CN106932492B - 一种基于ofdm信号的超声目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDM信号的超声目标检测方法，将Zadoff_Chu序列调制成OFDM信号，来对目标距离进行估计，实现了无旁瓣的脉冲压缩。该方法可以在低信噪比下很好的检测出目标信号并解决脉冲旁瓣的问题，将无线通信中的OFDM技术应用于超声目标检测中，不仅能解决噪声旁瓣的问题，也降低了系统设计复杂度，提升了系统性能，在超声检测技术领域具有广阔的应用前景。

Description

一种基于OFDM信号的超声目标检测方法

技术领域

本发明属于工业自动化和测试及测量的技术领域，具体指代一种基于OFDM信号的超声目标检测方法。

背景技术

超声波探伤是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检测方法。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理可知，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。

传统的超声波探伤仪采用高压单脉冲信号作为激励，信噪比和分辨率是一对矛盾。虽然编码激励技术一定程度上可以解决这个问题，但在对回波信号进行脉冲压缩处理时又会带来距离旁瓣的问题，微弱信号可能淹没在较强信号脉冲压缩的距离旁瓣中，这给检测带来很大的困难。

在无线通信领域，采用OFDM(正交频分复用)技术可以有效对抗频率选择性衰落。OFDM 主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

在无线信道中，电波传播除了直射波外，在传播过程中还会有各种障碍物所引起的散射波，这就是多径效应。而超声检测的关键问题是检测出不同反射点叠加之后的回波信号，超声检测中的回波信号和无线通信中多径信号产生的原理是一致的，都是不同反射信号叠加后的信号，因此超声检测和无线通信理论中的信道估计本质上是一致的。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于OFDM信号的超声目标检测方法，解决了现有技术中传统的单脉冲超声探测技术存在信噪比较低，微弱的回波信号很难从噪声中恢复出来的问题。

为达到上述目的，本发明的一种基于OFDM信号的超声目标检测方法，包括步骤如下：

发射端OFDM信号波形的设计：发射端对N位的Zadoff-Chu序列进行IFFT变换，如下过程所示：

其中，X_k为N位Zadoff-Chu序列，Δf为子载波间隔，f_s为系统采样率，k为整数，x(n)表示发射信号波形的第n个采样值；经上述公式(1)变换后，得到含有多个子载波的OFDM 信号，给每个OFDM信号的子载波加上循环前缀后，作为发射波形发送出去；

接收端回波信号的处理：接收端采用DFT信道估计算法进行回波处理，假设发射信号为 x(n)，信道冲激响应为h(n)，接收端回波信号为y(n)，随机噪声分量为w(n)，则：

y(n)＝x(n)*h(n)+w(n) (2)

其中，*表示卷积运算，0≤n≤N，将信号两边分别做DFT运算变换到频域，

对H_ls做逆DFT变换，得到含有回波信息的时域信号h_ls：

h_ls＝IDFT(H_ls) (4)。

优选地，上述发射波形具体表现为：将IFFT调制后的复数信号的实部和虚部按照[A A B B]组合方式直接使用基带发送，其中A、B分别指代待发送复数信号的实部和虚部。

优选地，上述的超声目标检测过程中，检测的点数小于循环的长度，最远能检测到的目标的位置等效为多径效应中的最大时延扩展L，h_ls中超过最大时延扩展L部分，断定该部分为噪声干扰，时域的噪声方差为：

在最远探测目标点位置处设置一闸门，以消除最大时延扩展之外的噪声分量，该闸门门限值由两部分组成，第一部分为公式(5)所示噪声的方差估计，第二部分为所有路径的信道响应幅度的模平方在循环前缀内的平均分布，因此闸门门限值λ表达式为：

经过DFT信道估计之后的回波信号为：

经过上述过程，即为最后所需要的含有目标点位置信息的回波信号。

本发明的有益效果：

1.OFDM信号应用在无线通信领域可有效对抗频率选择性衰落，将其应用在超声目标检测中，同样可以克服接收端回波信号的多径效应；利用加循环前缀的OFDM信号进行超声目标检测可有效消除信号传输过程中符号间的相互干扰。

2.考虑超声探伤发射波形设计复杂度问题，本次发射端摒弃传统复杂的载波调制方式，将发射的复数信号的实部和虚部按照一定的规则组合直接使用基带发送，降低系统设计复杂度，节约设计成本。

3.接收端运用DFT信道估计算法对回波信号进行相关的处理，可有效消除噪声，准确恢复出目标点位置信息，提高系统检测性能。

附图说明

图1a为发射端链路结构的框图。

图1b为接收端链路结构的框图。

图2a为I路信号示意图。

图2b为Q路信号示意图。

图3为基带发射信号示意图。

图4为含有原始回波信号示意图。

图5为经过DFT频域估计后的回波信号示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本发明将超声探测技术原理与无线通信中的多径效应做类比，设计了一种基于OFDM多载波频域估计的算法来实现超声目标检测。该方法基于下述系统，该系统包括：发射OFDM信号波形的发射端链路结构，及进行回波信号处理的接收端链路结构。

参照图1a、图1b所示，系统采样率fs＝100MHz，发射信号带宽B＝10MHz，Zadoff-Chu序列长度N＝256，循环前缀长度为256，因此调制后的OFDM信号载波间隔f＝B/N＝39.1kHz，声速v＝5900m/s，随机噪声为加性高斯白噪声。

本发明的一种基于OFDM信号的超声目标检测方法，包括步骤如下：

发射端OFDM信号波形的设计：发射端对N位的Zadoff-Chu序列进行n倍IFFT变换，如下过程所示：

初始序列采用Zadoff-Chu序列作为同步和信道估计的独立字(UW)，Zadoff-Chu序列具有恒幅特性、理想的循环自相关和良好的互相关特性，在接收端对Zadoff-Chu序列进行循环卷积，实现无旁瓣的脉冲压缩；对N位的Zadoff-Chu序列进行IFFT变换，如下过程所示：

其中，X_k为N位Zadoff-Chu序列，Δf为子载波间隔，f_s为系统采样率，x(n)表示发射信号波形的第n个采样值，n＝10N；在此过程中，将Chu序列调制成OFDM信号相当于进行了10倍的内插处理，得到拥有N个子载波序列的OFDM信号x(n )。

将上述变换后的复数信号x(n )实部虚部分别取出，分为I，Q路，分别加上相应的循环前缀，加循环前缀的目的是消除各路子载波符号间的干扰；参照图2a、图2b所示，最后将加有循环前缀的两路信号组合成一路信号，即[I I Q Q]的形式，采用基带的方式发送出去，最后的发送信号如附图3所示。

参照图4所示，先对接收到的回波信号进行相应的去循环前缀、抽取等过程；考虑到噪声的影响，采用DFT信道估计的思路提高噪声干扰下的检测性能。假设发射信号为x(n)，信道冲激响应为h(n)，接收端回波信号为y(n)，随机噪声分量为w(n)，则：

y(n)＝x(n)*h(n)+w(n) (2)

其中，*表示卷积运算，0≤n≤N，将信号两边分别做DFT运算变换到频域，

对H_ls做逆DFT变换，得到含有回波信息的时域信号h_ls：

h_ls＝IDFT(H_ls) (4)

在该超声目标检测的过程中，检测的点数小于循环的长度，最远能检测到的目标的位置等效为多径效应中的最大时延扩展L，h_ls中超过最大时延扩展L部分，断定该部分为噪声干扰，时域的噪声方差为：

为了消除最大时延扩展之外的噪声分量，在最远探测目标点位置处设置一闸门，该闸门门限值由两部分组成，第一部分为上述公式(5)所示噪声的方差估计，第二部分为所有路径的信道响应幅度的模平方在循环前缀内的平均分布，因此闸门门限值λ表达式为：

经过DFT信道估计之后的回波信号为：

因此，经过上述过程，即为最后所需要的含有目标点位置信息的回波信号。

处理后的波形如附图5所示，从图中可以看出，检测到了三个目标点，分别为40mm，80mm， 120mm，反射系数依次为1，0.8和0.5。检测准确，并且完全消除了噪声旁瓣，提高了性能。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于OFDM信号的超声目标检测方法，其特征在于，包括步骤如下：

发射端OFDM信号波形的设计：发射端对N位的Zadoff-Chu序列进行IFFT变换，如下过程所示：

其中，X_k为N位Zadoff-Chu序列，Δf为子载波间隔，f_s为系统采样率，k为整数，x(n)表示发射信号波形的第n个采样值；经上述公式(1)变换后，得到含有多个子载波的OFDM信号，给每个OFDM信号的子载波加上循环前缀后，作为发射波形发送出去；

接收端回波信号的处理：接收端采用DFT信道估计算法进行回波处理，假设信道冲激响应为h(n)，接收端回波信号为y(n)，随机噪声分量为w(n)，则：

y(n)＝x(n)*h(n)+w(n) (2)

其中，*表示卷积运算，0≤n≤N，将信号两边分别做DFT运算变换到频域，

对H_ls做逆DFT变换，得到含有回波信息的时域信号h_ls：

h_ls＝IDFT(H_ls) (4)。

2.根据权利要求1所述的基于OFDM信号的超声目标检测方法，其特征在于，上述发射波形具体表现为：将IFFT调制后的复数信号的实部和虚部按照[A A B B]组合方式直接使用基带发送，其中A、B分别指代待发送复数信号的实部和虚部。

3.根据权利要求1所述的基于OFDM信号的超声目标检测方法，其特征在于，上述的超声目标检测过程中，检测的点数小于循环的长度，最远能检测到的目标的位置等效为多径效应中的最大时延扩展L，h_ls中超过最大时延扩展L部分，断定该部分为噪声干扰，时域的噪声方差为：

在最远探测目标点位置处设置一闸门，以消除最大时延扩展之外的噪声分量，该闸门门限值由两部分组成，第一部分为公式(5)所示噪声的方差估计，第二部分为所有路径的信道响应幅度的模平方在循环前缀内的平均分布，因此闸门门限值λ表达式为：

经过DFT信道估计之后的回波信号为：

经过上述过程，即为最后所需要的含有目标点位置信息的回波信号。