气耦合超声和电磁超声等领域。

总之，本发明的方案提供的超声信号及其脉冲压缩方法和系统，成本低，自动化程度高，适用性强。通过设计的硬件快速完成高时间精度激励波形X的计算和发射，可以解决大时间带宽积线性调频超声波形严重畸形的问题；降低匹配失真程度，提供高信噪比和高分辨率的脉冲压缩结果。此外，该项发明是具有革命性的创新技术，有实际应用价值，利于超声领域的脉冲技术发展、应用和普及，可应用于超声工业无损检测与评价、医学超声检测和成像、地质勘探、水声探测以及仿生声纳等领域。

附图说明

图1是本发明提供的用于大时间带宽积超声信号及其脉冲压缩方法的系统的组成框图；

图2本发明提供的获得高时间精度激励波形X的快速计算框图；

图3为本发明提供的时域脉冲压缩步骤流程图；

图4是本发明设计的理想的时间带宽积为33的LFM信号及分析，图4（a）为该LFM信号波形，图4（b）为该LFM信号频谱，图4（c）为该LFM时频关系，图4（d）为该LFM信号脉冲压缩结果；

图5本发明提供的LFM激励产生的时间带宽积为16.2的畸变超声信号及分析，图5（a）为图4（a）LFM波形作为激励发射后获得的接收信号，图5（b）为该接收信号频谱，图5（c）为接收信号时频关系，图5（d）为接收信号脉冲压缩结果；

图6采用本发明的方法产生的时间带宽积为32.6的超声信号及分析，图6（a）为计算激励波形发射后获得的接收信号，图6（b）为该接收信号频谱，图6（c）为接收信号时频关系，图6（d）为接收信号脉冲压缩结果；

图7采用本发明的方法产生的大时间带宽积信号带宽与所使用换能器的带宽的对比图，点线表示图6（b）所示大时间带宽积超声信号的频谱，实线为使用超声换能器的自身带宽；

图8本发明提供的小于波长铝片的厚度测量回波对比，图8（a）为图5（a）即畸变LFM超声信号测量该薄铝片的回波，图8（b）为图6（a）即本方法产生的大时间带宽积超声信号测量该薄铝片的回波；

图9本发明提供的不同调频时宽信号对高衰减层后粘接铝片的回波信号，图9（a）为时间带宽积为32.6的超声回波，图9（b）为时间带宽积为82.5的超声回波。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的方案进行详细的说明。

为实现上述发明目的，本发明提供的大时间带宽积超声信号脉冲压缩方法的实现系统是由PC控制台、激励源、接收采集模块和超声换能器依次连接组成的。1）PC控制台负责设计大时间带宽积超声信号和相应的匹配滤波器，并负责完成对接收回波进行脉冲压缩。2）激励源即激励信号发射端，由运算单元、微控制单元MCU(Micro Control Unit)、基于FPGA（现场可编程门阵列：Field－Programmable GateArray）芯片和RAM存储单元的直接频率数字合成模块DDS（Direct DigitalSynthesizer）、DA转换器、放大滤波电路以及电源模块组成。其中，运算单元主要完成激励波形计算，还可完成脉冲压缩的卷积运算；MCU接收激励波形数据和参考值、控制和协调各模块工作，只进行数据传输、通信和控制工作，不承担数据采集等复杂任务；DDS产生激励信号，所述DDS由FPGA和RAM存储器组成。3）接收采集模块由接收电路、限幅电路、增益控制电路、带通滤波电路、AD转换器和RAM存储单元组成，由FPGA进行数据处理和电路时序控制。

本发明提供的大时间带宽积超声信号脉冲压缩方法，包括如下步骤：

1）PC控制台根据待测对象所需信号的能量和分辨率设定线性调频信号的调频时宽参数τ、调频带宽参数B和中心频率fc的值，并将由上述参数确定的线性调频信号作为大时间带宽积信号“D”，并将D的波形数据发送至MCU传输单元用于，同时发送到运算单元中经自卷积运算后存储；

2）选定中心频率与fc相同的宽带超声换能器，所述超声换能器可以为收发合置的换能器，也可以为一组分别具有收发功能换能器，且所述的换能器可以为换能器阵列，且超声换能器（或换能器阵列）与延迟介质耦合用于保证对设定的大时间带宽积信号D的延迟时长大于所述设定的调频时宽τ；

3）首先，向所述超声换能器发射PC控制台设计的大时间带宽积信号D，

超声换能器再将该大时间带宽积信号D传输至与其耦合的延迟介质；超声换能器再接收由延迟介质返回的超声信号并转化为电压信号；

然后，采集所述超声换能器输出的电压信号得到相应于大时间带宽积信号D作激励的第一接收回波信号C；

最后，将第一接收回波信号C补零与大时间带宽积信号D的自卷积进行解卷积运算得到高时间精度激励波形X，其中对第一接收回波信号C补零后的数据长度与大时间带宽积信号D的自卷积的数据长度相等；

4）将步骤2）中的超声换能器或阵列受高时间精度激励波形X激发辐射出的大时间带宽积超声波在待测物体中传播，并将含有目标特性的超声回波进行采集处理得到第二接收回波Y；

5）根据设定的大时间带宽积信号D设计与其匹配的匹配滤波器的脉冲响应函数h；

6)将第二接收回波信号Y和设计的匹配滤波器的冲击响应h进行卷积运算完成脉冲压缩过程，并输出为压缩脉冲信号Z。

本发明方法的工作原理为：

归一化幅度的线性调频信号可以描述为

$s\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\π}(f_{0}t+\frac{B}{2\mathrm{\τ}}{t}^2)},0\≤t\≤\mathrm{\τ}---\left(1\right)$

其中，f₀是调频的起始频率值，故信号的中心频率f_c等于(f₀+B/2)。信号的相位

为：

瞬时角频率是相位

对时间的一阶导数

则瞬时频率为：

瞬时频率与时间呈线性关系，即信号频谱曲线在fc两侧对称存在着一段较为平坦的区域。平坦区间随调频带宽B增加而增加。但是，超声换能器的频响在中心频率附近不可能存在平坦区。LFM信号激励换能器产生的超声信号波形必然畸变。而且，调频时宽τ越长、调频带宽B越宽，即时间带宽积越大，超声信号的变形就越严重。

此外，理论上，公式(1)的线性调频信号对应的匹配滤波器脉冲响应应为：

h(t)＝s*(-t),0≤t≤τ      (4)

其瞬时频率为：

$f_h\left(t\right)=-f_0+\frac{B}{\mathrm{\τ}}t.---\left(5\right)$

脉冲压缩可以通过信号s(t)和匹配滤波器脉冲响应h(t)的时域卷积实现，故脉冲压缩结果为：

$s_{\mathrm{pc}}\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\π}{f}_0\left(t\right)}\·(\mathrm{\τ}-t)\·\sin c[\frac{B}{\mathrm{\τ}}\·t\·(\mathrm{\τ}-t)]---\left(6\right)$

由式（6）可知，脉冲压缩后，信号的幅度由右边第二项(τ-t)决定，也就是信号能量与调频时宽τ呈正比；信号的脉冲宽度由辛克函数的主瓣展宽τ'决定，也就是信号分辨率与调频带宽B呈反比。脉冲压缩比是原来信号脉冲宽度τ与压缩后信号脉冲宽度τ'的比值，又因为τ'=1/B，脉冲压缩比也就是B和τ的乘积。由此，时间带宽积是衡量脉冲压缩效果的标志参数。

现有技术的线性调频超声信号的脉冲压缩流程为：将线性调频信号直接用以激励超声换能器发出超声波，接收超声回波，进行脉冲压缩。按照这样的方式，即使发射和接收换能器的带宽足够，换能器的脉冲响应也会改变线性调频信号的特征。所以，目前使用的线性调频超声信号多呈纺锤形波形，时频线性也变为弥散斑状。最终，实际调频时宽τ和调频带宽B都大打折扣，匹配滤波器失配程度太大，脉冲压缩的压缩比太小，脉冲压缩回波的信噪比和分辨率和理想值相差很多。

因此要产生大时间带宽积线性调频信号，必须计算高时间精度的激励波形，剔除超声换能器脉冲响应对信号的干扰。为了实现上述目的本发明的方案具体为：由公式(1)定义一个线性调频信号，用”D”表示；运算单元负责根据线性调频信号D计算得到高时间精度激励波形X；将高时间精度激励波形X输出并激励超声换能器响应后获得大时间带宽积线性调频信号。

将线性调频信号D作为激励信号激励超声换能器和延迟介质传播后得到第一接收回波波形C，将线性调频信号D的自卷积和第一回波波形C信号进行解卷积运算，得到超声换能器在调频带宽内的高时间精度激励信号的时域脉冲响应。如图1中所示，解卷积运算子模块的两输入端分别存储线性调频信号D的自卷积和第一接收回波波形C，运算结果输出高时间精度激励波形，用”X”表示。X是线性调频D的自卷积与第一接收回波波形C进行解卷积的结果，具体公式为：

$X=[D\⊗D]{\⊗}^{-1}C---\left(7\right)$

其中，

表示卷积运算，

表示解卷积运算。两者数据长度相等，前者在步骤1）时由PC控制台输出线性调频信号D后经卷积运算子模块完成，后者由在接收采集模块提供的第一接收回波波形C后尾部补零完成。解卷积运算可以通过自适应滤波迭代获得，过程如附图2所示。

按上述步骤4）将步骤2）中的超声换能器或阵列受高时间精度激励波形X激发辐射出的大时间带宽积超声波在待测物体中传播，并将含有待测物体性质的超声回波进行采集处理得到第二接收回波信号，用“Y”表示。并将第二回波信号Y进行脉冲压缩，且脉冲压缩回波用“Z”表示，具体公式为：

$Z=Y\⊗h---\left(8\right)$

脉冲压缩时域卷积的步骤流程图如附图3所示。所述卷积运算可以在PC控制台通过软件完成，也可以利用运算单元中负责卷积运算部分的硬件快速完成，且采用上述两种方式的卷积运算实现方案均属于现有技术在此不做赘述。

总之，本发明的基本构思是根据对超声信号能量和分辨率的具体需求，首先设定LFM信号，然后再根据该波形快速自动完成高时间精度激励波形的计算，获得大时间带宽积线性调频超声信号，最后，通过时域卷积法对接收回波进行高度匹配滤波，输出脉冲压缩回波。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

作为该方法的一个例子，设计一个时间带宽积为33的LFM信号，用“D”表示。根据公式（1），信号D选取调频脉宽τ为10微秒（附图4（a）），中心频率fc为2.8兆赫兹，调频带宽B为3.3兆赫兹（附图4（b））。信号D的线性时频关系明显（附图4（c）），压缩后脉冲宽度τ’=0.30微秒（附图4（d））。压缩比τ/τ’达到33。

选用复合材料的超声纵波换能器，中心频率为2.8兆赫兹，6dB相对带宽为58.9%，换能器频谱如附图7实线所示。

PC控制台将波形数据D发送给激励源的MCU用于发射，同时发送到运算单元中经自卷积运算后存储。接收回波用“C”表示，如附图5所示。C的产生过程是目前超声应用中LFM信号常用的产生办法。信号C波形畸变严重，脉冲串呈纺锤形（图5(a)）。接收信号（图5(b)）的调频带宽只有1.62兆赫兹，与D的幅频曲线（图4（b））相比严重不足，时间带宽积为16.2。时频分析结果（图5(c)）呈逐层外扩的斑状，线性效果极差，严重影响脉冲压缩效果（图5(d)）。压缩后脉冲宽度0.62微秒，所以难以达到信号D的压缩比，制约了纵向分辨能力。

相比之下，按照本发明方法获得的LFM超声信号时间带宽积达到32.6，接近33。其激励波形用“X”表示，由运算单元在接收到信号C后自动计算完成。经MCU发送给FPGA和存储器产生激励电压，再经发射放大施加到超声换能器上，便可接收到期望的LFM超声信号，用“Y”表示。图6为该信号及其相关的特性分析。和图5比较可以看出，Y的时域与频域特性与设计信号D基本吻合，调频的线性特征明显，信噪比较高，压缩后脉冲宽度为0.31微秒，基本达到了设计要求。

该例作为本发明的产生大时间带宽积LFM超声信号的一个实施实例，产生了时间带宽积远大于1，线性时频关系明显，脉冲压缩结果极好，信号具备较高信噪比高和极佳纵向分辨能力。并且该信号6dB带宽比所使用的超声换能器自身带宽超出了近50%（附图7）。

实施例2

本例比较了畸变LFM信号C和本发明方法产生的LFM信号Y纵向分辨力。二者对1.91毫米铝片测厚，回波的脉冲压缩结果如附图8所示：前者的压缩回波，用“Z1”表示，如附图8（a）无法区分铝片的上下界面回波；而后者的脉冲压缩回波，用“Z2”表示，如附图8（b）所示压缩后脉冲宽度足够窄，完全可以区分两次回波之间的时间间隔，在样品厚度与声波波长比小于1的情况下获得了极佳结果。

实施例3

本例验证了增加调频时宽可以提高信号信噪比。待测物为高衰减层下厚度为6.24毫米的铝片时，时间带宽积为33的超声信号Y得到的压缩回波，用“Z2”表示，如附图9(a)所示，由于压缩比不足、信噪比低，回波只能确定铝片上表面位置，下表面回波不清晰，不能确定铝片的厚度。

依式(1)重新设计τ由10微秒增加至25微秒，其它参数不变，该LFM信号，用“Y’”表示。其时宽带宽积为82.5，超过Y的2.5倍。压缩结果足以区分衰减层下铝板的各次回波，如图9(b)所示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩方法，所述方法包含：

步骤101）用于基于设定的线性调频信号的参数获取高时间精度激励信号的步骤，且该步骤进一步包含：

步骤101-1）用于由待测对象所需信号的能量和分辨率设定线性调频信号的调频时宽参数τ和调频带宽参数B以及中心频率fc的值，进而确定线性调频信号“D”；

步骤101-2）通过发射线性调频信号D，超声换能器产生的超声波在延迟介质中传播；

步骤101-3）超声换能器再将接收回波转换成电信号，经采集得到第一接收信号C；

步骤101-4）用于将线性调频信号D的自卷积结果与第一接收回波C进行解卷积运算，输出高时间精度激励波形X；

步骤102）用于自动获得高能量高分辨率脉冲压缩结果的步骤，且该步骤具体为：通过发射高时间精度激励波形X，超声换能器产生的大时间带宽积线性调频超声波在待测物体中；超声换能器再将接收回波转换成电信号，经采集得到第二回波信号Y；Y与匹配滤波器的脉冲响应h进行脉冲压缩，得到高能量高分辨率的脉冲压缩回波Z；

其中，所述调频时宽参数τ要小于超声波遇到最近处目标的传播时长；所述调频带宽参数B要小于超声换能器中心频率下降时20dB的带宽范围；所述延迟介质的厚度不小于调频时宽参数τ与其材料声速的乘积，且所述线性调频信号“D”的时间带宽积大于等于1。

2.根据权利要求1所述的大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩方法，其特征在于，所述的超声换能器为收发合置的换能器，或一组分别具有收和发功能的两个换能器。

3.根据权利要求1所述的大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩方法，其特征在于，将D的波形转化为激励电压，并将激励电压经发射放大施加到超声换能器上，产生超声波。

4.根据权利要求1所述的大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩方法，其特征在于，所述步骤104-1）具体采用如下处理方式获得高时间精度激励波形X：

104-1-1）按照采样频率离散化线性调频信号D；

104-1-2）将D的离散序列输入卷积运算单元，完成D的自卷积运算；

104-1-3）按照D的自卷积结果的数据长度n初始化解卷积运算单元的输入端，在解卷积运算单元包含的两个输入存储器中均存放长度为n的零值数据；

104-1-4）再对两个输入存储器赋值，分别存放D的自卷积结果数据和对第一接收回波C尾部补零后的数据；

104-1-5）迭代完成D的自卷积结果数据和对第一接收回波C尾部补零后的数据的解卷积运算，得到高时间精度激励波形数据；

104-1-6）输出高时间精度激励波形X，且高时间精度激励波形X的时间精度等于系统采样频率的倒数。

5.根据权利要求1所述的大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩方法，其特征在于，所述步骤102）进一步包含：

步骤102-1）将获取的高时间精度激励波形转化为激励电压，并将激励电压经发射放大施加到超声换能器上产生超声波，并在待测物体中传播；

步骤102-2）携带了待测目标特性的超声回波再经由超声换能器接收输出；

步骤102-3)将超声换能器输出的信号进行接收、放大和采集运算，从而获得携带待测目标性质的接收回波Y；

步骤102-4)运算单元接收匹配滤波器的脉冲响应h；

步骤102-4)运算单元接收Y后自动完成h和Y的时域卷积，输出脉冲压缩回波Z。

6.一种大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩系统，所述系统包含：

控制模块，用于依据调频时宽和调频带宽设计大时间带宽积线性调制超声信号和相应的匹配滤波器的脉冲响应函数，并对接收回波进行脉冲压缩；

激励信号产生及发射模块，用于基于设定的大时间带宽积超声信号获取高时间精度的激励波形，并将高时间精度的激励波形对应的信号发射至超声换能器，从而对待测目标进行探测；和

接收采集模块，用于：

将超声换能器接收的来自延迟介质的信号进行处理获得第一接收回波信号C，并将所述第一接收回波波形C输入所述激励信号产生及发射模块包含的运算单元用于产生高时间精度激励信号；或

将超声换能器接收的来自待测目标的信号进行处理获得第二接收回波信号Y，所述第二接收回波信号Y为携带了待测物体性质的接收回波信号。

7.根据权利要求6所述的大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩系统，其特征在于，所述激励信号产生发射模块进一步包含：

运算单元，用于实现线性调频信号D的自卷积运算、或信号D与第一回波信号C的解卷积计算进而输出设计的高时间精度激励波形X，同时该单元还用于实现对第二回波信号Y的脉冲压缩卷积运算；

MCU传输控制单元，用于控制和协调激励信号产生及发射模块内部各单元模块工作，并进行相关信号的传输，所述相关信号包括：所述确定的线性调频信号D的波形数据和所述运算单元输出的高时间精度激励X的波形数据；

FPGA芯片，用于控制接收数据的采集，并将所述MCU传输控制单元发送的高时间精度激励波形数据进行处理生成数字波形；

第一RAM存储单元，用于存储FPGA芯片输出的高时间精度激励数字波形或设定的信号“D”的量化幅值；

数模转换单元，用于对所述第一RAM存储单元存储的数据进行数模转换处理；和放大滤波单元，用于对数模转换单元输出的模拟激励信号进行如下处理：滤波及调节输出激励信号的电压幅值和偏移量。

8.根据权利要求7所述的大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩系统，其特征在于，所述运算单元进一步包含：

第三RAM存储子单元，用于存储设定的大时间带宽积检测信号“D”的自卷积结果的幅度量化值；

第四RAM存储子单元，用于存储尾部补零后的第一接收回波波形C的幅度量化值；

解卷积运算处理子单元，用于完成第三RAM存储子单元和第四RAM存储子单元存储的幅度量化值的解卷积运算输出高时间精度激励波形X；卷积运算处理子单元，用于完成大时间带宽积检测信号“D”的自卷积运算，或完成第二接收回波信号Y与匹配滤波器的脉冲响应h的卷积运算从而输出脉冲压缩结果Z。

9.根据权利要求6所述的大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩系统，其特征在于，所述接收采集模块进一步包含：

接收子模块，用于接收超声换能器输出的电压信号；

限幅子模块，用于限制接收子模块接收的电压幅值；

增益控制子模块，用于放大限幅子模块输出的限幅电压；

带通滤波器，用于滤除增益控制子模块输出信号的通频带之外的噪声；

数模变换子模块，用于将滤波处理后的信号进行模数转换；和

第二RAM存储器，用于存储数模变换处理后的波形量化幅值。

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