CN111399587A - 一种基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法及其系统，利用累加计数方法独立发生若干梯形波信号分量，而后进行叠加形成脉冲信号，具体为：将脉冲激励信号分解为若干正弦波，进一步各正弦波分解为若干梯形波分量，分别确定各梯形波分量的累加步进、幅值、初始值等基本参数；再利用累加器按累加步进进行不断累加，超出上限时舍弃高位，保留余数；数据累加过程分为6个阶段，将数据按阶段变换为梯形波数据；各梯形波分量叠加得到所需超声脉冲激励信号。本发明的合成方法简单，硬件实现成本低，可以输出频率、幅值以及初始相位可调的超声脉冲激励信号，同时大幅降低超声发射设备系统复杂性。

Description

一种基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法及其系统
技术领域
本发明属于超声无损检测技术领域，尤其是一种基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法及其波形产生系统。
背景技术
在超声相控阵成像检测系统中，通过控制阵列中各换能器发射超声脉冲信号的初始相位可以改变声束的传播方向，获得局部能量聚焦。为了提高成像系统的横向分辨率，减少伪像，在对某一焦点位置进行检测时，期望声场能量集中在焦点处，即声场主瓣突出，尽可能抑制旁瓣、栅瓣。为此，在超声检测系统中，对发射阵元的激励信号提出了更高的要求。包括：尽量削弱信号中的噪声成分；脉冲信号应具备合适的包络形式等等。当前，利用海宁窗等窗函数构成脉冲信号包络即是一种常见的激励信号形式，但利用这些窗函数调制的脉冲信号函数复杂，波形产生困难。目前超声脉冲激励信号的产生方法主要有三种。
第一种方法是利用专用脉冲信号发生器产生单电平或多电平数字脉冲信号，此类系统结构相对简单，但输出信号形式单一、粗糙，波形参数精度低，信号包含大量高次谐波，降低了系统的总体灵敏度。
第二种方法是采用直接数字信号合成(DDS)专用芯片，DDS芯片只能产生正弦波、方波等标准信号，输出信号形式单一，为了获得包络调制需要另外增加硬件电路。
第三种方法是ROM查表法。首先根据脉冲波形的数学表达式计算完整脉冲各相位点的取值，转换成定点数存放在ROM中。工作时利用相位累加器从ROM中顺序读出各相位点数据，通过DAC得到激励脉冲信号。此方法对系统资源有很高的要求，ROM数据表的存储深度决定了输出波形的精度，如果要得到高精度的输出波形需要一个非常庞大的ROM表格，消耗更多的资源。同时要实现脉冲信号幅值可调须另外增加模拟或数字乘法运算组件。不同的输出波形需要在ROM中存储不同的数据，波形发生的灵活性差。
上述三种方法在产生超声脉冲激励信号时都具有自身的缺点和局限性，因此设计一种简便易行的超声脉冲激励信号发生方法，对超声检测系统的设计和实现具有重要的意义。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提出了一种基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法及其波形产生系统，采用递归方式独立发生多个梯形波信号分量，所有分量叠加得到所需超声脉冲激励信号波形的方法，采用该方法能够输出频率、幅值以及初始相位可调的超声脉冲激励信号。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法，包括以下步骤：
步骤1，将超声脉冲激励信号分解为若干个正弦波分量，并确定各正弦波分量的参数；
步骤2，将每个正弦波分量分解为若干个梯形波分量，并确定各梯形波的频率、幅值、初始相位；
步骤3，根据各梯形波的频率、幅值和初始相位建立梯形波递归发生公式；
步骤4，利用梯形波递归发生公式分别对各梯形波分量进行递归运算，获得每个梯形波分量各采样点瞬时数据；
步骤5，将所有梯形波递归运算结果进行叠加并输入数字模拟转换器DAC中，得到超声脉冲激励信号。
进一步，步骤1中采用傅里叶变换将超声脉冲激励信号分解为若干个正弦波分量；
进一步，所述正弦波分量的参数包括频率ω、幅值A及初始相位
Figure BDA0002392616920000021
进一步，建立所述梯形波的递归发生公式的方法为：
u(i)＝mod[u(i-1)+Δu,Amax]
Figure BDA0002392616920000022
其中，u(i)为累加数据，st(i)为梯形波第i个采样点的瞬时数据，i为采样序号，i＞0；Amax为累加数据上限，Amax＝6At，At为梯形波幅值；Δu为u(i)的累加步进，
Figure BDA0002392616920000023
ωt为梯形波频率，ωc为合成系统采样频率；累加数据初始值为
Figure BDA0002392616920000024
Figure BDA0002392616920000025
为梯形波初始相位；mod(x,y)为求余函数，即得到x除以y的余数。
一种基于梯形波的超声脉冲激励信号的波形产生系统，包括依次连接的上位机、控制芯片、DAC转换芯片和低通滤波器，所述控制芯片内通过逻辑设置能够实现基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法，进而实现超声脉冲激励信号的递归运算及信号合成。
进一步，所述控制芯片内部为每一路梯形波配置一套递归式梯形波发生单元，每一套梯形波发生单元包括依次连接数据累加组件和梯形波变换组件；所述数据累加组件递归产生累加数据，梯形波变换组件将数据累加组件所产生的累加数据变换成梯形波数据；每个梯形波变换组件的输出连接加法组件，加法组件将所有梯形波变换组件产生的梯形波分量叠加得到所需的合成数据。
进一步，所述数据累加组件包括加法器、减法器、数据选择器和寄存器；加法器的输入端分别输入累加步进Δu和累加数据；加法器的输出端分别连接减法器和数据选择器的第1路数据输入端；减法器的输入端还输入锯齿波最大值Amax，减法器的运算结果输出端连接第2路数据选择器的数据输入端，同时减法器的借位状态输出同时接数据选择器的控制输入端，数据选择器的第3路数据输入端连接锯齿波初始数据u(0)输入，数据选择器的输出端连接寄存器的输入端，寄存器用以保存并输出累加运算的结果。
进一步，数据选择器根据系统工作使能和减法器输出的减法借位状态选择适当的数据，选择的规则为：
当系统运行使能无效时，选择第3路数据输入，即锯齿波初始数据u(0)；
当系统运行使能有效且减法器的减法运算中累加数据小于其最大值Amax时，选择第1路数据输入，即加法器的输出；
当系统运行使能有效且减法器的减法运算中累加数据大于其最大值Amax时，选择第2路数据输入，即减法器差值输出。
本发明的有益效果：
本发明根据不同的脉冲窗函数要求，将超声脉冲激励信号分解为若干个梯形波分量，提高了输出超声脉冲激励信号的多样性；根据确定各梯形波分量的参数，可以输出频率、幅值以及初始相位可调的超声脉冲激励信号，解决了超声脉冲激励信号发生灵活性差的问题；所有信号发生的基础是梯形波，因此发生过程中仅需要计数、限幅两类基本功能组件，大大降低了资源需求。
附图说明
图1为超声脉冲激励信号波形产生方法的流程图；
图2为本发明超声脉冲激励信号的波形产生系统框图；
图3为实施例的FPGA内部逻辑硬件描述程序结构框图；
图4为本发明数据累加组件结构框图；
图5为实施例的输出波形数据；
图中，1、数据累加组件，11、加法器，12、减法器，13、数据选择器，14、寄存器，2、梯形波变换组件，3、加法组件，4、输出组件。
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。
如图1所示的一种基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法，包括以下步骤：
步骤1，将超声脉冲激励信号分解为若干个正弦波分量，在本实施例中，根据不同的脉冲窗函数要求，将超声脉冲激励信号根据傅里叶级数分解为若干个正弦波分量，并确定各正弦波分量的参数，即正弦波分量的频率、幅值及初始相位。
步骤2，每个正弦波分量分解为若干梯形波分量，并确定各梯形波的频率、幅值、初始相位；脉冲窗函数指多周期脉冲信号波形包络的形状，不同的脉冲窗函数对应的包络形状不同，如多周期正弦波脉冲的幅值保持不变则称为矩形窗。在本实施例中采用的海宁窗脉冲初始正弦波幅值为0，逐渐增大至最大值，再逐渐减小至0，构成一个完整的多周期脉冲，如图5所示。海宁窗脉冲可分解为3个正弦波分量的叠加，各正弦波分量进一步分解为梯形波叠加形式。在此过程中可以确定脉冲信号各正弦波分量以及相应梯形波分量的各项参数。所述步骤2中正弦波分解为若干梯形波分量，具体如下：
设有标准梯形波st(ωtt+φt0)：
Figure BDA0002392616920000041
其中，ωt为梯形波角频率，
Figure BDA0002392616920000042
为梯形波初始相位，k为；
则正弦波可表示为：
Figure BDA0002392616920000051
其中，A为正弦波幅值，ω为频率，t为时间，φ0为初始相位，
Figure BDA0002392616920000052
为梯形波的幅值；同理，上式中各高频正弦分量亦可类似地表示为梯形波与更高次谐波的叠加；谐波幅度随次数增加不断降低，在保证精度的条件下，忽略影响小的高次分量，即可利用若干梯形波合成正弦波。
步骤3，根据各梯形波的频率、幅值和初始相位，建立梯形波
Figure BDA0002392616920000053
的递归发生公式：
u(i)＝mod[u(i-1)+Δu,Amax] (1)
Figure BDA0002392616920000054
其中，u(i)为累加数据，st(i)为梯形波第i个采样点的瞬时数据，i为采样序号，i＞0；Amax为累加数据上限，Amax＝6At，At为梯形波幅值；Δu为累加步进，
Figure BDA0002392616920000055
ωt为梯形波频率，ωc为合成系统采样频率；累加数据初始值为
Figure BDA0002392616920000056
Figure BDA0002392616920000057
为梯形波初始相位；mod(x,y)为求余函数，即得到x除以y的余数。
步骤4，利用梯形波递归发生公式进行递归运算，获得每个梯形波分量各采样点瞬时数据；
步骤5，将所有正弦波分量数据叠加并输入数字模拟转换器DAC中，得到超声脉冲激励信号。
为了实现本发明所提出的一种基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法，本发明还提出了一种基于梯形波的超声脉冲激励信号的波形产生系统，如图2所示，包括依次连接的上位机、控制芯片、DAC转换芯片和低通滤波器；在本实施例中，控制芯片选用现场可编程门阵列FPGA；DAC转换芯片选用12位数字模拟转换器；上位机通过数据通信把各项设置数据输入至FPGA控制芯片，FPGA控制芯片内通过逻辑设置能够实现基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法，进而实现超声脉冲激励信号的递归运算及信号合成。
如图3所示，在FPGA内部为每一路梯形波配置一套递归式梯形波发生单元，每一套梯形波发生单元包括数据累加组件1和梯形波变换组件2；数据累加组件1根据公式(1)递归产生累加数据，并将累加数据输入梯形波变换组件2；梯形波变换组件2按照公式(2)将数据累加组件1所产生的累加数据变换成梯形波数据；梯形波变换组件2将梯形波数据输入加法组件3，加法组件3将所有梯形波变换组件2产生的梯形波分量叠加得到所需的合成数据；加法组件3将合成数据输入输出组件4，输出组件4根据DAC转换芯片的实际分辨率截取合成数据的高位输出。
数据累加组件1的详细硬件描述如图4所示，数据累加组件1包括加法器11、减法器12、数据选择器13和寄存器14；其中，加法器11的输入端分别输入累加步进Δu和累加数据，实现数据按照步进量进行累加运算；加法器11的输出端分别连接减法器12和数据选择器13的第1路数据输入端；减法器12的输入端还输入锯齿波最大值Amax，减法器12用于得到累加数据与累加数据上限之差，它的运算结果输出端连接数据选择器13的第2路数据输入端，同时减法器12的借位状态输出同时接数据选择器13的控制输入端。选择器13的第3路数据输入端还输入锯齿波初始数据u(0)，选择器13的输出端连接寄存器14的输入端，选择器13根据系统工作使能和减法器12输出的减法借位状态选择适当的数据。寄存器14用以保存并输出累加运算的结果。
选择器13的工作规则如下：
当系统运行使能无效时，选择第3路数据输入初始数据，即锯齿波初始数据u(0)；
当系统运行使能有效且减法器12的减法运算中累加数据小于其最大值Amax时，选择第1路数据输入累加数据，即加法器11的输出；
当系统运行使能有效且减法器12的减法运算中累加数据大于其最大值Amax时，选择第2路数据输入减法器运算差值，即减法器12差值输出。
数据累加组件1工作参数包括累加步进Δu、累加数据上限Amax和初始数据u(0)，可分别根据公式进行折算。实施中，根据设计要求输出的超声脉冲激励信号为：
Figure BDA0002392616920000071
其中，uo为输出的超声脉冲激励信号，ω为载波频率。系统基准时钟频率采用100MHz，信号载波频率为5MHz，初始相位是0°。则可知输出信号包含3个频率分量：
Figure BDA0002392616920000072
Figure BDA0002392616920000073
Figure BDA0002392616920000074
进一步将上述正弦波分解为梯形波，实施中信号精度设置为0.2％，因此忽略25次以上梯形波分量，可得：
Figure BDA0002392616920000075
Figure BDA0002392616920000076
Figure BDA0002392616920000077
根据上述设计，FPGA系统中配置了24路梯形波发生单元，各递归式梯形波发生单元参数如下：
Figure BDA0002392616920000078
Figure BDA0002392616920000081
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 (8)

1.一种基于梯形波的超声脉冲激励信号的波形产生系统，其特征在于，包括依次连接的上位机、控制芯片、DAC转换芯片和低通滤波器，所述控制芯片内通过逻辑设置能够实现基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法，进而实现超声脉冲激励信号的递归运算及信号合成。
2.根据权利要求1所述的一种基于梯形波的超声脉冲激励信号的波形产生系统，其特征在于，所述控制芯片内部为每一路梯形波配置一套递归式梯形波发生单元，每一套梯形波发生单元包括依次连接数据累加组件(1)和梯形波变换组件(2)；所述数据累加组件(1)递归产生累加数据，梯形波变换组件(2)将数据累加组件(1)所产生的累加数据变换成梯形波数据；每个梯形波变换组件(2)的输出连接加法组件(3)，加法组件(3)将所有梯形波变换组件(2)产生的梯形波分量叠加得到所需的合成数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于梯形波的超声脉冲激励信号的波形产生系统，其特征在于，所述数据累加组件(1)包括加法器(11)、减法器(12)、数据选择器(13)和寄存器(14)；加法器(11)的输入端分别输入累加步进Δu和累加数据；加法器(11)的输出端分别连接减法器(12)和数据选择器(13)的第1路数据输入端；减法器(12)的输入端还输入锯齿波最大值Amax，减法器(12)的运算结果输出端连接第2路数据选择器(13)的数据输入端，同时减法器(12)的借位状态输出同时接数据选择器(13)的控制输入端，数据选择器(13)的第3路数据输入端连接锯齿波初始数据u(0)输入，数据选择器(13)的输出端连接寄存器(14)的输入端，寄存器(14)用以保存并输出累加运算的结果。
4.根据权利要求3所述的一种基于梯形波的超声脉冲激励信号的波形产生系统，其特征在于，数据选择器(13)根据系统工作使能和减法器(12)输出的减法借位状态选择适当的数据，选择的规则为：当系统运行使能无效时，选择第3路数据输入，即锯齿波初始数据u(0)；当系统运行使能有效且减法器(12)的减法运算中累加数据小于其最大值Amax时，选择第1路数据输入，即加法器(11)的输出；当系统运行使能有效且减法器(12)的减法运算中累加数据大于其最大值Amax时，选择第2路数据输入，即减法器(12)差值输出。
5.一种基于权利要求4所述基于梯形波的超声脉冲激励信号的波形产生系统的超声脉冲激励信号合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将超声脉冲激励信号分解为若干个正弦波分量，并确定各正弦波分量的参数；
步骤2，将每个正弦波分量分解为若干个梯形波分量，并确定各梯形波的频率、幅值、初始相位；
步骤3，根据各梯形波的频率、幅值和初始相位建立梯形波递归发生公式；
步骤4，利用梯形波递归发生公式分别对各梯形波分量进行递归运算，获得每个梯形波分量各采样点瞬时数据；
步骤5，将所有梯形波递归运算结果进行叠加并输入数字模拟转换器DAC中，得到超声脉冲激励信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法，其特征在于，所述步骤1中采用傅里叶变换将超声脉冲激励信号分解为若干个正弦波分量。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法，其特征在于，所述正弦波分量的参数包括频率ω、幅值A及初始相位
Figure FDA0002392616910000021
8.根据权利要求7所述的一种基于梯形波的超声脉冲激励信号合成方法，其特征在于，建立所述梯形波的递归发生公式的方法为：
u(i)＝mod[u(i-1)+Δu,Amax]
Figure FDA0002392616910000022
其中，u(i)为累加数据，st(i)为梯形波第i个采样点的瞬时数据，i为采样序号，i＞0；Amax为累加数据上限，Amax＝6At，At为梯形波幅值；Δu为u(i)的累加步进，
Figure FDA0002392616910000023
ωt为梯形波频率，ωc为合成系统采样频率；累加数据初始值为
Figure FDA0002392616910000024
Figure FDA0002392616910000025
为梯形波初始相位；mod(x,y)为求余函数，即得到x除以y的余数。
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