CN108918689B - 一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统及方法。该系统包括信号发生模块、发送探头、接收探头、探头位置微调控制模块、信号转换模块和信号控制处理模块。该方法在硬件方面通过加入一个探头位置微调控制模块，调整参考信号对应的接收探头，通过探头的调整，改变参考信号。在软件方面通过自适应滤波计算，在多次计算结果中选出最小的均方误差期望，进而选出最合适的一个参考信号，得出直达波消除后的目标反射信号。本发明接收到的两路信号幅度、频率等参数差别不大，引入的计算误差小，又加入硬件调整克服参考信号不变的缺点，达到硬件改变参考信号，软件自适应滤波的效果，软硬件结合，提升滤波精度。

Description

一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统及方法

技术领域

本发明涉及超声探测的重要部分即直达波消除的技术领域，具体涉及一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统及方法。

背景技术

国家的强盛离不开基础设施的建设，特别是在高铁，高速公路，快速铁路等领域，需要把控轨道等产品的质量，于是我们需要用到无损检测对这些领域的产品进行质量把关。

在众多无损检测技术中，超声检测技术凭借着检测装置操作简易、检测范围广、穿透能力强和费用较低等优势，迅速脱颖而出，成为各个工业领域广泛使用的对象。近年来，工业部严格的质量把控对超声探测技术的精度也提出了更高的要求。根据香农信息公式，信道容量与信道带宽以及时宽成正比，大的时宽带宽积也代表此信号含有较大的信息量，所以，我们把线性调频信号作为超声检测的发射信号。

但是，大时宽带宽积的线性调频信号由于发送时间长，在探测短距离时会很容易带来直达波干扰的问题。一般来说，超声探头除了接收到缺陷的回波信号之外，同时还有直达波。由于直达波经历的路径很短，可能是来自发射探头和接收探头的直接耦合，也有可能是来自不相关物体外表面的直接反射，所以它的幅度衰减很小，它的能量就比缺陷回波强很多，因此就很容易造成缺陷回波淹没在直达波中，从而缺陷很难被检测出来，就很难达到无损检测的目的。因此，要获得高可靠性的检测，就必须想办法从接收信号中分离出直达波。

最早被人提出，而且应用最为广泛的是自适应对消算法，自适应对消算法的原理如下：该算法采用对消器结构，有两路输入信号，一路是待处理信号x(n)，一路是参考信号d(n)，待处理信号x(n)是接收探头收到的信号，参考信号d(n)是模拟的信号。待处理信号x(n)和参考信号d(n)在幅度、频率等参数上差别越小，滤波精度越高。因为直达波信号功率远强于反射信号，自适应滤波器的权值主要被直达波所控制。首先待处理信号x(n)进入自适应滤波器后输出一个自适应输出分量y(n)；然后产生误差e(n)＝y(n)-d(n)，并利用数学手段求解e(n)的均方误差，使均方误差收敛后，该自适应输出分量y(n)与参考信号d(n)中的直达波分量几乎完全匹配；最后该自适应输出分量y(n)减去参考信号d(n)所得的信号e(n)作为整个对消器结构的输出，即所需的目标反射信号。研究人员重在修改自适应对消算法里面的误差判别准则和最佳滤波器权值求解方法，以便于提高精确度，但是自适应算法的整体框架一直被沿用。

现在很多新的直达波消除方法大多都是在算法上提出改进，大多都忽略了自适应滤波框架中的参考信号，该参考信号是人为利用先验信息模拟的、不变的信号。而上面提到自适应对消算法中，待处理信号和参考信号幅度、频率等参数差别越小，滤波精度越高。由于模拟的参考信号一直不变，且是人为模拟，待处理信号和参考信号在幅度、频率等参数上会有差别，这样的参考信号会引入估计误差。因此本发明考虑利用现有的经典直达波消除算法的同时，提出一种软硬件相结合的方法，即加入硬件部分，利用硬件改变参考信号，解决参考信号一直不变的问题，同时保证参考信号和待处理信号在幅度、频率等参数上差别不大，减少估计误差，并且在多次改变的参考信号中选择最佳的参考信号，使最后得到的目标反射信号直达波成分最低，提升直达波消除的精确度。

发明内容

针对现有直达波消除算法中参考信号不变的情况，本发明提出一种软硬件相结合的系统，先利用硬件装置对参考信号对应的接收探头进行多次移动调整，每次调整后，参考信号对应的接收探头收到的信号都是不同的，从而改变参考信号；然后再利用软件进行自适应滤波，进而消除直达波，得到消除直达波后的目标反射信号，为后续提取探测目标信息做好数据准备。

本发明采用以下技术方案实现。

一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统，其包括信号发生模块、发送探头、接收探头、探头位置微调控制模块、信号转换模块和信号控制处理模块；一块圆形的塑料板上开三个孔，这三个孔排成一行，中间的孔固定信号发生模块和发送探头，左边的孔固定一个接收探头，右边的孔上面用一个探头位置微调控制模块固定另一个接收探头，两个接收探头都连接着信号转换模块，信号转换模块连着信号控制处理模块。

其中，信号发生模块产生发送信号并经过数模转换和功率放大后提供给发送探头发送；接收探头接收信号，其中接收探头接收到的信号为参考信号，另外一个接收探头接收到的信号为待处理信号，两个接收探头接收到信号后传送给信号转换模块进行转换；探头位置微调控制模块用来微调参考信号对应的接收探头的位置，通过这样的方式改变了参考信号，该模块包括机械移动单元、驱动单元和位置控制单元；信号转换模块主要将两个接收探头接收到的信号进行前置放大和模数转换，转换完成后将信号交给信号控制处理模块进行处理；信号控制处理模块主要完成对整个系统的控制和对待处理信号的直达波消除处理。

所述的信号发生模块根据设置的频率和幅度等参数产生线性调频信号且对其进行数模转换和功率放大。

进一步的，探头位置微调控制模块主要用来调整参考信号对应的接收探头的位置，它包括机械移动单元、驱动单元和位置控制单元；机械移动单元用震动臂实现，驱动单元用电机驱动器实现，电机驱动器是震动臂的动力来源，电机驱动器控制震动臂移动，震动臂夹住接收探头，震动臂移动的同时，接收探头也一起移动，位置控制单元生成位置控制参数，传给电机驱动器，指引电机驱动器如何移动；三个单元共同组成探头位置微调控制模块，调整接收探头的位置。

进一步的，所述的发送探头，主要功能是重复发送超声信号出去探测；探头位置微调控制模块每调整一次位置，发送调整完成指令给信号控制处理模块，信号控制处理模块接收到调整完成指令后，发送信号发送指令给信号发生模块，信号发生模块将已生成的信号对其进行数模转换和功率放大后给发送探头发送一次。

进一步的，所述的接收探头有两个，一个接收探头固定安置，接收到的信号当作自适应对消算法中的待处理信号；另一个接收探头和探头位置微调控制模块连接在一起，探头位置微调控制模块能微调接收探头的位置，接收到的信号当作自适应对消算法中的参考信号；两个接收探头接收到信号后，一并将这两路接收信号传入信号转换模块进行前置放大和数模转换，转换完成后，将信号交给信号控制处理模块进行处理。

所述的信号转换模块，主要是对两个接收探头接收到的信号进行前置放大和数模转换，转换完成后，将信号交给信号控制处理模块进行处理。

进一步的，所述的信号控制处理模块，主要是对整个系统进行控制，以及对两个接收探头接收到的信号进行自适应滤波处理，最后得出自适应滤波器最佳权值和一个最小均方误差值，还有滤完直达波留下的目标反射信号，此信号即是某个探测点消除直达波后最后留下的信号。

所述的接收探头有两个，一个探头固定安置，接收到的信号当作自适应对消算法中的待处理信号；另一个探头和探头位置微调控制模块连接在一起，探头位置微调控制模块可以微调该接收探头的位置，接收到的信号当作自适应对消算法中的参考信号。两个接收探头接收到信号后，一并将这两路接收信号传入信号转换模块进行转换。

本发明提供的一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统的工作流程如下：

步骤1.前期准备。设置好信号产生参数(信号产生的频率、幅度等)，然后信号发生模块产生好要发送的信号，设置好探头位置微调控制模块需要微调的次数N，然后开始进行某次探测点的探测。

步骤2.调整位置。探头位置微调控制模块调整位置需要该模块包含的三个单元协同工作。首先位置控制单元产生该次的位置控制参数，把参数传给驱动单元(电机驱动器)，驱动单元控制机械移动单元(震动臂)以位置控制参数对应的路线移动一次，震动臂夹着参考信号对应的接收探头，该探头跟随着震动臂移动一次。探头位置微调控制模块调整一次后，发送调整完成指令给信号控制处理模块，信号控制处理模块接收到调整完成指令后，准备发送信号。

步骤3.发送信号。信号控制处理模块发送信号发送指令给信号发生模块，信号发生模块将已生成的信号对其进行数模转换和功率放大后给发送探头发送。

步骤4.信号接收。两个接收探头分别接收信号，其中固定的接收探头接收到的信号作为自适应对消滤波中对应的待处理信号；另一个位置可变的接收探头接收到的信号作为自适应对消滤波中对应的参考信号，两个接收探头接收完成后，一并交给信号转换模块进行转换。

步骤5.信号转换。信号转换模块对两个接收探头接收到的信号进行前置放大和数模转换，转换完成后，将信号交给信号控制处理模块进行处理。

步骤6.自适应对消滤波处理。信号控制处理模块对信号转换模块转换好的待处理信号和参考信号进行自适应对消滤波处理，结果是得到均方误差期望，最佳滤波器系数和滤除直达波后的反射信号，得出上述结果后，信号控制处理模块产生信号处理完成指令，并发送探头微调指令给探头位置微调控制模块。

步骤7.单次处理完毕，进行下一次循环。探头位置微调控制模块接收到信号控制处理模块发送的探头微调指令后，重复步骤2。

步骤8.得出结果。调整N次以后，会得出N个均方误差期望，从中选出最小的均方误差期望，其对应的参考信号为该N次调整中的最佳参考信号，自适应输出分量和最佳参考信号相减的结果，即为滤除直达波后的反射信号，该结果为该N次调整得出的最好的一次结果，该结果作为该探测点消除直达波后最后留下的信号。

对比现有的直达波消除技术，本发明具有如下优点和效果：

1.以往自适应对消算法中参考信号都是人为根据先验知识提前模拟，而且和待处理信号在幅度、频率等参数上会有一定差别，并且一直不变，进而引入估计误差，导致自适应对消滤波不精确。本系统克服了以往自适应算法中参考信号不变的缺点，且参考信号和待处理信号是两个接收探头同时收到一个发送探头发出的信号，两路信号频率、幅度等参数几乎一样，又加入硬件调整，改变参考信号，每个探测点的探测都改变一定次数的参考信号，选出最小的均方误差对应的参考信号，自适应输出分量与该参考信号相减的结果，即为该探测点直达波消除最干净的目标反射信号，为后续获取探测目标信息提供了最好的反射波数据。

2.软件滤波可以使用已有成熟的滤波算法，不需要花费额外人力物力进行滤波算法研究，只需要重点关注硬件调整这块，节约算法研究成本。

附图说明

图1是实施例软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统整体外部示意图；

图2是实例中自适应信号算法的基本框图；

图3是实例中一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除方法的逻辑流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。此处所描述的具体例子仅仅用以解释本发明，但并不限定在本专利，需要指出的是，本发明的关键在于超声探测中，对直达波消除精度的提升提出了软硬相结合的方法，特别是利用硬件调整自适应滤波结构中的参考信号，而涉及超声信号的计算以及直达波滤除等自适应算法等除了使用如下方案，还可以利用其它现有成熟的技术方案，以下若有特别详细说明的信号处理算法的过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。

如图1所示，是本发明实现一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统对应组合装置的具体外观，一块圆形的塑料板105上开三个孔，这三个孔排成一行，中间的孔固定信号发生模块104和发送探头102，左边的孔固定一个接收探头101，右边的孔上面用一个探头位置微调控制模块固定一个接收探头103，两个接收探头都连接着信号转换模块110，信号转换模块110连着信号控制处理模块109。

现就将该装置拆分为硬件系统和软件系统两部分进行详细说明。

硬件系统部分，主要有信号发生模块104、发送探头102、接收探头101和103、探头位置微调控制模块和信号转换模块110。

其中，信号发生模块104主要功能是生成满足配置条件的信号以及对此信号进行数模转换和功率放大。

发送探头102主要功能是重复发送信号发生模块104产生的信号。探头位置微调控制模块每调整一次位置，发送调整完成指令给信号控制处理模块109，信号控制处理模块109接收到调整完成指令后，信号控制处理模块109发送信号发送指令给信号发生模块104，信号发生模块104将已生成的信号对其进行数模转换和功率放大后给发送探头102发送一次。

接收探头101和103主要功能是接收探测目标反射的信号，但是由于有直达波，也接收了直达波，接收完成后传给信号转换模块110进行转换。有两个接收探头：接收探头101固定安置，接收到的信号当作自适应对消算法中的待处理信号；接收探头103和探头位置微调控制模块连接在一起，探头位置微调控制模块可以微调接收探头的位置，接收到的信号当作自适应对消算法中的参考信号。接收探头101和103接收到信号后，传入信号转换模块110进行转换。

探头位置微调控制模块的主要功能就是不停地调整位置。它主要包括机械移动单元106、驱动单元107和位置控制单元108。这三个单元具体分工如下：

(1)机械移动单元106是一个震动臂，震动臂夹住参考信号对应的接收探头，震动臂移动的过程，其夹住的接收探头也一并移动。

(2)驱动单元107用电机驱动器实现，电机驱动器由电机和驱动器共同组成，电机用来供电，即提供机械移动单元(震动臂)移动所需动力；驱动器用来控制机械移动单元(震动臂)的移动。

(3)位置控制单元108主要功能是控制驱动单元，位置控制单元生成位置控制参数，传给驱动单元进行解析，驱动单元解析成对应的微调路线，进而控制机械移动单元(震动臂)的移动。

信号转换模块110主要功能是对接收探头101和103接收到的信号进行前置放大和数模转换，转换完成后，将信号交给信号控制处理模块109进行处理。

一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统软件系统部分主要是信号控制处理模块109的自适应滤波算法，信号控制处理模块109处理完成后，产生信号处理完成指令，并发送探头微调指令给探头位置微调控制模块。下面简单介绍一种自适应对消滤波算法：

(1)自适应对消器示意图如图2所示。这里，滤波器的待处理输入x(n)与参考输入d(n)是两个接收端同时收到的数据。因为直达波信号功率远强于目标反射信号，自适应滤波器的权值主要被直达波所控制，首先待处理信号x(n)进入自适应滤波器后得到一个自适应输出分量y(n)；然后产生误差e(n)＝y(n)-d(n)，并利用数学手段求解e(n)的均方误差，使均方误差收敛后，该自适应输出分量y(n)与参考信号d(n)中的直达波分量几乎完全匹配；最后该自适应输出分量y(n)减去参考信号d(n)所得的信号e(n)作为整个对消器结构的输出，即所需的目标反射信号。

(2)该滤波器是自适应横式滤波器，采用的自适应算法是最小均方误差准则。其待处理矢量为X(n)＝[x₁(n),x₂(n)......,x_M(n)]^T，加权矢量(滤波参数矢量)为W＝[w₁,w₂......,w_M]^T，M为滤波器的阶数，则自适应输出分量为

y(n)相对于参考信号的误差为e(n)＝W^TX(n)-d(n)，则根据最小均方误差准则，最佳的滤波器参量W_opt应使性能函数，即均方误差f(W)＝ζ＝E[e²(n)]为最小，f(W)称为均方误差性能函数。

(3)E[e²(n)]这种性能函数的解为维纳解，它需要解逆阵，由于反射信号和直达波干扰环境是变化的，因此这种估计和求逆过程必须不断进行，运算量非常大，于是由下列方法来推导最小均方误差算法：▽_Hη＝▽_HE[e²(n)]＝▽_H[e²(n)]，这个式子中，▽_H是一个算子，代表求梯度，即用瞬时输出误差功率的梯度▽_H[e²(n)]作为均方误差梯度表达式▽_HE[e²(n)]的估计值，结合f(W)＝ζ＝E[e²(n)]可得：W(n+1)＝W(n)+2μe(n)x(n)，μ是一个控制自适应速度与稳定性的增益常数。综合以上式子，就可以推出去除直达波的反射信号e(n)。

通过上述软件系统+硬件系统的说明，现对该种装置如何使用进行总结，具体步骤如图3所示：

步骤1.探测开始前，设置信号发生模块所要生成的探测信号参数，并设置探头位置微调控制模块需要移动的次数，假设需要移动N次。

步骤2.探头位置微调控制模块每调整一次，参考信号d(n)就改变一次，待处理信号x(n)不变，再进行一次自适应对消滤波，就能得到一个最佳滤波器参量W_opt，该参量使均方误差f(W)＝ζ＝E[e²(n)]最小，即产生一个最小的E[e²(n)]。

步骤3.因为我们一共需要调整N次，于是我们这一轮一共测量了N组数据，有N个期望值E[e²(n)]，系统对比选出这N个期望值中的最小值，由于E[e²(n)]的越小，即该次的直达波消除精度越高，则这个最小的期望值所对应的参考信号d(n)即为最佳参考信号，并且自适应对消滤波后得出的反射波，即为这轮测量中精确度最高的去除直达波的反射波。

该系统实现硬件调整参考信号，软件自适应滤波，软硬件联合调整，克服了原有自适应滤波算法中参考信号只能人工模拟一直不变、且和待处理信号在幅度、频率等参数上差别大从而引入估计误差的缺点，每一次的自适应滤波的参考信号都不同，且参考信号和待处理信号幅度、频率等参数差别不大，能减少估计误差。在多次不同的参考信号中选出最佳参考信号，进而得出该探测点最好的一次滤除直达波后的反射波信号，为后续获取探测目标信息提供了最好的反射波数据。

Claims (5)

1.一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统，其特征在于包括信号发生模块、发送探头、接收探头、探头位置微调控制模块、信号转换模块和信号控制处理模块；一块圆形的塑料板上开三个孔，这三个孔排成一行，中间的孔固定信号发生模块和发送探头，左边的孔固定一个接收探头，右边的孔上面用一个探头位置微调控制模块固定另一个接收探头，两个接收探头都连接着信号转换模块，信号转换模块连着信号控制处理模块；探头位置微调控制模块用来调整参考信号对应的接收探头的位置，它包括机械移动单元、驱动单元和位置控制单元；机械移动单元用震动臂实现，驱动单元用电机驱动器实现，电机驱动器是震动臂的动力来源，电机驱动器控制震动臂移动，震动臂夹住接收探头，震动臂移动的同时，接收探头也一起移动，位置控制单元生成位置控制参数，传给电机驱动器，指引电机驱动器如何移动；三个单元共同组成探头位置微调控制模块，调整接收探头的位置。

2.根据权利要求1所述的一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统，其特征在于所述的发送探头用于重复发送超声探测信号；探头位置微调控制模块每调整一次位置，发送调整完成指令给信号控制处理模块，信号控制处理模块接收到调整完成指令后，发送信号发送指令给信号发生模块，信号发生模块将已生成的信号对其进行数模转换和功率放大后给发送探头发送一次。

3.根据权利要求1所述的一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统，其特征在于所述的接收探头有两个，一个接收探头固定安置，接收到的信号当作自适应对消算法中的待处理信号；另一个接收探头和探头位置微调控制模块连接在一起，探头位置微调控制模块能微调接收探头的位置，接收到的信号当作自适应对消算法中的参考信号；两个接收探头接收到信号后，一并将这两路接收信号传入信号转换模块进行前置放大和数模转换，转换完成后，将信号交给信号控制处理模块进行处理。

4.根据权利要求1所述的一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统，其特征在于所述的信号控制处理模块对整个系统进行控制，以及对两个接收探头接收到的信号进行自适应滤波处理，最后得出自适应滤波器最佳权值和一个最小均方误差值，还有滤完直达波留下的目标反射信号，此信号即是某个探测点消除直达波后最后留下的信号。

5.利用权利要求1~4任一项所述一种软硬件联合调整的超声探测直达波消除系统的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)前期准备：设置好信号产生参数，然后信号发生模块产生好要发送的信号，设置好探头位置微调控制模块需要微调的次数N，然后开始进行某次探测点的探测；所述信号产生参数包括信号产生的频率、幅度；

(2)调整位置：探头位置微调控制模块调整位置需要该模块包含的三个单元协同工作；首先位置控制单元产生该次的位置控制参数，把参数传给驱动单元，驱动单元控制机械移动单元以位置控制参数对应的路线移动一次，震动臂夹着参考信号对应的接收探头，该探头跟随着震动臂移动一次；探头位置微调控制模块调整一次后，发送调整完成指令给信号控制处理模块，信号控制处理模块接收到调整完成指令后，准备发送信号；

(3)发送信号：信号控制处理模块发送信号发送指令给信号发生模块，信号发生模块将已生成的信号对其进行数模转换和功率放大后给发送探头发送；

(4)信号接收：两个接收探头分别接收信号，其中固定的接收探头接收到的信号作为自适应对消滤波中对应的待处理信号；另一个位置可变的接收探头接收到的信号作为自适应对消滤波中对应的参考信号，两个接收探头接收完成后，一并交给信号转换模块进行转换；

(5)信号转换：信号转换模块对两个接收探头接收到的信号进行前置放大和数模转换，转换完成后，将信号交给信号控制处理模块进行处理；

(6)自适应对消滤波处理：信号控制处理模块对信号转换模块转换好的待处理信号和参考信号进行自适应对消滤波处理，结果是得到均方误差期望，最佳滤波器系数和滤除直达波后的反射信号，得出上述结果后，信号控制处理模块产生信号处理完成指令，并发送探头微调指令给探头位置微调控制模块；

(7)单次处理完毕，进行下一次循环，探头位置微调控制模块接收到信号控制处理模块发送的探头微调指令后，重复(2)，若调整的次数达N次以后，进入下一步；

(8)得出结果：得出N个均方误差期望，从中选出最小的均方误差期望，其对应的参考信号为该N次调整中的最佳参考信号，自适应输出分量和最佳参考信号相减的结果，即为滤除直达波后的反射信号，该结果为该N次调整得出的最好的一次结果，该结果作为该探测点消除直达波后最后留下的信号。

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