CN111130513B - 一种基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成方法及电路，该方法包括：产生编码激励信号c(t)，经功率放大后激励超声换能器发射编码超声信号e(t)，并通过回波接收电路得到编码超声回波信号r(t)；提取编码超声回波信号r(t)的二阶矩s(t)；将二阶矩信号s(t)转换成高阶矩信号h(t)；对高阶矩信号h(t)进行增益调整，得到编码超声回波信号脉冲流p(t)。该方法实现电路包括编码产生与激励电路、回波接收电路、二阶矩提取电路、高阶矩转换电路以及增益调整电路。本发明采用模拟电路实时获取编码超声回波信号的高阶矩脉冲流，同时该信号具有高信噪比，低旁瓣的特性，能够有效提高检测范围和缺陷检测时的距离分辨率。
Description
技术领域
本发明属于超声检测技术领域，涉及一种基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成方法及电路。
背景技术
超声检测是一种重要的无损检测手段，目前的超声信号激励形式可分为脉冲激励形式与编码激励形式。脉冲激励产生方式简单，易于调节，但激励脉冲的幅值就决定了始波的峰值声功率，而在医学与声波高衰减材料的检测中发射能量不能无限制的增大，因此往往会造成峰值声功率已经接近上限而平均声功率仍然较低。平均声功率由脉冲宽度决定，提高平均声功率需要增加脉冲宽度，这会导致距离分辨率的降低。因此传统的单脉冲激励在提高平均声功率与提高距离分辨率上存在着一定的矛盾。编码激励形式使用一组连续的编码序列替代单脉冲激励宽带超声换能器，激励持续时间大于单脉冲的脉冲宽度，提高了平均声功率，进行脉冲压缩后可以得到与单脉冲宽度接近但幅值更大的压缩脉冲，从而提高信噪比与距离分辨率。
现有的脉冲压缩方法按类型可分为匹配滤波法与失配滤波法，按器件可分为模拟脉冲压缩与数字脉冲压缩。匹配滤波就相当于对信号进行自相关运算，简单且易于实现，但编码超声信号经过匹配滤波的结果往往不满足对旁瓣水平的要求；失配滤波器有逆滤波器、维纳滤波器、尖峰滤波器等，失配滤波可实现旁瓣抑制，但会造成主瓣宽度增加和主瓣幅值的损失，导致距离分辨率和信噪比的降低，滤波器设计也更为复杂，需要通过较为复杂的数字信号处理算法才能实现，难以实时实现编码超声信号的时域压缩。
有限新息率(Finite Rate of Innovation,FRI)采样是一种不同于传统奈奎斯特采样的新型信号采样理论，FRI信号是指可以由有限个信息自由度进行表示的信号，其在单位时间内的自由度称为信号的新息率(Rate of Innovation,ROI)。FRI采样理论指出，选择合适的FRI采样核对FRI信号进行处理后，以不低于FRI信号新息率ROI值的采样速率对FRI采样核输出信号进行等间隔采样得到稀疏采样数据，从稀疏采样数据中能够准确估计出被采样信号的关键参数。通常FRI信号的ROI值远低于奈奎斯特采样频率，即实现了FRI信号的稀疏采样。其特点是以信号新息率为最低不失真采样速率，能够有效解决高频、超宽带以及多传感器阵列和长时间大范围超声检测场合中因采集数据量过大造成数据存储和实时处理困难这一问题。
FRI采样理论最初被提出时针对四种典型的FRI信号，分别是狄拉克流信号、微分狄拉克流信号、非均匀样条以及分段多项式信号，在后续的研究当中，分段正弦波信号与已知形状的脉冲信号也被纳入到可FRI采样的信号种类当中。单脉冲激励形式的超声信号可以在保留关键特征参数的前提下变换成为满足FRI采样要求的脉冲流信号，从而实现了超声信号与FRI采样理论的结合。但编码超声信号不属于FRI信号，不具备FRI信号的特性，不满足直接进行FRI稀疏采样的条件。
发明内容
针对上述技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成方法及电路，采用模拟电路实时获取编码超声信号的高阶矩脉冲流，将编码超声信号变换成为可用有限个主瓣峰值Phl与有限个主瓣峰值时刻thl进行表示的有限新息率信号，便于后续对编码超声回波信号进行有限新息率稀疏采样。并且高阶矩脉冲流具有更高的主瓣幅值、更窄的主瓣宽度与更低的距离旁瓣水平，在保持编码超声信号高平均声功率这一优势的同时有效提高距离分辨率。
实现本发明方法的技术方案如下：
S1、产生编码激励信号c(t)，经功率放大后激励超声换能器发射编码超声信号e(t)，并通过回波接收电路得到编码超声回波信号r(t)；
S2、提取编码超声回波信号r(t)的二阶矩s(t)；
S3、将二阶矩信号s(t)转换成高阶矩信号h(t)；
S4、对高阶矩信号h(t)进行增益调整，得到编码超声回波信号脉冲流p(t)。
步骤S1具体为：由数字芯片产生编码激励信号c(t)，经功率放大后激励超声换能器产生编码超声信号e(t)，经过被测物体反射后的回波信号再经回波接收电路处理后得到回波信号r(t)。
其中，c(t)采用二进制编码方式，逻辑0和1分别代表不同频率的三角函数信号，三角函数信号由矩形时间窗截断，二进制编码位数K和窗函数宽度tk的乘积决定编码信号的总时长L＝K×tk，而总时长L由缺陷检测时距离分辨率要求确定。
二进制频率编码信号c(t)为：
其中，K为二进制编码位数，K∈Z+，G(t-kτ)是长度为τ的矩形窗函数，且/>ωi为三角函数基频，m为谐波阶数，m∈Z+，E为常数。
步骤S2具体为：对编码超声回波信号r(t)提取二阶矩，其二阶矩信号s(t)获取公式为：
其中，t0为时移，T为积分周期。
步骤S3具体为：将二阶矩信号s(t)接入四象限乘法电路进行乘法运算，四象限乘法电路可逐级串联，串联级数由高阶矩的阶数决定，每串联一级阶次按2的整数幂提升，得到高阶矩信号h(t)＝s2n(t)，n∈Z+。
此时，获取的高阶矩信号h(t)可由有限个主瓣峰值Phl与主瓣峰值时刻thl表征，当回波个数为l时，该信号信息自由度为2l，具有有限新息率信号的特征。
步骤S4的目的是为了调整增益，为后续处理电路进行电平的匹配，得到编码超声回波信号脉冲流p(t)＝F·h(t)，其中，F为增益值。
本发明所述的基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成电路，主要包括编码产生与激励电路、回波接收电路、二阶矩提取电路、高阶矩转换电路以及增益调整电路。其中，编码产生与激励电路主要用于产生二进制编码，并将其功率放大到足以激励超声换能器；回波接收电路主要用于阻抗匹配并对目标体反射的弱信号进行放大与滤波去噪；二阶矩提取电路主要用于得到回波信号的二阶矩；高阶矩转换电路主要用于获取回波信号的高阶矩；增益调整电路主要用于获取电平与后续电路匹配的脉冲流信号。
所述编码产生与激励电路可根据编码规则产生二进制编码激励信号c(t)，并将二进制编码激励信号c(t)的电压与电流进行放大，输出高能激励信号W·c(t)激励超声换能器产生编码超声信号e(t)，其中W为功率放大增益。
所述的回波接收电路采用两个限幅二极管进行反向并联，起到限制高压信号、保护后续电路的作用；采用运算放大器及其外围电路构成同相放大器，利用同相放大器高输入阻抗的特点进行阻抗匹配，同时反馈电阻阻值可调，可对回波信号进行前置放大；采用运算放大器及其外围电路构成二阶带通滤波器，用于回波信号的滤波去噪。
所述二阶矩提取电路采用运算放大器及其外围电路构成二阶低通滤波器，利用该低通滤波器群延时较大的特点对其中一路回波信号进行延时；采用四象限乘法器及其外围电路构成四象限乘法电路，将回波信号与延时信号进行乘法运算，乘法器输出端接地电阻阻值可调，可对乘法器输出信号的幅值进行适当调整；采用运算放大器及其外围电路构成积分电路，将乘法器输出信号进行积分运算即得到回波信号的二阶矩s(t)。
所述高阶矩转换电路采用四象限乘法器及其外围电路构成多组四象限乘法电路，四象限乘法电路可逐级串联，串联级数由高阶矩的阶数决定，每串联一级阶次按2的整数幂提升，得到高阶矩信号h(t)＝s2n(t)，n∈Z+。
所述增益调整电路采用运算放大器及其外围电路构成同相放大器，反馈电阻阻值可调，对高阶矩信号h(t)进行增益调整，为后续处理电路进行电平的匹配，得到编码超声回波信号脉冲流p(t)＝F·h(t)，其中，F为增益值。
本发明具有以下有益的效果：基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成方法，不同于常用的匹配滤波脉冲压缩方法与失配滤波脉冲压缩方法，本发明的优点在于通过硬件电路提取编码超声信号的高阶矩即实时实现了编码超声信号的时域压缩，准确提取表征编码超声信号的幅值与波达时刻参数，硬件电路结构简单且易于实现，将编码超声信号实时转换成为可用有限个信息自由度进行表示的高阶矩脉冲流信号，具备有限新息率信号的特征，可使用有限新息率采样理论对其进行稀疏采样，并且在保持编码超声信号高平均声功率这一优势的同时有效提高了编码超声信号的距离分辨率。
该发明采用模拟电路实时获取编码超声信号的高阶矩脉冲流，将编码超声信号变换成为有限新息率信号，便于后续对编码超声回波信号进行有限新息率稀疏采样，同时所形成的高阶矩脉冲流信号具有高信噪比，低旁瓣水平的特性，可有效提高检测范围和距离分辨率。
附图说明
图1为本发明方法流程框图
图2为本发明实施例中基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成电路总体原理框图
图3为本发明实施例中实际测得的原始四位二进制频率编码超声信号0101
图4为本发明实施例中回波接收电路原理图
图5为本发明实施例中二阶矩提取电路原理图
图6为本发明实施例中提取到的编码超声回波信号二阶矩
图7为本发明实施例中高阶矩转换电路原理图
图8为本发明实施例中实际电路提取到的编码超声回波信号高阶矩；(a)为四阶矩；(b)为十二阶矩；
图9为本发明实施例中增益调整电路原理图
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，实施例中的相关元件的型号、数目、形状、尺寸等参数在具体实施环境中可进行改变。
图2为本发明实施例中基于高阶矩的编码超声信号脉冲形成电路总体原理框图。脉冲流形成电路以数个运放AD847及其外围电路组成回波接收电路，具有阻抗匹配、前置放大与带通滤波去噪的功能；以延时电路、四象限乘法电路与积分电路组成二阶矩提取电路，得到编码超声回波信号r(t)的二阶矩s(t)；以多组四象限乘法电路组成高阶矩转换电路，进一步提取编码超声回波信号的高阶矩h(t)；以运放AD847及其外围电路组成增益调整电路，对高阶矩信号h(t)进行增益调整，得到高阶矩脉冲流信号p(t)。脉冲流形成电路接受±5V直流电压源供电。
图3为本发明实施例中回波接收电路实际接收到的四位二进制频率编码超声信号0101，被测试件为铝合金试块，厚度为20mm，实施例中采用二进制频率编码作为编码激励形式，编码激励信号的时域表达式c(t)为：
其中，K为编码位数，G(t-kτ)是长度为τ的矩形窗函数，并且Sa()函数为抽样函数，/> 与/>均为0或1的逻辑值，由控制芯片给出，并且/>与不同时为1，即/> 是基频为ω的方波信号傅里叶三角函数展开式，ω1与ω2即由/>与/>进行控制，构成二进制频率编码中的低频码元“0”与高频码元“1”，为了便捷，可设τ1＝2τ2，ω2＝2ω1，即高频码元的两个周期长度等于低频码元的一个周期长度，以保持不同编码形式的信号总长度不变；同时，为了使低频码元与高频码元相对于超声换能器的中心频率ω0对称，使低频码元与高频码元获得相接近的激励效果，可取/>E为电源电路提供的直流电压幅值，在本实施例中取E＝±5V。二进制编码激励信号的频域表达式C(ω)为：
本实施例中超声换能器中心频率ω0＝5MHz，带宽4MHz，设超声换能器的时域响应模型为：
其中，β为幅值系数，γ为脉宽系数，ω0为超声换能器中心频率，/>为初相位。则其频域响应模型A(ω)为：
根据e(t)＝W·c(t)*a(t)与E(ω)＝W·C(ω)·A(ω)得到二进制频率编码超声信号的时域表达式e(t)与频域表达式E(ω)：
其中W为功率放大增益，编码超声回波信号r(t)可视为编码超声信号e(t)在被测物体传播过程中经过反射衰减后由回波接收电路得到的反射回波信号，即有：
r(t)＝β′·e(t)
其中β′为反射衰减系数。从图3中可以看出，此时原始的四位二进制频率编码超声信号回波峰值在±1V左右，回波振荡持续时间达到3μs左右，以铝合金中声速约为6000m/s进行计算，则此时编码超声信号的距离分辨率仅在18mm左右。
图4为本发明实施例中回波接收电路原理图，超声换能器通过BNC接头与回波接收电路连接，两个1N4148二极管反向并联构成双向限幅电路，起到限制高压信号、保护后续电路的作用。由运放AD847及其外围电路组成同相放大器对编码超声回波信号进行前置放大，放大倍数可调，同时起到阻抗匹配的作用。之后由运放AD847及其外围电路组成2阶巴特沃斯带通滤波器，通带中心频率5MHz，通带带宽6MHZ，通带衰减-3dB，阻带衰减-60dB，起到去除噪声干扰的作用。
图5为本发明实施例中二阶矩提取电路原理图，包括延时电路、四象限乘法电路与积分电路。二阶矩提取电路的输入输出关系为：
其中，t0为对r(t)进行延时的延时量，s(t)即为r(t)的二阶矩。并且由于r(t)为有限长信号，s(t)在t0时刻取得最大值，在t0时刻前呈上升趋势，在t0时刻后呈下降趋势。由运放AD847及其外围电路构成二阶贝塞尔低通滤波器作为延时电路，通带截止频率10MHz，通带衰减-1dB，阻带衰减-40dB，利用贝塞尔滤波器整体群延时较大的特性，可对一路编码超声回波信号r(t)进行数百纳秒的延时。由四象限乘法器AD835及其外围电路构成四象限乘法电路，两个输入端分别接入r(t)与r(t-t0)，四象限乘法电路输出接入由运放AD847及其外围电路构成的积分电路，积分电路输出即为编码超声回波信号r(t)的二阶矩s(t)。根据维纳-辛钦定理，编码超声信号的二阶矩为其功率谱的傅里叶逆变换，即编码超声回波信号二阶矩的峰值与编码超声回波信号的时域波形无关，仅与其能量值有关，提取二阶矩即提取了编码超声回波信号的能量特征，体现了编码超声信号高平均声功率的优势。图6为四位二进制频率编码超声信号0101的二阶矩提取结果。
图7为本发明实施例中高阶矩转换电路原理图，由若干组四象限乘法器AD835及其外围电路构成。四象限乘法电路可逐级串联，串联级数由高阶矩的阶数决定，每串联一级阶次按2的整数幂提升，得到高阶矩信号h(t)＝s2n(t)，n∈Z+，并且各级乘法器输出端接地电阻阻值可调，可对乘法器输出信号的幅值进行适当调整。图8为对二进制频率编码超声信号0101进行高阶矩运算的结果，其中，(a)为四位二进制频率编码超声信号0101的四阶矩，即p(t)＝s2(t)，(b)为四位二进制频率编码超声信号0101的十二阶矩，即p(t)＝s6(t)，从中可以看出，阶次越高，n值越大、则编码超声信号的高阶矩p(t)越接近于理想单脉冲。从(b)中可以看出，此时十二阶矩的回波幅值达到+2.5V左右，脉冲宽度约为100ns，则此时的距离分辨率达到0.5mm，相比于原始编码超声回波信号r(t)，高阶矩p(t)具有更高的回波幅值与更窄的脉冲宽度，即在突显编码超声信号高平均声功率优势的同时有效提高了距离分辨率。并且高阶矩信号h(t)可用有限个主瓣峰值Phl与主瓣峰值时刻thl作为信息自由度进行表示，其中l为回波个数，高阶矩信号h(t)具有有限新息率信号的特征。
图9为本发明实施例中增益调整电路的电路原理图，由运放AD847及其外围电路组成同相放大电路，放大倍数可通过调节反馈电阻的阻值来改变，实现编码超声高阶矩脉冲流信号p(t)的增益可调。在实际的超声检测场合中，可能会由于检测环境较为复杂、被测试件声阻抗较大等原因导致实际接收到的编码超声回波信号较为微弱，进行高阶矩转换之后高阶矩p(t)的回波幅值仍不能被突显出来。因此，需要对p(t)进行增益调整，得到编码超声脉冲流信号p(t)＝K·h(t)，其中，增益值K可根据实际情况进行适当调整。
实施例中的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 (9)
1.一种基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、产生编码激励信号c(t)，经功率放大后激励超声换能器发射编码超声信号e(t)，并通过回波接收电路得到编码超声回波信号r(t)；
S2、提取编码超声回波信号r(t)的二阶矩s(t)；
S3、将二阶矩信号s(t)转换成高阶矩信号h(t)；
所述步骤S3具体为：
将二阶矩信号s(t)接入四象限乘法电路进行乘法运算，四象限乘法电路可逐级串联，串联级数由高阶矩的阶数决定，每串联一级阶次按2的整数幂提升，得到高阶矩信号h(t)＝s2n(t)，n∈Z+；
此时，获取的高阶矩信号h(t)由有限个主瓣峰值Phl与主瓣峰值时刻thl表征，当回波个数为l时，该信号信息自由度为2l，具有有限新息率信号的特征；
S4、对高阶矩信号h(t)进行增益调整，得到编码超声回波信号脉冲流p(t)。
2.根据权利要求1所述的基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
由数字芯片产生编码激励信号c(t)，经功率放大后激励超声换能器产生编码超声信号e(t)，经过被测物体反射后的回波信号再经回波接收电路处理后得到回波信号r(t)；
其中，c(t)采用二进制编码方式，逻辑0和1分别代表不同频率的三角函数信号，三角函数信号由矩形时间窗截断，二进制编码位数K和窗函数宽度tk的乘积决定编码信号的总时长L＝K×tk，而总时长L由缺陷检测时距离分辨率要求确定；
二进制频率编码信号c(t)为：
其中，K为二进制编码位数，K∈Z+，G(t-kτ)是长度为τ的矩形窗函数， 且/>ωi为三角函数基频，m为谐波阶数，m∈Z+，E为常数。
3.根据权利要求1所述的基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
对编码超声回波信号r(t)提取二阶矩，其二阶矩信号s(t)获取公式为：
其中，t0为时移，T为积分周期。
4.根据权利要求1所述的基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成方法，其特征在于，所述步骤S4的目的是为了调整增益，为后续处理电路进行电平的匹配，得到编码超声回波信号脉冲流p(t)＝F·h(t)，其中，F为增益值。
5.一种根据权利要求1所述方法的基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成电路，其特征在于，包括依次串联的编码产生与激励电路、回波接收电路、二阶矩提取电路、高阶矩转换电路以及增益调整电路；其中，编码产生与激励电路用于产生二进制编码，并将其功率放大到足以激励超声换能器；回波接收电路用于阻抗匹配并对目标体反射的弱信号进行前置放大与滤波去噪；二阶矩提取电路用于得到回波信号的二阶矩；高阶矩转换电路用于获取回波信号的高阶矩；增益调整电路用于获取电平与后续电路匹配的脉冲流信号。
6.根据权利要求5所述的基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成电路，其特征在于，所述编码产生与激励电路可根据编码规则产生二进制编码激励信号c(t)，并将二进制编码激励信号c(t)的电压与电流进行放大，输出高能激励信号W·c(t)激励超声换能器产生编码超声信号e(t)，其中W为功率放大增益。
7.根据权利要求5所述的基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成电路，其特征在于，所述的回波接收电路采用两个限幅二极管进行反向并联，限制高压信号、保护后续电路；采用运算放大器及其外围电路构成同相放大器，利用同相放大器高输入阻抗的特点进行阻抗匹配，同时反馈电阻阻值可调，对回波信号进行前置放大；采用运算放大器及其外围电路构成二阶巴特沃斯带通滤波器，用于回波信号的滤波去噪。
8.根据权利要求5所述的基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成电路，其特征在于，所述二阶矩提取电路采用运算放大器及其外围电路构成一阶低通滤波器，利用该低通滤波器群延时较大的特点对其中一路回波信号r(t)进行延时；采用四象限乘法器及其外围电路构成四象限乘法电路，将回波信号r(t)与延时信号r(t-t0)进行乘法运算，乘法器输出端接地电阻阻值可调，可对乘法器输出信号的幅值进行适当调整；采用运算放大器及其外围电路构成积分电路，将乘法器输出信号进行积分运算即得到回波信号的二阶矩s(t)。
9.根据权利要求5所述的基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成电路，其特征在于，所述高阶矩转换电路采用四象限乘法器及其外围电路构成多组四象限乘法电路，四象限乘法电路可逐级串联，串联级数由高阶矩的阶数决定，每串联一级阶次按2的整数幂提升，得到高阶矩信号h(t)＝s2n(t)，n∈Z+；
所述增益调整电路采用运算放大器及其外围电路构成同相放大器，反馈电阻阻值可调，对高阶矩信号h(t)进行增益调整，为后续处理电路进行电平的匹配，得到编码超声回波信号脉冲流p(t)＝F·h(t)，其中，F为增益值。
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