CN109765302A - 一种超声阵列信号通道间时延差高精度模拟装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声阵列信号通道间时延差高精度模拟装置和方法，包括以下步骤信号分配模块将单通道超声波信号分成多路超声波信号分别发送给多个ADC；计算各阵元接收信号相对于参考点的时延差；计算各阵元接收信号相对于阵元1的时延差：对各时延差统一叠加正向偏移量T0，得到各延迟线时延调整值；将时延调整值转换为采样时钟的相位差：根据相位差调整采样时钟生成DDS的参数，DDS生成相应相位的采样时钟；采样时钟经过DAC转换为模拟信号，送往相应的ADC进行采样，得到带精确时延差的数字化阵列信号并输出；装置包括单通道信号生成模块、信号分配模块、ADC、DDS、DAC、时延差计算模块和相位差计算模块。本发明精度高、适应性好、结构简单、响应速度快。

Description

一种超声阵列信号通道间时延差高精度模拟装置及方法
技术领域
本发明涉及超声波阵列信号处理技术领域，具体的涉及一种超声阵列信号通道间时延差高精度模拟装置及方法。
背景技术
超声阵列信号处理技术在医学和工业无损检测方面有着广阔的应用前景。然而其硬件体系构成复杂，对于算法设计而言，搭建完整的链路复杂且耗时耗力，并且容易受到外部环境的影响。因此，有线模拟系统是提高天线阵抗干扰技术研究与开发效率的重要手段。有线测试需要在有线条件下模拟阵列接收信号。
传统模拟方式将精确的时延差简化为相位差替代，对于高精度的算法开发存在明显缺陷。高精度的阵列信号模拟对时延控制精度的要求很高。阵列时延变化范围在纳秒量级，因而对时延控制分辨率和精度则要求在皮秒量级。
现有阵列信号模拟方法主要采用可编程超声波延迟线方式，该方式的显著缺点是硬件设备规模庞大，系统结构复杂、成本高、精度有限、响应速度慢。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种成本低、结构简单、灵活性好、响应速度快、可精确模拟任意入射角场景阵列接收信号的超声阵列信号通道间时延差高精度模拟装置及方法。
本发明采用的技术方案是：
一种超声阵列信号通道间时延差高精度模拟装置，其特征在于，包括：单通道信号生成模块、信号分配模块、若干ADC、若干DDS、若干DAC、时延差计算模块、相位差计算模块，所述信号生成模块与信号分配模块相连以用于发送单路超声波信号，所述信号分配模块分别与若干ADC相连以用于将单路超声波信号转换为多路超声波信号发送给对应的ADC，所述时延差计算模块与相位差计算模块相连以用于计算接收信号的时延差并发送给相位差计算模块，所述相位差计算模块分别与若干DDS相连以用于生根据时延差计算相位差并生成参数发送给DDS，所述DDS通过DAC与对应的ADC相连以用于生成相应相位的采样时钟，经DAC转换为模拟信号后发送给ADC进行采样，所述ADC模块用于输出带准确时延差的数字化阵列信号。
以及一种超声阵列信号通道间时延差高精度模拟方法，包括以下步骤：
S1、单通道信号生成模块生成超声波信号发送给信号分配模块；
S2、信号分配模块将超声波信号分成多路超声波信号分别发送给多个ADC；
S3、时延差计算模块计算各阵元接收信号相对于参考点的时延差；
S4、时延差计算模块计算各阵元接收信号相对于阵元1的时延差：
S5、时延差计算模块对各时延差统一叠加正向偏移量T0，得到各延迟线时延调整值发送给相位差计算模块；
S6、相位差计算模块将时延调整值转换为采样时钟的相位差；
S7、相位差计算模块根据相位差调整采样时钟生成DDS的参数，DDS生成相应相位的采样时钟；
S8、采样时钟经过DAC转换为模拟信号，送往相应的ADC进行采样，得到带精确时延差的数字化阵列信号并输出。
进一步的，所述步骤S3中的计算公式为
其中，为信号j入射角度矢量， 为入射角相应的方向矢量，τij是第j个信号入射到第i个阵元与入射到参考点的时延差。
进一步的，所述步骤S4中的计算公式为
进一步的，所述步骤S5中的计算公式为
其中，为正向偏移量。
进一步的，所述步骤S6中的转换公式为
其中，fs为采样率。
本发明的有益效果在于：
本发明采用数字控制相位差的方式来实现时延差的模拟，适应性好，适用于任意阵型(直线阵型、平面阵型、立体阵型等)、任意信号频率以及任意信号数情况，并且模拟精度高，可以精确模拟任意数量超声波信号从任意不同角度同时入射到任意天线阵型的接收信号，同时整套模拟装置的结构简单、易于实现、成本低、灵活性好、响应速度快。
附图说明
图1为本发明超声阵列信号通道间时延差高精度模拟方法的流程图；
图2为本发明超声阵列信号通道间时延差高精度模拟装置原理图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
如图1所示为本发明的一种超声阵列信号通道间时延差高精度模拟方法，包括以下步骤：
S1、单通道信号生成模块生成超声波信号发送给信号分配模块；
S2、信号分配模块将超声波信号分成多路超声波信号分别发送给多个ADC(模数转换器)；
S3、时延差计算模块计算各阵元接收信号相对于参考点的时延差，计算公式为
其中，为信号j入射角度矢量， 为入射角相应的方向矢量。τij是第j个信号入射到第i个阵元与入射到参考点的时延差；
S4、时延差计算模块计算各阵元接收信号相对于阵元1的时延差，计算公式为
S5、时延差计算模块对各时延差统一叠加正向偏移量T0，得到各延迟线时延调整值，其中，为正向偏移量，根据步骤S4计算得出的时延差通常存在负数，因此需要将所有时延差统一叠加正向偏移量，从而使各通道延迟量均大于0；
S6、相位差计算模块将时延调整值转换为采样时钟的相位差,转换公式为其中，fs为采样率；
S7、相位差计算模块根据相位差调整采样时钟生成DDS(直接数字式频率合成器)的参数，DDS生成相应相位的采样时钟；
S8、采样时钟经过DAC(数模转换器)转换为模拟信号，送往相应的ADC进行采样，得到带精确时延差的数字化阵列信号并输出。
如图2所示为本发明还公开了一种超声阵列信号通道间时延差高精度模拟装置，包括：单通道信号生成模块、信号分配模块、若干ADC、若干DDS、若干DAC、时延差计算模块、相位差计算模块，所述信号生成模块与信号分配模块相连以用于发送单路超声波信号，所述信号分配模块分别与若干ADC相连以用于将单路超声波信号转换为多路超声波信号发送给对应的ADC，所述时延差计算模块与相位差计算模块相连以用于计算接收信号的时延差并发送给相位差计算模块，所述相位差计算模块分别与若干DDS相连以用于生根据时延差计算相位差并生成参数发送给DDS，所述DDS通过DAC与对应的ADC相连以用于生成相应相位的采样时钟，经DAC转换为模拟信号后发送给ADC进行采样，所述ADC模块用于输出带准确时延差的阵列模拟矢量信号。
综上，本发明采用数字控制相位差的方式来实现时延差的模拟，适应性好，适用于任意阵型(直线阵型、平面阵型、立体阵型等)、任意信号频率以及任意信号数情况，并且模拟精度高，可以精确模拟任意数量超声波信号从任意不同角度同时入射到任意天线阵型的接收信号，同时整套模拟装置的结构简单、易于实现、成本低、灵活性好、响应速度快。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种超声阵列信号通道间时延差高精度模拟装置，其特征在于，包括：单通道信号生成模块、信号分配模块、若干ADC、若干DDS、若干DAC、时延差计算模块、相位差计算模块，所述信号生成模块与信号分配模块相连以用于发送单路超声波信号，所述信号分配模块分别与若干ADC相连以用于将单路超声波信号转换为多路超声波信号发送给对应的ADC，所述时延差计算模块与相位差计算模块相连以用于计算接收信号的时延差并发送给相位差计算模块，所述相位差计算模块分别与若干DDS相连以用于生根据时延差计算相位差并生成参数发送给DDS，所述DDS通过DAC与对应的ADC相连以用于生成相应相位的采样时钟，经DAC转换为模拟信号后发送给ADC进行采样，所述ADC模块用于输出带准确时延差的数字化阵列信号。
2.一种应用权利要求1所述装置的超声阵列信号通道间时延差高精度模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、单通道信号生成模块生成超声波信号发送给信号分配模块；
S2、信号分配模块将超声波信号分成多路超声波信号分别发送给多个ADC；
S3、时延差计算模块计算各阵元接收信号相对于参考点的时延差；
S4、时延差计算模块计算各阵元接收信号相对于阵元1的时延差；
S5、时延差计算模块对各时延差统一叠加正向偏移量T0，得到各延迟线时延调整值发送给相位差计算模块；
S6、相位差计算模块将时延调整值转换为采样时钟的相位差：
S7、相位差计算模块根据相位差调整采样时钟生成DDS的参数，DDS生成相应相位的采样时钟；
S8、采样时钟经过DAC转换为模拟信号，送往相应的ADC进行采样，得到带精确时延差的数字化阵列信号并输出。
3.根据权利要求2所述的超声阵列信号通道间时延差高精度模拟方法，其特征在于：所述步骤S3中的计算公式为
其中，为信号j入射角度矢量， 为入射角相应的方向矢量，τij是第j个信号入射到第i个阵元与入射到参考点的时延差。
4.根据权利要求2所述的超声阵列信号通道间时延差高精度模拟方法，其特征在于：所述步骤S4中的计算公式为
5.根据权利要求2所述的超声阵列信号通道间时延差高精度模拟方法，其特征在于：所述步骤S5中的计算公式为
其中，为正向偏移量。
6.根据权利要求2所述的超声阵列信号通道间时延差高精度模拟方法，其特征在于：所述步骤S6中的转换公式为
其中，fs为采样率。
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