CN106502308B - 一种超声脉冲激励信号的波形产生系统及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声脉冲激励信号的波形产生系统及产生方法，属于超声无损检测技术领域，本发明采用的具体步骤是：1)超声脉冲激励信号分解为若干个正弦分量；2)分别确定各正弦分量的参数；3)利用正弦波递归发生公式获得一个正弦波分量各采样点瞬时数据；4)重复步骤3)，获得所有的正弦波分量各采样点瞬时数据；5)各正弦分量数据叠加得到超声脉冲激励信号。另外，本发明还通过波形产生方法构造了波形产生系统。本发明涉及的算法简单，硬件实现成本低，采用该方法可以输出频率、幅值以及初始相位可调的超声脉冲激励信号，从而提高超声脉冲激励信号控制的灵活性。

Description

一种超声脉冲激励信号的波形产生系统及产生方法

技术领域

本发明属于超声无损检测技术领域，具体涉及一种超声脉冲激励信号的波形产生系统及产生方法。

背景技术

超声相控阵成像检测系统中，通过控制阵列中各换能器发射超声脉冲信号的初始相位可以改变声束的传播方向，获得局部能量聚焦。为了提高成像系统的横向分辨率，减少伪像，在对某一焦点位置进行检测时，期望声场能量集中在焦点处，即声场主瓣突出，尽可能抑制旁瓣、栅瓣。为此，在超声检测系统中，对发射阵元的激励信号提出了更高的要求。包括：尽量削弱信号中的噪声成分；脉冲信号应具备合适的包络形式等等。当前，利用海宁窗等窗函数构成脉冲信号包络即是一种常见的激励信号形式，但利用这些窗函数调制的脉冲信号函数复杂，波形产生困难。目前超声脉冲激励信号的产生方法主要有三种。

第一种方法是利用专用脉冲信号发生器产生单电平或多电平数字脉冲信号，此类系统结构相对简单，但输出信号形式单一、粗糙，波形参数精度低，信号包含大量高次谐波，降低了系统的总体灵敏度。

第二种方法是采用直接数字信号合成(DDS)专用芯片，DDS芯片只能产生正弦波、方波等标准信号，输出信号形式单一，为了获得包络调制需要另外增加硬件电路。

第三种方法是ROM查表法，首先根据脉冲波形的数学表达式计算完整脉冲各相位点的取值，转换成定点数存放在ROM中。工作时利用相位累加器从ROM中顺序读出各相位点数据，通过DAC得到激励脉冲信号。此方法对系统资源有很高的要求，ROM数据表的存储深度决定了输出波形的精度，如果要得到高精度的输出波形需要一个非常庞大的ROM表格，消耗更多的资源。同时要实现脉冲信号幅值可调须另外增加模拟或数字乘法运算组件。不同的输出波形需要在ROM中存储不同的数据，波形发生的灵活性差。

上述方法在产生超声脉冲激励信号时都具有自身的缺点和局限性，因此设计一种简便易行的超声脉冲激励信号发生方法，对超声检测系统的设计和实现具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声脉冲激励信号的波形产生系统及产生方法，采用递归方式单独发生多个正弦波信号分量，将多个正弦波信号分量叠加得到所需超声脉冲激励信号波形，该方法能够输出频率、幅值以及初始相位可调的超声脉冲激励信号，解决现有技术中产生超声脉冲激励信号时信号输出形式单一，波形发生灵活性差的问题。另外，根据波形产生方法构造了波形产生系统。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。

一种超声脉冲激励信号的波形产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，根据不同的脉冲窗函数要求，将超声脉冲激励信号分解为若干个正弦波分量，并确定各正弦波分量的参数；

步骤2)，根据确定各正弦波分量的参数，建立正弦波递归发生公式；

步骤3)，利用正弦波递归发生公式获得一个正弦波分量各采样点瞬时数据；

步骤4)，重复步骤3)，获得所有的正弦波分量各采样点瞬时数据；

步骤5)，将所有的正弦波分量各采样点瞬时数据叠加并输入数字模拟转换器DAC中，得到超声脉冲激励信号。

进一步，所述步骤1)中对超声脉冲激励信号分解采用的方法为傅里叶变换。

进一步，所述正弦波分量的参数包括频率、幅值及初相角。

进一步，所述步骤2)中建立正弦波递归发生公式的具体过程为：

①构建微分方程其中，u和i分别是时间t的函数；L、C为微分方程系数；

②建立所述①中微分方程的数值解算法，将微分方程变换为差分方程其中，u(m)、i(m)分别是函数u、i第m步取值；m为采样序号，m为正整数；Δt为采样间隔；

③对②中的差分方程进行变换，合并为一个方程；其中，u(m)为第m步输出数据；k为频率控制字；i(0)＝u_max，u_max为正弦波幅值；

④定义为第m步振荡状态数据，且得出正弦波递归公式u(m)＝u(m-1)+u_max×k-k²×x(m-1)，x(m)＝x(m-1)+u(m)，然后选取正弦波的初始值。

更进一步，当采样序号m＝1时，u(0)＝u_maxsin(φ₀)为正弦分量信号初始输出数据，为正弦分量信号初始状态数据；其中φ₀为信号初相角。

一种由超声脉冲激励信号的波形产生方法构造的波形产生系统，其特征在于，包括上位机、现场可编程门阵列FPGA、数字模拟转换器DAC转换芯片及低通滤波器，所述上位机与现场可编程门阵列FPGA连接，上位机将设定的参数传输给现场可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列FPGA用于实现正弦波的递归迭加，所述现场可编程门阵列FPGA还与数字模拟转换器DAC转换芯片及低通滤波器依次连接，实现超声脉冲激励信号的输出。

上述方案中，所述现场可编程门阵列FPGA内部逻辑硬件包括递归式正弦波发生单元、加法组件及除法组件。

本发明的有益效果为：本发明根据不同的脉冲窗函数要求，将超声脉冲激励信号分解为若干个正弦波分量，提高了输出超声脉冲激励信号的多样性；根据确定各正弦波分量的参数，可以输出频率、幅值以及初始相位可调的超声脉冲激励信号，解决了超声脉冲激励信号发生灵活性差的问题。

附图说明

图1为本发明一种超声脉冲激励信号波形产生方法的流程图；

图2为本发明超声脉冲激励信号波形产生系统的结构框图；

图3为FPGA内部逻辑硬件描述程序结构框图；

图4为正弦波递归发生公式硬件描述程序结构框图；

图5为超声脉冲激励信号的输出波形图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种超声脉冲激励信号的波形产生方法流程图，包括步骤：

步骤1)，根据不同的海宁窗脉冲窗函数要求，将超声脉冲激励信号根据傅里叶变换分解为若干个正弦波分量，并确定各正弦波分量的频率、幅值及初相角；

脉冲窗函数指多周期脉冲信号波形包络的形状，不同的脉冲窗函数对应的包络形状不同，如多周期正弦波脉冲的幅值保持不变则称为矩形窗。本发明实施例中采用的海宁窗脉冲则是初始正弦波幅值为0，逐渐增大至最大值，再逐渐减小至0，构成一个完整的多周期脉冲，如图5所示。

步骤2)，根据确定各正弦波分量的频率、幅值及初相角，建立正弦波递归发生公式；

建立正弦波递归发生公式的具体过程为：

①构建一组微分方程，其解是正弦函数：

其中，L、C为微分方程系数，此微分方程的解u、i是一组关于时间t的正弦函数，两函数存在90°相位差；

②建立微分方程(1)、(2)的数值解算法，将微分方程(1)、(2)变换为差分方程：

u(m)＝-L[i(m)-i(m-1)]/Δt (3)

i(m)＝C[u(m)-u(m-1)]/Δt (4)

其中，u(m)、i(m)分别是函数u、i第m步取值；m为采样序号，m为正整数；Δt为采样间隔；

公式(3)、(4)变形，得：

③对公式(5)、(6)进行变换，合并为一个方程；

取C＝L，令频率控制字则公式(5)、(6)变形为：

i(m)＝i(m-1)-u(m-1)×k (7)

u(m)＝u(m-1)+i(m)×k (8)

将式(7)代入式(8)，则有：

其中i(0)＝u_max，u_max为正弦波幅值；

定义u(m)为第m步输出数据，为第m步振荡状态数据，且则：

u(m)＝u(m-1)+k×i(0)-k²×x(m-1) (10)

x(m)＝x(m-1)+u(m) (11)

对于式(10)、(11)，其谐振频率f为：

周期为：

可得：

其中N为每个周期的采样点数；

④选取差分方程数值解算法的初始值

差分方程数值解算法的初始值可以是方程值域内任意有效数据，方程的求解按0°起始考虑，即u取0，i取峰值，故i(0)＝u_max(u_max为正弦波幅值)；于是，式(10)、(11)改写为：

u(m)＝u(m-1)+k×u_max-k²×x(m-1) (15)

x(m)＝x(m-1)+u(m) (16)

具体信号发生时以0°相位点开始，计算经过一段时间(若干步的计算)后得到相应的u、x；若以此时刻数据为起点考察后面的数据，可以看出后续数据只与此刻数据相关，而与前面的数据无关；可见，以此时刻数据为u(0)、x(0)代入方程式(15)、(16)即可得到后续各相位的数值解；

为此，可以考虑信号的初始相角为φ₀，则u(0)的取值就是该相角对应的正弦信号瞬时值，即：

u(0)＝u_maxsin(φ₀) (17)

x(0)的取值为从0°相位点开始对正弦信号进行累计(积分)至φ₀的(积分)值，因此：

步骤3)，利用正弦波递归发生公式获得一个正弦波分量各采样点瞬时数据；

步骤4)，重复步骤3)，获得所有的正弦波分量各采样点瞬时数据；

步骤5)，将所有的正弦波分量各采样点瞬时数据叠加并输入数字模拟转换器DAC中，得到超声脉冲激励信号。

根据一种超声脉冲激励信号的波形产生方法，构造了5倍周期海宁窗调制的超声脉冲激励信号波形发生系统，具体如下：

如图2所示，硬件选用现场可编程门阵列FPGA作为控制芯片，外接12位数字模拟转换器DAC转换芯片和模拟低通平滑滤波器，上位机通过数据通信把各项设置数据输入至FPGA控制芯片，利用FPGA内部逻辑完成递归运算及信号合成。

FPGA内部逻辑硬件描述程序如图3所示，其中，组件1)为若干递归式正弦波发生单元，组件2)、4)为加法组件，组件3)为除法组件。根据输出超声脉冲激励信号的分解要求，组件1)中每个单元产生一路正弦波分量，其频率、幅值及初相角均依靠相应的设置数据控制，在控制信号的统一控制下产生所有正弦波分量；组件2)实现所有信号分量叠加合成，得到额定幅值的合成数据；为与数字模拟转换器DAC转换芯片数据线连接，组件3)通过截取数据高位实现合成信号数据位数与数字模拟转换器DAC转换芯片数据线匹配，并利用组件4)将数据整体偏移至横坐标以上。

根据设计要求，输出的超声脉冲激励信号可表示为：

其中u_o为输出的超声脉冲激励信号，ωt为载波频率。

采用5倍周期余弦信号调制载波信号，即每个脉冲输出5个周期的载波；系统基准时钟频率采用100MHz，信号载波频率为5MHz，初始相位是0°；则可知输出信号包含3个频率分量：4MHz、5MHz、6MHz，初相角分别为180°、0°、180°，幅值在信号总量中所占份额分别为25％、50％、25％，设输出信号为单位幅度信号，则三个分量的幅度分别为0.25、0.5、0.25。

根据上述的参数要求，则3个频率分量的具体参数如下：

为方便FPGA定点数算法的实现，同时获得较高精度，u取16位有符号整形数，即公式两侧同时放大32768倍，式(15)、(16)转换为定点数形式：

u(m)＝u(m-1)+K₁-K₂×x(m-1)/32768 (20)

x(m)＝u(m)+x(m-1) (21)

式中：

K₁＝int(u_max×2π/N×32768) (22)

K₂＝int[(2π/N)²×32768] (23)

根据N、u_max即可确定K₁、K₂，由于K₂和x(m-1)同时被放大了32768倍，公式(20)、(21)需在完成乘法运算后缩小32768倍。

因此，3个频率分量的参数变换为：

上述参数代入FPGA内部递归式正弦波发生单元，其硬件描述程序具体如图4所示；图中11)为乘法组件，12)为数据取补运算组件，13)、14)为加法组件，15)、16)为二选一多路选择组件，17)、18)为D触发器组件；K₁、K₂、u(0)、x(0)分别为输入设置参数，Enable为波形发生使能控制信号，CLK为时钟信号，OUT为递归运算输出的正弦波数据。其中，组件11)、12)、14)、18)构成算法公式(20)，组件13)、17)构成算法公式(21)；Enable信号无效时，组件15)、16)用以在写入递归初始数据u(0)、x(0)；Enable有效时，系统整体在CLK时钟信号控制下每个时钟周期完成每一步递归运算。

每个时钟脉冲正弦波发生单元计算得到各分量的一步输出数据，3个分量输出数据叠加即为合成脉冲信号；根据前面设计的3个频率分量的参数，合成信号数据幅值为32768；数字模拟转换器DAC转换芯片采用12位分辨率，则合成数据除以16，并叠加2048使数据整体偏移至横坐标以上，取值范围调整为[0,4095]，超声脉冲激励信号的输出波形如图5所示。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超声脉冲激励信号的波形产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，根据不同的脉冲窗函数要求，将超声脉冲激励信号分解为若干个正弦波分量，并确定各正弦波分量的参数；

步骤2)，根据确定各正弦波分量的参数，建立正弦波递归发生公式；

建立正弦波递归发生公式的具体过程为：

①构建微分方程其中，u和i分别是时间t的函数，L、C为微分方程系数；

②建立所述①中微分方程的数值解算法，将微分方程变换为差分方程其中u(m)、i(m)分别是函数u、i第m步取值；m为采样序号，m为正整数；Δt为采样间隔；

③对②中的差分方程进行变换，合并为一个方程；其中，u(m)为第m步输出数据，k为频率控制字；i(0)＝u_max，u_max为正弦波幅值；

④定义为第m步振荡状态数据，且得出正弦波递归公式u(m)＝u(m-1)+u_max×k-k²×x(m-1)，x(m)＝x(m-1)+u(m)，然后选取正弦波的初始值；

步骤3)，利用正弦波递归发生公式获得一个正弦波分量各采样点瞬时数据；

步骤4)，重复步骤3)，获得所有的正弦波分量各采样点瞬时数据；

步骤5)，将所有的正弦波分量各采样点瞬时数据叠加并输入数字模拟转换器DAC中，得到超声脉冲激励信号。

2.根据权利要求1所述的一种超声脉冲激励信号的波形产生方法，其特征在于，所述步骤1)中对超声脉冲激励信号分解采用的方法为傅里叶变换。

3.根据权利要求1所述的一种超声脉冲激励信号的波形产生方法，其特征在于，所述正弦波分量的参数包括频率、幅值及初相角。

4.根据权利要求1所述的一种超声脉冲激励信号的波形产生方法，其特征在于，当采样序号m＝1时，u(0)＝u_maxsin(φ₀)为正弦分量信号初始输出数据，为正弦分量信号初始状态数据；其中φ₀为信号初相角。