CN109839179A - 多通道超声波信号的相位和幅度检测系统、方法及介质 - Google Patents

Abstract

本发明适用信号处理技术领域，提供了一种多通道超声波信号的相位和幅度检测系统、方法及介质，该检测系统包括第一定向耦合器、多个第二定向耦合器、与多个第二定向耦合器连接的模拟开关、与第一定向耦合器和模拟开关连接的锁相放大器、与锁相放大器连接的模数转换器，该检测系统在超声波信号相位和幅度检测时，改善了因输入被测超声波信号的频率增加使得模数转换器采样频率增加的问题，同时在检测系统增大时无需引入时钟同步系统，从而简化了检测系统的设计，降低了检测系统的硬件成本，另外，由于无需大量的数字信号处理而产生的机器周期，因此，提高了相位和幅度的检测效率。

Description

多通道超声波信号的相位和幅度检测系统、方法及介质

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种多通道超声波信号的相位和幅度检测系统、方法及介质。

背景技术

高能聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)将声能聚焦到人体内的一点，使得能量在该点堆积产生热效应从而使得组织产生相应的生理反应：消融、或坏死等。传统的单振元聚焦系统通过声透镜或自聚焦换能器实现声能的叠加，该系统的电路简单，但需要机械系统控制探头的位置而改变焦点的三维空间坐标。

相控聚焦超声系统旨在通过电子系统实现多振元平面超声换能器的自动聚焦控制，从而减少三维运动控制系统。其中，电子系统通过控制正弦信号的幅度、频率、相位来调控激励信号，由于超声换能器的频率的一定的，电子系统只需要控制幅度、相位来控制激励信号。为实现焦点更宽的动态范围，需要动态改变每个通道激励信号的幅度、相位，此时检测每个通道的幅度、相位成为电子系统中的难题。

传统的幅度、相位检测系统大多是通过模数转换器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)采集信号，经由现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)芯片进行数字信号处理，以获得通道之间的差异。然而，由于各种原理，例如，高频率的信号需要高采样率的ADC进行信号的数字化，而高采样率的ADC较难实现高分辨率，且数字信号处理的过程中，伴随着机器的计算周期，对于直接采集的高频信号数据量越大计算周期也响应的越长，等等。因此，这种方式很难低成本的实现高频信号的高精度采集。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多通道超声波信号的相位和幅度检测系统、方法及介质，旨在解决由于现有技术无法提供一种有效的多通道超声波信号的相位和幅度检测系统，导致多通道超声波信号的相位和幅度检测成本高的问题。

一方面，本发明提供了一种多通道超声波信号的相位和幅度检测系统，所述系统包括：

第一定向耦合器，用于接收参考超声波信号，对所述参考超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟参考信号；

多个第二定向耦合器，用于接收多个通道输入的被测超声波信号，对所述被测超声波信号进行耦合并衰减，以得到所述预设功率的模拟被测信号；

与所述多个第二定向耦合器连接的模拟开关，用于根据预设的时钟脉冲从所述多个通道中选通一通道，以实现对所述多个通道的轮询；

与所述第一定向耦合器和所述模拟开关连接的锁相放大器，用于根据所述模拟参考信号对所述模拟开关选择的所述模拟被测信号进行检测，以得到测试用直流电压；

与所述锁相放大器连接的模数转换器，用于对所述锁相放大器输出的测试用直流电压进行采样，以得到所述被测超声波信号的数值化相位和幅度误差。

另一方面，本发明提供了一种用于上述相位和幅度检测系统的相位和幅度检测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

第一定向耦合器接收输入的参考超声波信号，对所述参考超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟参考信号；

多个第二定向耦合器接收多个对应通道输入的被测超声波信号，对所述被测超声波信号进行耦合并衰减，以得到所述预设功率的模拟被测信号；

模拟开关根据预设的时钟脉冲从所述多个通道中选通一通道；

锁相放大器根据所述模拟参考信号对所述模拟开关选择的所述模拟被测信号进行检测，以得到测试用直流电压；

模数转换器对所述锁相放大器输出的测试用直流电压进行采样，以得到所述被测超声波信号的数值化相位和幅度误差。

另一方面，本发明还提供了一种多通道超声波信号的相位和幅度检测装置，所述装置包括：

第一信号耦合单元，用于第一定向耦合器接收输入的参考超声波信号，对所述参考超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟参考信号；

第二信号耦合单元，用于多个第二定向耦合器接收多个对应通道输入的被测超声波信号，对所述被测超声波信号进行耦合并衰减，以得到所述预设功率的模拟被测信号；

通道选择单元，用于模拟开关根据预设的时钟脉冲从所述多个通道中选通一通道；

信号检测单元，用于锁相放大器根据所述模拟参考信号对所述模拟开关选择的所述模拟被测信号进行检测，以得到测试用直流电压；以及

信号采集单元，用于模数转换器对所述锁相放大器输出的测试用直流电压进行采样，以得到所述被测超声波信号的数值化相位和幅度误差。

另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

本发明提供的多通道超声波信号的相位和幅度检测系统包括第一定向耦合器、多个第二定向耦合器、与多个第二定向耦合器连接的模拟开关、与第一定向耦合器和模拟开关连接的锁相放大器、与锁相放大器连接的模数转换器，该检测系统在超声波信号相位和幅度检测时，改善了因输入被测超声波信号的频率增加使得模数转换器采样频率增加的问题，同时在检测系统增大时无需引入时钟同步系统，从而简化了检测系统的设计，降低了检测系统的硬件成本，另外，由于无需大量的数字信号处理而产生的机器周期(即时间)，因此，提高了相位和幅度的检测效率。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的多通道超声波信号的相位和幅度检测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的多通道超声波信号的相位和幅度检测方法的实现流程图；以及

图3是本发明实施例三提供的多通道超声波信号的相位和幅度检测装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本发明实施例一提供的多通道超声波信号的相位和幅度检测系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

在本发明实施例中，多通道超声波信号的相位和幅度检测系统包括第一定向耦合器11、多个第二定向耦合器12、模拟开关13、锁相放大器14以及模数转换器15，其中：

第一定向耦合器11用于接收参考超声波信号，对参考超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟参考信号。多个第二定向耦合器12用于接收多个对应通道输入的被测超声波信号，对被测超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟被测信号。

在本发明实施例中，第一定向耦合器11将参考超声波信号衰减后，得到预设功率的模拟参考信号，以防信号能量过大造成后级电路损毁。优选地，该预设功率低于20dbm，从而得到适宜于锁相放大器14处理的模拟参考信号。第二定向耦合器12将被测超声波信号衰减后，得到预设功率的模拟被测信号，以防被测信号能量过大造成后级电路损毁。同样优选地，该预设功率低于20dbm，从而得到适宜于锁相放大器14处理的模拟被测信号。其中，被测超声波信号为超声波激励信号或超声回波信号，参考超声波信号为标准信号源中的超声波激励信号或超声回波信号，第一定向耦合器11和第二定向耦合器12可以为同一类型或同一型号的定向耦合器，也可以不同。

模拟开关13与多个第二定向耦合器12连接，以用于根据预设的时钟脉冲从多个通道中选通一通道，以实现对多个通道的轮询，从而实现对多通道中的被测超声波信号的分时检测，降低相位和幅度检测系统的复杂性。

锁相放大器14与第一定向耦合器11和模拟开关13连接，用于根据模拟参考信号对模拟开关选择的模拟被测信号进行检测，以得到测试用直流电压。具体地，锁相放大器14对模拟开关13选择的模拟被测信号和第一定向耦合器11输出的模拟参考信号进行衰减或者放大、乘法、滤波、放大处理，得到适合模数转换器15采集的直流电压。优选地，锁相放大器14为双相模拟锁相放大器，从而便于被测超声波信号的相位和幅度检测。

模数转换器15与锁相放大器14连接，用于对锁相放大器14输出的测试用直流电压进行采样，以得到被测超声波信号的数值化相位和幅度误差，实现对被测超声波信号的检测。由于锁相放大器14的输出为直流电压，因此，优选地，模数转换器15为低速模数转换器，从而降低了相位和幅度检测系统的复杂性，进而降低了相位和幅度检测的检测成本。

在本发明实施例中，多通道超声波信号的相位和幅度检测系统包括第一定向耦合器、多个第二定向耦合器、与多个第二定向耦合器连接的模拟开关、与第一定向耦合器和模拟开关连接的锁相放大器、与锁相放大器连接的模数转换器，该检测系统在超声波信号相位和幅度检测时，改善了因输入被测超声波信号的频率增加使得模数转换器采样频率增加的问题，同时在检测系统增大时无需引入时钟同步系统，从而简化了检测系统的设计，降低了检测系统的硬件成本，另外，由于无需大量的数字信号处理而产生的机器周期(即时间)，因此，提高了相位和幅度的检测效率。

实施例二：

图2示出了本发明实施例二提供的相位和幅度检测系统的相位和幅度检测方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本发明实施例提供的相位和幅度检测方法适用于多通道超声波信号的相位和幅度检测系统，该检测系统包括第一定向耦合器、多个第二定向耦合器、模拟开关、锁相放大器以及模数转换器，其中，第一定向耦合器用于接收参考超声波信号，对参考超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟参考信号。多个第二定向耦合器用于接收多个通道输入的被测超声波信号，对被测超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟被测信号。

模拟开关与多个第二定向耦合器连接，以用于根据预设的时钟脉冲从多个通道中选通一通道，以实现对多个通道的轮询，从而实现对多通道中的被测超声波信号的分时检测，降低相位和幅度检测系统的复杂性。

锁相放大器与第一定向耦合器和模拟开关连接，用于根据模拟参考信号对模拟开关选择的模拟被测信号进行检测，以得到测试用直流电压。具体地，锁相放大器对模拟开关选择的模拟被测信号和第一定向耦合器输出的模拟参考信号进行衰减或者放大、乘法、滤波、放大处理，得到适合模数转换器采集的直流电压。优选地，锁相放大器为双相模拟锁相放大器，从而便于被测超声波信号的相位和幅度检测。

模数转换器与锁相放大器连接，用于对锁相放大器输出的测试用直流电压进行采样，以得到被测超声波信号的数值化相位和幅度误差，实现对被测超声波信号的检测。由于锁相放大器的输出为直流电压，因此，优选地，模数转换器为低速模数转换器，从而降低了相位和幅度检测系统的复杂性，进而降低了相位和幅度检测的检测成本。

在本发明实施例中，相位和幅度检测方法包括下述步骤：

在步骤S201中，第一定向耦合器接收输入的参考超声波信号，对参考超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟参考信号；

在步骤S202中，多个第二定向耦合器接收多个对应通道输入的被测超声波信号，对被测超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟被测信号；

在步骤S203中，模拟开关根据预设的时钟脉冲从多个通道中选通一通道；

在步骤S204中，锁相放大器根据模拟参考信号对模拟开关选择的模拟被测信号进行检测，以得到测试用直流电压；

在步骤S205中，模数转换器对锁相放大器输出的测试用直流电压进行采样，以得到被测超声波信号的数值化相位和幅度误差。

本发明实施例在超声波信号相位和幅度检测时，改善了因输入被测超声波信号的频率增加使得模数转换器采样频率增加的问题，同时在检测系统增大时无需引入时钟同步系统，从而简化了检测系统的设计，降低了检测系统的硬件成本，另外，由于无需大量的数字信号处理而产生的机器周期，因此，提高了相位和幅度的检测效率。

实施例三：

图3示出了本发明实施例三提供的多通道超声波信号的相位和幅度检测装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，其中包括：

第一信号耦合单元31，用于第一定向耦合器接收输入的参考超声波信号，对参考超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟参考信号；

第二信号耦合单元32，用于多个第二定向耦合器接收多个对应通道输入的被测超声波信号，对被测超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟被测信号；

通道选择单元33，用于模拟开关根据预设的时钟脉冲从多个通道中选通一通道；

信号检测单元34，用于锁相放大器根据模拟参考信号对模拟开关选择的模拟被测信号进行检测，以得到测试用直流电压；以及

信号采集单元35，用于模数转换器对锁相放大器输出的测试用直流电压进行采样，以得到被测超声波信号的数值化相位和幅度误差。

在本发明实施例中，相位和幅度检测装置的各单元可由相应的硬件或软件单元实现，各单元可以为独立的软、硬件单元，也可以集成为一个软、硬件单元，在此不用以限制本发明。各单元的具体实施方式可参考实施例二的描述，在此不再赘述。

实施例四：

在本发明实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述相位和幅度检测方法实施例中的步骤，例如，图2所示的步骤S201至S205。或者，该计算机程序被处理器执行时实现上述各装置实施例中各单元的功能，例如图3所示单元31至35的功能。

在本发明实施例中，第一定向耦合器接收输入的参考超声波信号，对参考超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟参考信号，多个第二定向耦合器接收多个对应通道输入的被测超声波信号，对被测超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟被测信号，模拟开关根据预设的时钟脉冲从多个通道中选通一通道，锁相放大器根据模拟参考信号对模拟开关选择的模拟被测信号进行检测，以得到测试用直流电压，模数转换器对锁相放大器输出的测试用直流电压进行采样，以得到被测超声波信号的数值化相位和幅度误差，从而在超声波信号相位和幅度检测时，改善了因输入被测超声波信号的频率增加使得模数转换器采样频率增加的问题，同时在对应检测系统增大时无需引入时钟同步系统，从而简化了检测系统的设计，降低了检测系统的硬件成本，另外，由于无需大量的数字信号处理而产生的机器周期，因此，提高了相位和幅度的检测效率。

本发明实施例的计算机可读存储介质可以包括能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质，例如，ROM/RAM、磁盘、光盘、闪存等存储器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多通道超声波信号的相位和幅度检测系统，其特征在于，所述系统包括：

第一定向耦合器，用于接收参考超声波信号，对所述参考超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟参考信号；

多个第二定向耦合器，用于接收多个通道输入的被测超声波信号，对所述被测超声波信号进行耦合并衰减，以得到所述预设功率的模拟被测信号；

与所述多个第二定向耦合器连接的模拟开关，用于根据预设的时钟脉冲从所述多个通道中选通一通道，以实现对所述多个通道的轮询；

与所述第一定向耦合器和所述模拟开关连接的锁相放大器，用于根据所述模拟参考信号对所述模拟开关选择的所述模拟被测信号进行检测，以得到测试用直流电压；

与所述锁相放大器连接的模数转换器，用于对所述锁相放大器输出的测试用直流电压进行采样，以得到所述被测超声波信号的数值化相位和幅度误差。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预设功率低于20dbm。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模数转换器为低速模数转换器。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述锁相放大器为双相模拟锁相放大器。

5.一种用于权利要求1-4任一所述相位和幅度检测系统的相位和幅度检测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

第一定向耦合器接收输入的参考超声波信号，对所述参考超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟参考信号；

多个第二定向耦合器接收多个对应通道输入的被测超声波信号，对所述被测超声波信号进行耦合并衰减，以得到所述预设功率的模拟被测信号；

模拟开关根据预设的时钟脉冲从所述多个通道中选通一通道；

锁相放大器根据所述模拟参考信号对所述模拟开关选择的所述模拟被测信号进行检测，以得到测试用直流电压；

模数转换器对所述锁相放大器输出的测试用直流电压进行采样，以得到所述被测超声波信号的数值化相位和幅度误差。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设功率低于20dbm。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述模数转换器为低速模数转换器。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述锁相放大器为双相模拟锁相放大器。

9.一种多通道超声波信号的相位和幅度检测装置，其特征在于，所述装置包括：

第一信号耦合单元，用于第一定向耦合器接收输入的参考超声波信号，对所述参考超声波信号进行耦合并衰减，以得到预设功率的模拟参考信号；

第二信号耦合单元，用于多个第二定向耦合器接收多个对应通道输入的被测超声波信号，对所述被测超声波信号进行耦合并衰减，以得到所述预设功率的模拟被测信号；

通道选择单元，用于模拟开关根据预设的时钟脉冲从所述多个通道中选通一通道；

信号检测单元，用于锁相放大器根据所述模拟参考信号对所述模拟开关选择的所述模拟被测信号进行检测，以得到测试用直流电压；以及

信号采集单元，用于模数转换器对所述锁相放大器输出的测试用直流电压进行采样，以得到所述被测超声波信号的数值化相位和幅度误差。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5所述方法的步骤。