CN110501429B - 一种阵列超声信号稀疏采样方法 - Google Patents

一种阵列超声信号稀疏采样方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种阵列超声信号稀疏采样方法，该方法包括：S1、提取原始阵列超声信号
Figure DDA0002141945910000011
的脉冲流,形成阵列脉冲流信号
Figure DDA0002141945910000012
P为阵元个数；S2、对
Figure DDA0002141945910000013
进行延迟合成，得到阵列脉冲流合成信号
Figure DDA0002141945910000014
S3、把
Figure DDA0002141945910000015
送入采样核进行平滑处理，得到采样核输出信号y(t)；S4、以信号新息率对y(t)进行等间隔采样，获得离散稀疏数据
Figure DDA0002141945910000016
N为采样点数，采样间隔
Figure DDA0002141945910000017
S5、从
Figure DDA0002141945910000018
中进行参数估计，得到
Figure DDA0002141945910000019
的幅值和时延参数
Figure DDA00021419459100000110
S6、根据延迟合成规则，从
Figure DDA00021419459100000111
中逆推得到阵列脉冲流信号
Figure DDA00021419459100000112
的幅值和时延参数，并重构信号
Figure DDA00021419459100000113
本发明针对阵列超声信号稀疏采样，可使阵列回波信号共用一路稀疏采样系统，减少了采集数据量，可解决常规多路信号各自稀疏采样造成的系统复杂性问题。

Description

一种阵列超声信号稀疏采样方法
技术领域
本发明属于超声信号稀疏采样技术领域，尤其涉及一种阵列超声信号稀疏采样方法。
背景技术
超声阵列检测是一种重要的无损检测手段，与其他无损检测方法相比，具有检测深度大，范围广，指向性好，缺陷定位准确等优点。其中超声阵列检测具有检测效率高，检测分辨力和灵敏度高，能够获取更丰富的检测信息等特点，在无损检测领域得到了广泛应用。但超声阵列检测带来了比常规单传感器成倍增加的数据量，对硬件采样系统提出了更高的要求。
稀疏采样的提出，对解决采集数据量问题带来了新的解决思路。Vertteli在2002年提出了有限新息率(Finite Rate of Innovation,FRI)采样理论，同时也给出了单通道FRI采样的基本框架，通过设计的sinc采样核对信号进行平滑处理，经低速等间隔采样后得到离散采样数据，通过离散傅里叶变换(DFT)可从采样数据中获取原信号的傅里叶系数，最终利用谱估计算法估计出包含在傅里叶系数中的特征参数。
FRI理论提出后的十多年里，在信号处理及通信等相关领域内得到了持续发展，国内外学者基于FRI理论提出了一系列单路信号FRI采样技术，丰富了FRI理论的应用研究。在超声检测领域，学者们对超声信号FRI采样的硬件实现方法进行了研究，以模拟低通滤波器逼近的方式设计了采样核电路，制作了单路超声信号FRI采样前端电路模块，并在实际检测中验证其性能，首次从硬件角度实现了单路超声信号的FRI采样(江洲.基于FRI的超声信号稀疏采样硬件实现方法研究[D].2017.)。
现有的FRI技术从采样结构的角度可以分为单通道FRI采样技术和多通道FRI采样技术。单通道稀疏采样技术中所有稀疏数据均由单路信号采集通道获取，通过参数估计方法可从单路稀疏数据中恢复出能完整表征原信号的特征参数，从而实现信号重构；现有的多通道FRI采样(Multichannel sampling at rate of innovation)技术虽然在结构上拥有多个采集通道，但实际上并不是针对多路信号的一种结构，而是针对单路信号采用的多通道数据采集方法，对同一路信号进行同步多通道采样，采样后，用所有通道的采集数据估计出单路信号的参数，不同于本发明中研究的阵列信号，阵列信号属于多路信号。
发明内容
本发明针对多通道超声信号稀疏采样尚无有效解决方法的问题，提出一种FRI的阵列超声信号稀疏采样方法。该方法基于正序脉冲合成规则，将多路模拟信号延时合成为一路脉冲流信号，共享一路稀疏信号采样系统，并根据合成规则从稀疏采样后的单路信号数据中分离重构出实际阵列脉冲信号。该方法具有采样数据少，采样速率低，系统利用率高且易于实现等特点。实现本发明的技术方案如下：
S1、提取原始阵列超声信号
Figure BDA0002141945890000021
的脉冲流,形成阵列脉冲流信号
Figure BDA0002141945890000022
使阵列超声信号具有有限信息自由度，符合有限新息率采样的前提条件，并保留原阵列超声信号的特征信息参数，其中P为阵列中阵元个数；
S2、对阵列脉冲流信号
Figure BDA0002141945890000023
进行延迟合成处理，得到一路阵列脉冲流合成信号
Figure BDA0002141945890000024
S3、把阵列脉冲流合成信号
Figure BDA0002141945890000025
送入采样核进行平滑处理，得到采样核输出信号y(t)；
S4、以信号新息率对y(t)进行等间隔采样，获得离散稀疏数据
Figure BDA0002141945890000026
N为采样点数，采样间隔
Figure BDA0002141945890000027
S5、从离散稀疏数据
Figure BDA0002141945890000028
中进行参数估计，得到阵列脉冲流合成信号
Figure BDA0002141945890000029
的幅值和时延参数
Figure BDA00021419458900000210
S6、根据延迟合成规则，从
Figure BDA00021419458900000211
中逆推得到原阵列脉冲流信号
Figure BDA00021419458900000212
的幅值和时延参数，并重构信号
Figure BDA00021419458900000213
本发明中，所述步骤S1具体为：
从原始阵列超声回波信号中提取只包含回波脉冲时延、幅值及脉宽信息的脉冲流信号，使其具备FRI信号的时域稀疏特性。
取两路载波信号分别为2 sin(2πf0t+φ)和2 cos(2πf0t+φ)，两路载波信号的频率与阵列超声信号的中心频率f0一致，初相都为φ。这两路信号具有90°相位差，使其分别与多通道的超声阵列回波信号
Figure BDA0002141945890000031
相乘，得到p组调制信号Ii′(t)和Qi′(t)。对每个通道的两路信号分别平方相加，再对相加后信号进行平方根运算，从而得到具有稀疏特性对的阵列脉冲流信号，
Figure BDA0002141945890000032
Figure BDA0002141945890000033
所述步骤S2具体为:
在阵列信号每一通道上增加延时量，以保证合成信号中每一通道信号的独立性，避免造成信号混叠。信号合成时以阵元从1到P顺序逐一合成，称为正序合成，为使合成后的脉冲流信号便于进行FRI采样，对脉冲流进行周期延拓，得到满足FRI稀疏采样的延时合成信号
Figure BDA0002141945890000034
Figure BDA0002141945890000035
其中，
Figure BDA0002141945890000036
为延迟后阵列脉冲的时延，
Figure BDA0002141945890000037
为延迟参数。
Figure BDA0002141945890000038
分别为合成后信号中各个脉冲的幅值和时延参数，且满足条件t′1<t′2<…<t′i<…<t′P。
进一步，所述延迟参数
Figure BDA0002141945890000039
由具体检测工况确定。可由声波在楔块及被测工件中的传播路径几何关系求得阵列中各阵元回波信号时延ti，在一次激励与接收循环中，各阵元接收到回波脉冲的最大时间差为|Δtmax|＝max|ti-tj|,i,j＝1,2,…P,i≠j；设回波脉冲的脉宽为tp，为了避免|Δtmax|<tp的情况，所以信号延迟最小单位量必须在|Δtmax|的基础上延长一个脉冲宽度，即：
Figure BDA00021419458900000310
各阵元接收回波以最小延迟单位量
Figure BDA00021419458900000311
的整数倍分别延时，可以确保信号合成后，前一个脉冲的结束点和后一个脉冲的起始点之间至少有一个|Δtmax|的间距，不产生混叠。
所述步骤S3具体为:
以高衰减特性去逼近采样核的理想频谱，实现采样核的频率筛选功能，从而筛选出信号重构所需的傅里叶系数。选用衰减特性较好的函数去逼近采样核传递函数。将阵列脉冲流合成信号
Figure BDA0002141945890000041
送入采样核s(t)进行平滑处理，得到采样核输出信号
Figure BDA0002141945890000042
所述步骤S5具体为:
用谱估计方法从离散系数数据
Figure BDA0002141945890000043
中进行参数估计，得到阵列脉冲流合成信号
Figure BDA0002141945890000044
的幅值和时延参数
Figure BDA0002141945890000045
其中N为采样点数，由信号新息率确定。本发明的阵列信号合成方法使得单通道信号信息率增大，较常规单通道稀疏采样点数增加，从而估计出更多的信号特征参数。
所述步骤S6具体为:
根据阵列脉冲流信号的正序合成规则，合成信号各脉冲回波时延
Figure BDA0002141945890000046
原阵列信号各通道回波时延
Figure BDA0002141945890000047
与正序合成延迟参数
Figure BDA0002141945890000048
存在关系
Figure BDA0002141945890000049
Figure BDA00021419458900000410
根据关系式逆推求得每一通道的时延参数。由于幅值参数
Figure BDA00021419458900000411
在合成过程中没有被改变，所以根据估计出的幅值参数直接确定原阵列脉冲信号的幅值参数。
本发明的有益效果是：本发明中的阵列超声信号稀疏采样方法，实现了多路传感器模拟信号合成，并共享稀疏采样通道，避免了各阵元独立使用稀疏采样通道所造成的资源浪费，减小了多通道稀疏采样系统实现的复杂度。并且在每一路超声回波信号信息自由度有限的情况下，该方法使用于多种入射检测方式。
附图说明
图1为本发明方法流程框图
图2为本发明实施例中阵列超声信号脉冲流提取原理框图
图3为本发明实施例中阵列脉冲流正序合成示意图
图4为本发明实施例中阵列脉冲斜入射缺陷回波示意图
图5为本发明实施例中仿真信号实验结果；
(a)8通道仿真信号，信噪比＝10；(b)合成信号；(c)稀疏抽样数据；(d)重构信号。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步描述。需要说明的是，本发明还可以通过其他等效实施方式加以应用，以下实施例中所提供的实施方式与附图说明仅以示例方式说明本发明的基本技术构想，实施例中的相关参数在具体实施环境中可进行改变。
假设由P个阵元组成斜入射纯横波线阵传感器阵列，在不计超声始波的情况下，可建立超声阵列斜入射接收回波模型，即：ui(t)＝aig(t-ti)cos(2πf0(t-ti)+φi),i＝1,2,…,P。其中，f0为压电晶片的中心频率，φi表示初相位，ti为回波时延，ai为回波幅值，
Figure BDA0002141945890000051
h(t)是高斯脉冲模型，其表达式为：
Figure BDA0002141945890000052
由于此超声阵列合成信号模型不满足FRI信号特性，无法对其进行FRI稀疏采样，因此需要提取超声阵列信号的脉冲流。
图2为阵列超声信号脉冲流提取原理框图。取两路载波信号分别为2 sin(2πf0t+φ)和2 cos(2πf0t+φ)，两路载波信号的频率与阵列超声信号的中心频率f0一致，初相都为φ。这两路信号具有90°相位差，使其分别与多通道的超声阵列回波信号
Figure BDA0002141945890000053
相乘，得到p组调制信号Ii′(t)和Qi′(t)。
Ii′(t)＝ui(t)·2 sin(2πf0t+φ)
＝aig(t-ti)cos(2πf0(t-ti)+φi)·2 sin(2πf0t+φ)，i＝1,2,…,P
Qi′(t)＝ui(t)·2 cos(2πf0t+φ)
＝aig(t-ti)cos(2πf0(t-ti)+φi)·2 cos(2πf0t+φ),i＝1,2,…，P
通过低通滤波器滤除频率为2f0的高频分量后，得到包含信号包络信息的一组正交低频信号，
Ii(t)＝aig(t-ti)cos(φi-φ-2πf0ti)，i＝1，2,…，P
Qi(t)＝-aig(t-ti)sin(φi-φ-2πf0ti)，i＝1，2，…，P
取两路正交信号信号的均方和根，即可得到阵列脉冲流信号xi(t)，
xi(t)＝aig(t-ti),i＝1,2,…,P
图3为阵列脉冲流正序合成示意图，合成后的超声阵列脉冲流信号可以表示为，
Figure BDA0002141945890000054
由于缺陷可能出现在被测材料的任意位置，若直接将多路信号合成为一路模拟信号，不可避免会造成信号混叠。因此需要在每一通道上增加延时量，以保证合成信号中每一通道信号的独立性。信号合成时以阵元从1到P顺序逐一合成，称为正序合成，则合成后的脉冲流信号改写为，
Figure BDA0002141945890000061
其中，
Figure BDA0002141945890000062
为延迟后阵列脉冲的时延，
Figure BDA0002141945890000063
为延迟参数。
Figure BDA0002141945890000064
分别为合成后信号中各个脉冲的幅值和时延参数，且满足条件t′1<t′2<…<t′i<…<t′P。
为了使信号满足FRI采样特性，对脉冲流x∑i(t)进行周期延拓，即：
Figure BDA0002141945890000065
信号
Figure BDA0002141945890000066
即为满足FRI稀疏采样的延时合成信号。
对于延迟时间
Figure BDA0002141945890000067
的确定，需要根据具体检测工况来考虑。参图4所示，阵列超声检测系统由超声传感器阵列与斜楔块组成。楔块倾角为θ，后端面垂直高度为h0，第1阵元中心与楔块斜面底端相距b，第P阵元与楔块斜面顶端相聚c，楔块底面长度为len。楔块前端面与缺陷水平距离为d，缺陷在试块中的深度为h，阵元间距为a。
设超声传感器阵列发射的超声波经过楔块入射到被测试件中，传感器阵列中阵元采用一发多收模式，即一个传感阵元发射，全部接收，一直到所有阵元发射结束为止。在对阵列探头的任一阵元进行激励后，所有阵元都接收到缺陷反射回波，1到P阵元接收的反射回波在楔块底面的入射角度分别为β1>β2>，…,>βP，在楔块中的折射角分别为α1>α2>，…，>αP。
根据图4几何关系，可以求得阵列中各阵元回波信号时延ti为，
Figure BDA0002141945890000068
其中，
Figure BDA0002141945890000069
为各阵元回波信号在试块中的声程，
Figure BDA00021419458900000610
为回波信号在楔块中部分的声程，Hi＝qi sinθ+h0为各阵元相对楔块底面的垂直高度，qi＝(i-1)a+b，
Figure BDA00021419458900000611
为声波在被测材料中的声速，
Figure BDA00021419458900000612
为声波在楔块中的声速。
从而得到各阵元回波脉冲的时延
Figure BDA00021419458900000613
在一次激励与接收循环中，各阵元接收到回波脉冲的时间差一般在ns级，其最大时间差为|Δtmax|＝max|ti-tj|，i，j＝1,2,…P,i≠j，因此在对超声阵列脉冲流信号进行合成前，需进行适当延时处理。
设回波脉冲的脉宽为tp，为了避免|Δtmax|<tp的情况，所以信号延迟最小单位量必须在|Δtmax|的基础上延长一个脉冲宽度，即：
Figure BDA0002141945890000071
各阵元接收回波以最小延迟单位量
Figure BDA0002141945890000072
的整数倍分别延时，可以确保信号合成后，前一个脉冲的结束点和后一个脉冲的起始点之间至少有一个|Δtmax|的间距，不产生混叠。
将阵列脉冲合成信号
Figure BDA0002141945890000073
送入采样核进行稀疏处理，得到采样核输出信号y(t)。若超声阵列脉冲流合成信号的时长为τ，则合成信号新息率为ρ＝2P/τ。对y(t)以信号新息率进行低速率等间隔采样，获得离散稀疏数据
Figure BDA0002141945890000074
N为采样点数，采样间隔
Figure BDA0002141945890000075
利用零化滤波器方法从稀疏数据
Figure BDA0002141945890000076
中估计得到阵列脉冲流合成信号
Figure BDA0002141945890000077
的幅值和时延参数
Figure BDA0002141945890000078
根据延迟合成规则，从
Figure BDA0002141945890000079
中逆推得到原阵列脉冲流信号
Figure BDA00021419458900000710
的幅值和时延参数，并重构信号
Figure BDA00021419458900000711
本发明的效果通过以下仿真试验进一步说明：
仿真参数如下：
仿真采用的超声阵列脉冲流信号模型为
Figure BDA00021419458900000712
ti为各阵元回波时延参数，ai为对应幅值参数。信号周期τ＝80μs，采样点数为68，高斯脉宽因子α＝(2.5MHz)2，延迟量单位tdelay＝3μs，阵元数P＝8，脉冲幅值ai＝[0.4634,0.3332,0.5756,0.7854,0.2367,0.5146,0.4578,0.2432]，脉冲时延ti＝[27.05,26.55,26.85,26.25,26.99,26.50,26.52,26.90,]μs
根据信号最大局部新息率，确定使用Elliptical-LPF逼近的采样核参数：
{fc＝350kHz,fs＝400kHz,ac＝3dB,as＝40dB}，采样核的阶次为7阶试验中在原超声阵列脉冲流信号中加入高斯白噪声，图5为SNR＝10dB条件下仿真超声阵列脉冲流采样与重构过程。
从试验结果看，该方法能对阵列超声信号进行稀疏采样并能精确恢复原信号时延和幅值信息。
实施例中的详细说明仅是针对本发明可行性实施方式的具体展示，并非用以限制本发明的保护范围。凡是未脱离本发明技艺精神的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种阵列超声信号稀疏采样方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、提取原始超声阵列回波信号
Figure FDA0003371540900000011
的脉冲流,形成阵列脉冲流信号
Figure FDA0003371540900000012
使阵列超声信号具有有限信息自由度，符合有限新息率采样的前提条件，并保留原阵列超声信号的特征信息参数，其中P为阵列中阵元个数；
S2、对阵列脉冲流信号
Figure FDA0003371540900000013
进行延迟合成处理，得到一路阵列脉冲流合成信号
Figure FDA0003371540900000014
所述步骤S2具体为：
在阵列信号每一通道上增加延时量，以保证合成信号中每一通道信号的独立性，避免造成信号混叠；信号合成时以阵元从1到P顺序逐一合成，称为正序合成，为使合成后的脉冲流信号便于进行FRI采样，对脉冲流进行周期延拓，得到便于FRI稀疏采样的延时阵列脉冲流合成信号
Figure FDA0003371540900000015
Figure FDA0003371540900000016
其中，
Figure FDA0003371540900000017
为延迟后阵列脉冲的时延，
Figure FDA0003371540900000018
为延迟参数，ti为各阵元回波信号时延；
Figure FDA0003371540900000019
分别为合成后信号中各个脉冲的幅值和时延参数，且满足条件t′1<t′2<…<t′i<…<t′P；
S3、把阵列脉冲流合成信号
Figure FDA00033715409000000110
送入采样核进行平滑处理，得到采样核输出信号y(t)；
S4、以信号新息率对y(t)进行等间隔采样，获得离散稀疏数据
Figure FDA00033715409000000111
N为采样点数，采样间隔
Figure FDA00033715409000000112
τ为信号时长；
S5、从离散稀疏数据
Figure FDA00033715409000000113
中进行参数估计，得到阵列脉冲流合成信号
Figure FDA00033715409000000114
的幅值参数
Figure FDA00033715409000000115
和时延参数
Figure FDA00033715409000000116
S6、根据延迟合成规则，从
Figure FDA00033715409000000117
中逆推得到原阵列脉冲流信号
Figure FDA00033715409000000118
的幅值和时延参数，并重构信号
Figure FDA00033715409000000119
2.根据权利要求1所述的阵列超声信号稀疏采样方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
从原始超声阵列回波信号中提取只包含回波脉冲时延、幅值及脉宽信息的脉冲流信号，使其具备FRI信号的时域稀疏特性；
取两路载波信号分别为2sin(2πf0t+φ)和2cos(2πf0t+φ)，两路载波信号的频率与阵列超声信号的中心频率f0一致，初相都为φ；这两路信号具有90°相位差，使其分别与多通道的超声阵列回波信号
Figure FDA0003371540900000021
相乘，分别得到两路p组调制信号Ii′(t)和Qi′(t)；对每个通道的两路信号分别平方相加，再对相加后信号进行平方根运算，从而得到具有稀疏特性对的阵列脉冲流信号
Figure FDA0003371540900000022
Figure FDA0003371540900000023
其中g(t)为高斯脉冲信号，i＝1,2,…,P。
3.根据权利要求1所述的阵列超声信号稀疏采样方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
所述延迟参数
Figure FDA0003371540900000024
由具体检测工况确定，可由声波在楔块及被测工件中的传播路径几何关系求得阵列中各阵元回波信号时延ti，在一次激励与接收循环中，各阵元接收到回波脉冲的最大时间差为|Δtmax|＝max|ti-tj|,i,j＝1,2,…P,i≠j；设回波脉冲的脉宽为tp，为了避免|Δtmax|<tp的情况，所以信号延迟最小单位量必须在|Δtmax|的基础上延长一个脉冲宽度，即：
Figure FDA0003371540900000025
各阵元接收回波以最小延迟单位量
Figure FDA0003371540900000026
的整数倍分别延时，可以确保信号合成后，前一个脉冲的结束点和后一个脉冲的起始点之间至少有一个|Δtmax|的间距，不产生混叠。
4.根据权利要求1所述的阵列超声信号稀疏采样方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
以高衰减特性去逼近采样核的理想频谱，实现采样核的频率筛选功能，从而筛选出信号重构所需的傅里叶系数，选用衰减特性较好的函数去逼近采样核传递函数，将阵列脉冲流合成信号
Figure FDA0003371540900000027
送入采样核s(t)进行平滑处理，得到采样核输出信号
Figure FDA0003371540900000028
5.根据权利要求1所述的阵列超声信号稀疏采样方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
所述等间隔采样速率，由采样核输出信号y(t)的新息率确定；采样核输出信号y(t)的信号时长为
Figure FDA0003371540900000031
t1为第一路通道回波到达时延，
Figure FDA0003371540900000032
为根据声场几何关系解算出的阵列信号合成延迟参数，y(t)的信号时长由一号阵元回波到达时延与多路通道合成的延迟参数共同组成；根据信号模型确定描述该信号的所需参数分别为脉冲幅值和脉冲时延，自由度为2，则信号的新息率ρ＝2P/τ，以新息率ρ对其进行低速率等间隔采样。
6.根据权利要求1所述的阵列超声信号稀疏采样方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：
用谱估计方法从离散系数数据
Figure FDA0003371540900000033
中进行参数估计，得到阵列脉冲流合成信号
Figure FDA0003371540900000034
的幅值和时延参数
Figure FDA0003371540900000035
其中N为采样点数，由信号新息率确定。
7.根据权利要求1所述的阵列超声信号稀疏采样方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：
根据阵列脉冲流信号的正序合成规则，信号合成时以阵元从1到P顺序逐一合成，合成信号各脉冲回波时延
Figure FDA0003371540900000036
原阵列信号各通道回波时延
Figure FDA0003371540900000037
与正序合成延迟参数
Figure FDA0003371540900000038
存在关系
Figure FDA0003371540900000039
根据关系式逆推求得每一通道的时延参数，由于幅值参数
Figure FDA00033715409000000310
在合成过程中没有被改变，所以根据估计出的幅值参数直接确定原阵列脉冲信号的幅值参数。
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