CN110736790A - 一种基于偏转调制的超声相控阵波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏转调制的相控阵波束形成方法，预先设计偏转调制范围和各偏转波数，并分别确定对于不同偏转波数各阵元所应具备的延迟时间；按预先设定的延迟时间对各阵元接收到的信号分别进行偏转延时处理；对行偏转延时处理的后的各偏转波数所对应的延迟采样数据进行偏转滤波，得到不同偏转角度对应的检测数据序列；利用主响应轴波数分量左右对称偏转调制结果的对称性，对偏转调制输出进行匹配滤波得到系统输出。本发明通过对超声相控阵接收系统阵列输出信号进行偏转调制、解调处理，获得主瓣更窄、旁瓣更低的阵列方向图。

Description

一种基于偏转调制的超声相控阵波束形成方法

技术领域

本发明属于超声相控阵成像检测中超声接收信号的处理，尤其涉及一种基于偏转调制的超声相控阵波束形成方法。

背景技术

传统阵列信号处理算法的设计即采用窗函数法、频率采样法、等纹波最优化法等FIR的经典设计方法实现。利用这些方法可以方便的设计出可行的阵列波数形成算法。在此基础上对每个阵元的输出信号引入适当的延时处理，可以实现信号在波数域上的平移，将不同中心波数的信号变换为0波数滤波，即：

式中：

为各阵元信号的延时权值。

利用传统阵列信号处理算法，系统设计过程简单，不依赖被测声场的先验信息，算法运算量小。但滤波效果收到阵元孔径的限制，以8阵元标准线阵为例，其主瓣角度半宽的正弦最小可达到约0.12。因此，传统阵列信号处理算法的横向分辨率较低，对干扰的抑制能力有限。

为了提高数据处理算法对干扰的抑制能力，可利用统计信号处理理论构成统计最优滤波器，即根据声场内待测信号、干扰信号和噪声的实际状况，设计最优权值，如MVDR算法可实现被测信号功率不变条件下输出总功率最小，从而保证了算法对干扰、噪声有最佳的抑制能力。但此类算法权值的设计依赖声场的先验知识，因此需要对声场进行多次采样检测，并对采样数据进行处理得到其统计特性，进而估计声场内待测信号、干扰和噪声的状况，在此基础上方可进一步实现最优权值的估计。可见，此类算法仅适用于声场在一段时间内相对稳定的情况，同时运算量大，难以工程实现。

上述方法在进行空间滤波的过程中都存在缺点和局限性，本发明即针对当前各种算法的缺陷，设计一种不依赖声场先验知识，运算量较小的算法，同时可获得更狭窄的主瓣。

发明内容

本发明根据现有技术中存在的问题，提出了一种基于偏转调制的相控阵波束形成方法，可以不依赖声场先验知识，运算量较小的算法，同时可获得更狭窄的主瓣，可提高超声波无损探伤应用中探测空间分辨率。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于偏转调制的相控阵波束形成方法，包括以下步骤：

S1，预先设计偏转调制范围和各偏转波数，并分别确定对于不同偏转波数各阵元所应具备的延迟时间；按预先设定的延迟时间对各阵元接收到的信号分别进行偏转延时处理；

S2，对行偏转延时处理的后的各偏转波数所对应的延迟采样数据进行偏转滤波，得到不同偏转角度对应的检测数据序列；

S3，利用主响应轴波数分量左右对称偏转调制结果的对称性，对偏转调制输出进行匹配滤波得到系统输出。

进一步，所述阵元采样通道配置1个延迟单元组，每个延迟单元组含m个延迟单元，分别对检测数据进行延迟处理，得到m个偏转波数的延迟数据；每个延迟单元对数据队列进行偏移、插值和抽取处理，实现1个偏转波数所须的数据延迟。

进一步，所述各阵元接收到的信号表示为：

采样数据序列：(D₀(l),D₁(l),…,D_n-1(l))，

其中，n为阵元通道数量，为第i路阵元采样通道的延迟单元组输入采样数据序列，l为采样序号，l＝0,1,…，...，n-1n-1，p_i为阵元位置，k为信号波数；

每个延迟单元对采样数据序列延迟处理后的输出数列为：

其中，τ_ij即第i路阵元通道的第j个延迟量，也就是第i路阵元检测数据的第j个偏转波数对应的延迟量；

通过对每个阵元采样通道数据进行偏转延时处理，得到了各偏转波数所对应的延迟采样数据，输出n×m数据序列：

其中，m为偏转波数数量。

进一步，所述偏转滤波的方法为：

将各延迟单元组同一偏转波数所对应的输出数据输入滤波单元，滤波单元将这些数据代入FIR求取其加权和，得到y_j(l)：

最终输出m维检测数据序列：(y₀(l),y₁(l),…,y_m-1(l))，其中，w_i为权重。

进一步，所述匹配滤波是将偏转滤波环节的输出序列对折后与自身逐个相乘并累加获得系统输出：

进一步，所述偏转波数的设定为：在主响应轴波数两侧，等间隔对称设置m个偏转角度，分别得到相应的m个偏转矢量：

i＝0,1,…,m-1

将所有偏转矢量可以组合表达为偏转调制矩阵形式

其中，

为各阵元信号在不同偏转波数条件下的延时权值，其中(k_j+k_c)p_i为第i路阵元通道的第j个延迟量τ_ij，p_i为第i路阵元位置，k_j为第j个偏转波数，k_c为主响应轴波数。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种通过对超声相控阵接收系统阵列输出信号进行偏转调制、解调处理，获得主瓣更窄、旁瓣更低的阵列方向图。本发明的方法简单，易于实现，与传统标准阵列相比，采用该方法可大幅降低主瓣宽度和旁瓣幅度，无需声波的先验性知识，可提高超声波无损探伤应用中探测空间分辨率。

附图说明

图1为算法实现系统结构框图；

图2为延迟单元结构框图；

图3为采用基本FIR算法的8阵元阵列响应；

图4为3个不同波数分量的8阵元阵列调制响应；

图5为8阵元阵列匹配滤波输出。

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用于解释本发明，并不用于限定本发明。

为了实现本发明所提出的一种基于偏转调制的超声相控阵波束形成方法，构造了阵列空间滤波器，如图1所示，系统硬件采用FPGA驱动高速ADC构成，利用硬件描述语言设计FPGA内部电路以实现偏转延迟、偏转滤波、匹配滤波等环节。系统基本结构参数为：声波介质为铝制板材，声速约为6260m/s，信号频率100kHz，波长0.0626m。阵列采用8个阵元的标准线阵，阵元间距设置为0.0313m，即信号波长的一半。系统采样率设为超声波信号频率的32倍，即3.2MHz。调制偏转波数数量为17，偏转角度正弦的调制范围为±1/5，各偏转波数所对应角度正弦分别为：-1/5，-7/40，-3/20，-1/8，-1/10，-3/40，-1/20，-1/40，0，1/40，1/20，3/40，1/10，1/8，3/20，7/40，1/5。

如图2，运行过程中，偏转延时环节输入n维采样数据序列(D₀(l),D₁(l),…,D_n-1(l))，n为阵元通道数量，l为采样序号，第i路阵元通道延迟单元组输入采样数据序列：

在本实施例中，FPGA经采样得到8个阵元的采样数据，将8路采样数据(D₀(l),D₁(l),…,D₇(l))送入偏转延迟环节。

每个延迟单元即实现对上述数据序列的延迟处理，其中第j个延迟单元得到输出：

其中，τ_ij即第i路阵元通道的第j个延迟量，也就是第i路阵元检测数据的第j个偏转波数对应的延迟量。

在本实施例中，偏转延时环节为各阵元通道分配1个包含16个信号延时单元的延迟单元组；共8个延迟单元组完成所有通道各种不同调制偏转波数要求下的信号延时处理。信号延时单元的实现结构见附图2所示。各阵元通道连续采样，采样结果D_i(l)存入数据队列D_i(-32)～D_i(32)中，队列深度为65，中间位置序号为0，向前、向后分别为正或负序号。各单元首先进行粗延迟操作，即以队列中间位置为基准，向前或向后进行地址偏移，取出相邻的两个采样数据。在两个粗延迟数据之间进行32等分插值计算得到细延时结果。

对于偏转角度θ，可得第i个阵元的延迟时间为：

根据采样率设置，延迟量可表示为采样数据的偏移量：

Δ＝16×(i-3.5)sinθ (4)

其中：f为超声波信号频率，Δ的整数部分即为粗延迟量，也就是采样数据序列的偏移量，Δ的小数部分对应细延迟量，放大32倍即得到32等分插值计算后的抽取偏移量，则相应偏转调制延迟量可计算如下：

如此偏转延时环节对每个阵元通道数据进行处理，得到了各偏转波数所对应的延迟采样数据，输出8×17数据序列：：

偏转滤波环节包含17个滤波单元，每个滤波单元获得各通道同一偏移角度相对应的延迟输出

对各通道的输出数据取和，得到采样时刻l的17个偏转调制数据y₀(l)～y₁₆(l)。

匹配滤波环节将第i个偏转波数的调制输出与第16-i个偏转波数的调制输出相乘，并将所有乘积累加求和，得到系统最终输出。第l次采样输出即：

超声波无损探伤的基本原理就是利用适当的超声波发生装置向某一方向发射一束超声波，当传播过程中遇到缺陷时超声波将被缺陷表面反射回发射端。发射端利用适当的装置(换能器)接收反射回波，利用回波的强度确定缺陷的大小，回波时间则说明了缺陷的空间位置。相控阵超声波无损探伤则在此基础上摈弃了老式的机械扫描装置，改用多个阵元构成换能器阵列，通过控制阵元发射、接收信号的延迟实现超声波束的方向偏移和聚焦。简单说就是，在发射端各换能器在不同的时刻发出超声波脉冲，所有换能器输出的波场相互叠加，使得能量集中在某一特定方向。接收端与之相似，所有阵元同步接收信号，但对收到的信号按一定规律分别进行相应的延迟操作，这样物理上看来自某一特定方向的超声波束先后到达各阵元，但延迟后则将它们到达的时刻对齐了，而后再简单叠加所有换能器接收数据，如此，具有相同相位的信号将相互增强，而相位不同的信号则会相互抵消，从而使得特定方向的超声波信号得到较强的响应，而抑制了其他方向的信号。这个过程可以看做是一个空间(有限冲激响应滤波器)FIR。

利用这样的方式实现的空间滤波即经典滤波算法。该算法须解决的主要问题和矛盾是：阵元间距是受限的，阵列不能过于稀疏，同时阵列整体尺寸越大滤波的效果越好，也就是说系统对所谓特定方向的信号响应强，而稍稍偏离期望方向的信号都会被尽可能彻底地抑制，如此在探伤过程中不会受到探测方向以外其它损伤的干扰。通常利用“方向图”描述系统这一基本特性，说明书中附图3即说明了经典滤波方法的方向图。

附图4给出了本发明线阵列系统对3个不同的波数分量的调制响应，1#为主响应轴分量，2#响应为0.1π/d波数分量，3#为-0.15π/d波数分量，其中d为阵元间距。从附图2容易看出，系统对2#和3#波数分量的调制响应不存在左右对称的特征，只有主响应轴对应的1#波数分量的调制响应左右对称。

如图5，本发明8阵元阵列匹配滤波输出由于不具备左右对称的特性，非主响应轴方向的波数分量将被大幅抑制，而主响应轴波数分量则可以得到较高的增益，不同波数分量的匹配滤波输出可参见附图5所示。本发明的方法系统对不同波数分量的滤波效果得到明显改善，其主瓣角度半宽的正弦仅为约0.067，降至约基本FIR算法的一半。

本发明的核心就是利用适当的算法，在阵元相对较少的条件下获得更优良的滤波效果，当然其代价是需要较强的数据处理能力，但对于探测系统体积、工艺等方面存在限制的应用场合这样的代价是值得的。同时，根据发明所提供的实施例，8阵元系统所需增加的主要代价是9个乘法器，对于当前市场上的大多数FPGA，此项代价是可满足的。因此本发明具备可行性和实用价值。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于偏转调制的相控阵波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，预先设计偏转调制范围和各偏转波数，并分别确定对于不同偏转波数各阵元所应具备的延迟时间；按预先设定的延迟时间对各阵元接收到的信号分别进行偏转延时处理；

S2，对经偏转延时处理后的各偏转波数所对应的延迟采样数据进行偏转滤波，得到不同偏转波数对应的检测数据序列；

S3，利用主响应轴波数分量左右对称偏转调制结果的对称性，对偏转调制输出进行匹配滤波得到系统输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏转调制的相控阵波束形成方法，其特征在于，所述阵元采样通道配置1个延迟单元组，每个延迟单元组含m个延迟单元，分别对检测数据进行延迟处理，得到m个偏转波数的延迟数据；每个延迟单元对数据队列进行偏移、插值和抽取处理，实现1个偏转波数所须的数据延迟。

3.根据权利要求2所述的一种基于偏转调制的相控阵波束形成方法，其特征在于，所述各阵元接收到的信号表示为：

采样数据序列：(D₀(l),D₁(l),…,D_n-1(l))，

其中，n为阵元通道数量，

为第i路阵元采样通道的延迟单元组输入采样数据序列，l为采样序号，l＝0,1,…，n-1，p_i为阵元位置，k为信号波数；

每个延迟单元对采样数据序列延迟处理后的输出数列为：

其中，τ_ij即第i路阵元通道的第j个延迟量，也就是第i路阵元检测数据的第j个偏转波数对应的延迟量。

通过对每个阵元采样通道数据进行偏转延时处理，得到了各偏转波数所对应的延迟采样数据。

4.根据权利要求3所述的一种基于偏转调制的相控阵波束形成方法，其特征在于，所述偏转滤波的方法为：

将各延迟单元组同一偏转波数所对应的输出数据输入滤波单元，滤波单元将这些数据代入FIR求取其加权和，得到y_j(l)：

最终输出m维检测数据序列：(y₀(l),y₁(l),…,y_m-1(l))，其中，w_i为权重。

5.根据权利要求4所述的一种基于偏转调制的相控阵波束形成方法，其特征在于，所述匹配滤波是将偏转滤波环节的输出序列对折后与自身逐个相乘并累加获得系统输出：

6.根据权利要求2所述的一种基于偏转调制的相控阵波束形成方法，其特征在于，所述偏转波数的设定为：在主响应轴波数两侧，等间隔对称设置m个偏转角度，分别得到相应的m个偏转矢量：

将所有偏转矢量可以组合表达为偏转调制矩阵形式

其中，

为各阵元信号的延时权值，p_i为阵元位置，k_i为信号波数，k_c为主响应轴波数。

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