CN111505648A - 一种空间编码超声阵列超快探测与定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间编码超声阵列超快探测与定位系统及方法，首先以不同间距排布的N个超声传感器阵元形成空间编码超声探头阵列，且任意两相邻和不相邻阵元的间距都不相同；然后同时激励传感器阵列各阵元产生N个向四周传播的超声波脉冲，从而在不同方向上产生具有不同时间间隔Δti＝di×cosθ/c排布的脉冲序列Pθ，其中c为超声波传播速度。某一方向上传播的超声波遇到探测目标反射形成与该入射波具有相同编码的脉冲序列回波，并被超声传感器阵列接收作为回波信号，最后将接收到的信号与不同方向的入射波信号进行相关计算，根据相关峰值出现的时间和入射波方向，即可获得回波信号的距离和方向信息，从而实现单个测量信号即可实现对目标进行超快探测和定位。

Description

一种空间编码超声阵列超快探测与定位系统及方法
技术领域
本发明涉及探测与定位技术领域，具体涉及一种空间编码超声阵列超快探测与定位系统及方法。
背景技术
相控阵超声检测方法在水下探测、工业无损检测和医学超声成像中获得广泛应用。传统的相控阵超声检测方法通常采用线性扫描，多次超声聚焦发射才能获得一副完整的图像，并实现被测目标的检测和定位。但随着对水下高速运动目标实时探测及追踪、对快速运动物体内部缺陷进行在线检测等需求的出现，每秒需要几十甚至成百上千帧图像的刷新，这对相控阵超声检测及成像速度提出了更高的要求。基于平面波的超声成像方法是目前主要的超快阵列超声成像方法，该方法超声换能器阵列均匀布置并同时激励产生平面波，通过阵列换能器同时接收回波信号，一次激发和接收即能获得完整的超声图像。但该方法基于准直平面波，波束角度小，一次检测覆盖的区域较小，仅集中在探头阵列正下方区域。
发明内容
本发明的目的是提出一种空间编码超声阵列超快探测与定位方法和系统，同时激发非均匀超声阵列产生发散的多脉冲超声序列，利用空间匹配滤波，通过一次激励和接收即可实现探头阵列下方及周围大角度、大范围超声成像检测，通过单个测量信号即可实现对目标进行大范围超快探测和定位。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种空间编码超声阵列超快探测与定位系统，该系统包括非均匀排布的超声传感器阵列1、单通道超声脉冲信号激励源3和单通道超声信号接收和采集单元8组成；超声传感器阵列1的各超声传感器阵元同时与单通道超声脉冲信号激励源3连接，用于信号激励；超声传感器阵列1的某一超声传感器阵元与单通道超声信号接收和采集单元8连接，用于信号接收。
优选地，所述超声传感器阵列1由在待检测区域上方不同间距排布的N个超声传感器阵元构成，相邻超声传感器阵元间距分别为d1，d2，….,dN-1，且任意两相邻或非邻阵元的间距均不相同。
所述的一种空间编码超声阵列超快探测与定位系统的超快探测与定位方法，检测时单通道超声脉冲信号激励源3同时激励非均匀排布的超声传感器阵列1中各超声传感器阵元，产生N个向四周传播的超声波脉冲4，从而在不同方向上产生具有不同时间间隔Δti＝di×cosθ/c排布的超声脉冲序列Pθ5，即不同方向具有不同编码特征的脉冲序列，其中c为超声波传播速度，θ为超声波入射方向，不同方向具有不同编码特征的超声脉冲序列Pθ5形成一个基波信号集合GP(θ,t)；
不同方向具有不同编码特征的超声脉冲序列Pθ5传播过程中遇到探测目标6后反射形成与入射波超声脉冲序列Pθ5具有相同编码特征的反射回波Rt7，该回波信号经超声传感器阵列1的超声传感器阵元接收并被单通道超声信号接收和采集单元8接收和采集，形成检测信号FR(t)9；
获得检测信号FR(t)9后，将检测信号FR(t)9与基波信号集合GP(θ,t)进行互相关计算
Figure BDA0002466658650000021
得到一个关于角度和时间的相关系数矩阵Y(θ,t)，如果Y(θ,t)中出现明显的峰值Ymax，即表示检测区域存在目标回波信号，峰值Ymax对应的角度θmax和时间tmax分别对应所探测目标的方位和距离c×tmax，从而实现单个测量信号实现对目标进行超快探测和定位。
本发明通过激励源对非均匀排布的超声传感器阵列进行激励，在不同方向产生具有不同编码特征的超声脉冲序列、形成基波信号集合，获得检测信号后，将检测信号与基波信号集合进行互相关计算，来确定探测目标的方位和距离，和传统的超声阵列探测系统相比，这一方法提高了检测速度，可以实现单个测量信号即可对目标进行超快探测和定位。
附图说明
图1为本发明空间编码超声阵列超快探测与定位系统和方法的示意图。
图2为激励源对非均匀排布的超声传感器阵列进行激励，在不同方向产生具有不同编码特征的脉冲序列，从而形成的基波信号集合GP(θ,t)。
图3为探测目标所处方位为θ＝30°时，检测信号FR(t)。
图4为检测信号FR(t)与基波信号集合GP(θ,t)进行互相关计算，得到的关于角度和时间的相关系数矩阵Y(θ,t)，用灰度图表示。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明空间编码超声阵列超快探测与定位系统，该系统包括非均匀排布的超声传感器阵列1、单通道超声脉冲信号激励源3和单通道超声信号接收和采集单元8；超声传感器阵列1的各超声传感器阵元同时与单通道超声脉冲信号激励源3连接，用于信号激励；超声传感器阵列1的某一超声传感器阵元与单通道超声信号接收和采集单元8连接，用于信号接收。
作为本发明的优选实施方式，所述超声传感器阵列1由不同间距排布的N个超声传感器阵元构成，相邻超声传感器阵元间距分别为d1，d2，….,dN-1，且任意两相邻或非邻阵元的间距均不相同，从而使每两个脉冲信号间都有不同时间分布编码，防止后续检测信号识别中出现不同脉冲间的吴匹配。
本发明系统的超快探测与定位方法：检测时，单通道超声脉冲信号激励源3同时激励非均匀排布的超声传感器阵列1中各超声传感器阵元，产生N个向四周传播的超声波脉冲4，从而在不同方向上产生具有不同时间间隔Δti＝di×cosθ/c排布的超声脉冲序列Pθ5，即不同方向具有不同编码特征的脉冲序列，其中c为超声波传播速度，θ为超声波入射角度。如图2所示，不同方向具有不同编码特征的超声脉冲序列Pθ5形成一个基波信号集合GP(θ,t)；不同方向具有不同编码特征的超声脉冲序列Pθ5传播过程中遇到探测目标6后反射形成与入射波超声脉冲序列Pθ5具有相同编码特征的反射回波Rt7，该回波信号经超声传感器阵列1的超声传感器阵元接收并被单通道超声信号接收和采集单元8接收和采集，形成检测信号FR(t)9，如图3所示；获得检测信号FR(t)9后，将检测信号FR(t)9与基波信号集合GP(θ,t)进行互相关计算
Figure BDA0002466658650000041
得到一个关于角度和时间的相关系数矩阵Y(θ,t)，如果Y(θ,t)中出现明显的峰值Ymax，即表示检测区域存在目标回波信号，峰值Ymax对应的角度θmax和时间tmax分别对应所探测目标的方位和距离c×tmax，从而实现单个测量信号即可实现对目标进行超快探测和定位。
下面结合图1、图2、图3、图4和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明一种空间编码超声阵列超快探测与定位方法，具体包括如下步骤：
步骤1：首先，在待检测区域上方，布置由N个超声传感器阵元构成的超声传感器阵列1，相邻阵元间距分别为d1，d2，….,dN-1，且任意两相邻或非邻阵元的间距均不相同；
步骤2：超声传感器阵列1的各超声传感器阵元同时与单通道超声脉冲信号激励源3连接，用于信号激励；
步骤3：超声传感器阵列1的某一超声传感器阵元与单通道超声信号接收和采集单元8连接，用于信号接收；
步骤4：单通道超声脉冲信号激励源3同时激励非均匀排布的超声传感器阵列1中各超声传感器阵元，产生N个向四周传播的超声波脉冲4，从而在不同方向上产生具有不同时间间隔Δti＝di×cosθ/c排布的超声脉冲序列Pθ5，即不同方向具有不同编码特征的脉冲序列，其中c为超声波传播速度，如图2所示，不同方向具有不同编码特征的超声脉冲序列Pθ5形成一个基波信号集合GP(θ,t)；
步骤5：不同方向具有不同编码特征的超声脉冲序列Pθ5传播过程中遇到探测目标6后反射形成与入射波超声脉冲序列Pθ5具有相同编码特征的反射回波Rt(7)，以探测目标6所处方位为θ＝30°时为例，该回波信号经超声传感器阵列1的超声传感器阵元接收并被单通道超声信号接收和采集单元8接收和采集，形成如图3所示的检测信号FR(t)9；
步骤6：获得检测信号FR(t)9后，将检测信号FR(t)9与基波信号集合GP(θ,t)进行互相关计算
Figure BDA0002466658650000051
得到一个关于角度和时间的相关系数矩阵Y(θ,t)，将Y(θ,t)用灰度图表示，如图4所示，颜色越浅表示峰值越大，图4中的Y(θ,t)中出现明显的峰值Ymax(白色部分)，即表示检测区域存在目标回波信号，峰值Ymax对应的角度θmax和时间tmax分别对应所探测目标的方位和距离c×tmax。

Claims (3)

1.一种空间编码超声阵列超快探测与定位系统，其特征在于：该系统包括非均匀排布的超声传感器阵列(1)、单通道超声脉冲信号激励源(3)和单通道超声信号接收和采集单元(8)组成；超声传感器阵列(1)的各超声传感器阵元同时与单通道超声脉冲信号激励源(3)连接，用于信号激励；超声传感器阵列(1)的某一超声传感器阵元与单通道超声信号接收和采集单元(8)连接，用于信号接收。
2.根据权利要求1所述的一种空间编码超声阵列超快探测与定位系统，其特征在于：所述超声传感器阵列(1)由在待检测区域上方不同间距排布的N个超声传感器阵元构成，相邻超声传感器阵元间距分别为d1，d2，….,dN-1，且任意两相邻或非邻阵元的间距均不相同。
3.权利要求1或2所述的一种空间编码超声阵列超快探测与定位系统的超快探测与定位方法，其特征在于：检测时单通道超声脉冲信号激励源(3)同时激励非均匀排布的超声传感器阵列(1)中各超声传感器阵元，产生N个向四周传播的超声波脉冲(4)，从而在不同方向上产生具有不同时间间隔Δti＝di×cosθ/c排布的超声脉冲序列Pθ(5)，即不同方向具有不同编码特征的脉冲序列，其中c为超声波传播速度，θ为超声波入射方向，不同方向具有不同编码特征的超声脉冲序列Pθ(5)形成一个基波信号集合GP(θ,t)；
不同方向具有不同编码特征的超声脉冲序列Pθ(5)传播过程中遇到探测目标(6)后反射形成与入射波超声脉冲序列Pθ(5)具有相同编码特征的反射回波Rt(7)，该回波信号经超声传感器阵列(1)的超声传感器阵元接收并被单通道超声信号接收和采集单元(8)接收和采集，形成检测信号FR(t)(9)；
获得检测信号FR(t)(9)后，将检测信号FR(t)(9)与基波信号集合GP(θ,t)进行互相关计算
Figure FDA0002466658640000021
得到一个关于角度和时间的相关系数矩阵Y(θ,t)，如果Y(θ,t)中出现明显的峰值Ymax，即表示检测区域存在目标回波信号，峰值Ymax对应的角度θmax和时间tmax分别对应所探测目标的方位和距离c×tmax，从而实现单个测量信号实现对目标进行超快探测和定位。
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