CN112816991A - 基于低电压复杂信号的超声检测方法 - Google Patents

基于低电压复杂信号的超声检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低电压复杂信号的超声检测方法，包括如下步骤：1)、所述双通道并行接口数字信号处理器产生数字信号并进行信号处理；2)、该双通道并行接口数字信号处理器将数字信号通过数模转换器转换为模拟信号；3)、所述数模转换器将模拟信号通过双通道低通滤波器传输至发射传感器；4)、所述接收传感器通过双通道低通滤波器将模拟信号传输至模数转换器；5)、所述模数转换器将模拟信号转换为数字信号传输至所述双通道并行接口数字信号处理器。本发明在于提供一种检测精度更好、损耗低，安全性强，可靠性高，功能多样的一种基于低电压复杂信号的超声检测方法。

Description

基于低电压复杂信号的超声检测方法
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域，尤其涉及一种基于低电压复杂信号的超声检测方法。
背景技术
现有的传统超声探测仪方法一般都采用高电压脉冲信号激励和半双工工作方式，即发射时不接收，接收时不发射。目前检测方法一般是利用一个高电压脉冲产生器和一个发射接收转换开关进行检测；这种设计虽然直观易懂，但有诸多弊端：
高电压激励总是一种危险和损耗性的方法，不仅损耗传感器，而且也损耗发射接收转换开关。在医疗和某些精密工业检测行业，高电压激励对被测物体也有损害。在相控阵应用中，高电压激励给所有探头所有探头给探头之间的屏蔽和隔离带来了很大挑战。
超声检测基于的是弹性波的传播和反射。弹性波的传播和反射只有在有限的线性范围内才具有我们预期的理想特性。高电压脉冲激励实际上已经把整个被测系统(包括传感器)推入非线性范围内。这种非线性畸变后的测试结果信噪比低，可重复性差，不适合于高精度检测应用。
脉冲激励传感器后，产生的信号的准确中心频率是接收方不知道的。按照雷达术语，这属于一种低信噪比的非同参(non-coherent)检测方法。接收方即无法去除载波，也无法进行相关处理。无法去除载波，造成一个反射点会显示成一组信号尖峰。无法进行相关处理，造成接收方无法采用先进的数字信号处理方法来提高信噪比和灵敏度。
这种脉冲激励法，也无法开拓更加精密的频率域和相位域检测方法。
中国专利申请号:201911228844.0，申请日：2019年12月04日，公开日：2020年06月19日，专利名称为：一种超声检测方法及装置，本发明公开公开了一种超声检测方法及装置，其方法包括：获取超声检测后的第一检测信号；将第一检测信号的数据保存至本地；将数据传输至云端进行保存，将存储至本地以及云端的数据作为初始数据；再次获取超声检测后的第二检测信号；将第二检测信号与本地存储的第一检测信号进行比对，若存在差异，则将差异部分传输至云端，对云端储存的初始数据中的差异部分进行替换。本申请通过只上传存在差异的数据至云端进行相应的分析，数据量会有很大程度的减少，再与云端存储的数据进行替换后及时更新云端的数据状态，提高了检测效率。
上述专利文献虽然公开了一种超声检测方法，但是，该检测方法检测精度不够高，可靠性不强，也无法开拓更加精密的频率域和相位域检测方法。
发明内容
有鉴于此，本发明在于提供一种检测精度更好、损耗低，安全性强，可靠性高，功能多样的一种基于低电压复杂信号的超声检测方法。
为了实现本发明目的，可以采取以下技术方案：
一种基于低电压复杂信号的超声检测方法，包括如下步骤：
步骤1)、所述双通道并行接口数字信号处理器产生数字信号并进行信号处理；
步骤2)、该双通道并行接口数字信号处理器将数字信号通过数模转换器转换为模拟信号；
步骤3)、所述数模转换器将模拟信号通过双通道低通滤波器传输至发射传感器；
步骤4)、所述接收传感器通过双通道低通滤波器将模拟信号传输至模数转换器；
步骤5)、所述模数转换器将模拟信号转换为数字信号传输至所述双通道并行接口数字信号处理器；
所述双通道并行接口数字信号处理器，用于数字信号处理；所述数模转换器，用于数字信号转换为模拟信号；所述模数转换器，用于模拟信号转换为数字信号；所述双通道低通滤波器，用于过滤发射信号和接收信号；所述接收传感器，用于接收反射回来的探测信号；所述发射传感器，用于发射探测信号。
所述步骤3)还包括数模转换器将模拟信号通过低通滤波器和驱动放大器后传输至发射传感器；所述步骤4)还包括接收传感器信号通过前置放大器和低通滤波器后将模拟信号传输至模数转换器。
所述数模转换器包括宽带高采样频率数模转换器。
所述模数转换器包括宽带高采样模数频率转换器。
所述数模转换器包括采样时钟器，该采样时钟器用于驱动数模转换器的采样时钟信号。
所述模数转换器包括采样时钟器，该采样时钟器用于驱动模数转换器的采样时钟信号。
所述双通道并行接口数字信号处理器数字信号处理器包括具有双通道并行接口数字信号处理器的多核浮点数字信号处理器。
所述双通道低通滤波器包括双通道信号转换电路。
所述发送传感器包括高速宽频传感器驱动器。
所述接收传感器包括前端保护电路，前置放大电路，滤波器，所述接收传感器将信号通过前端保护电路传输至前置放大电路，该前置放大电路将信号放大后通过滤波器将信号传输至双通道滤波器。
本发明的有益效果是：1)本发明检测方法不含任何高电压脉冲产生器件，也不含任何发射接收转换开关器件，损耗低，安全性高；2)本发明检测方法信噪比最佳，灵敏度强，可重复性好，检测精度高，适合高精密检测需求；3)本发明检测方法发射信号是精准数字产生的，其中心载频是接收方的已知信息；接收端可完全将载波去掉，并进行严格的匹配滤波相关处理，以达到最佳信噪比和灵敏度；本发明应用领域广泛，适合普遍推广。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于低电压复杂信号的超声检测方法流程图；
图2为本发明实施例一种基于低电压复杂信号的超声检测电路方框图；
图3为本发明另一实施例一种基于低电压复杂信号的超声检测电路方框图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对发明作进一步详细的说明。
实施例1
参看图1，该一种基于低电压复杂信号的超声检测方法，包括如下步骤：
步骤1)、所述双通道并行接口数字信号处理器产生数字信号并进行信号处理S1；
步骤2)、该双通道并行接口数字信号处理器将数字信号通过数模转换器转换为模拟信号S2；
步骤3)、所述数模转换器将模拟信号通过双通道低通滤波器传输至发射传感器S3；
步骤4)、所述接收传感器通过双通道低通滤波器将模拟信号传输至模数转换器S4；
步骤5)S5、所述模数转换器将模拟信号转换为数字信号传输至所述双通道并行接口数字信号处理器；
所述双通道并行接口数字信号处理器1，用于数字信号处理；所述数模转换器2，用于数字信号转换为模拟信号；所述模数转换器3，用于模拟信号转换为数字信号；所述双通道低通滤波器4，用于过滤发射信号和接收信号；所述接收传感器5，用于接收反射回来的检测信号；所述发射传感器6，用于发射检测信号。
本实施例，优选地，所述步骤3)还包括数模转换器将模拟信号通过低通滤波器和驱动放大器后传输至发射传感器；所述步骤4)还包括接收传感器信号通过前置放大器和低通滤波器后将模拟信号传输至模数转换器。
本发明提供一种全新的超声检测方法。本发明使用的不是传统的高电压脉冲式激励和半双工(发射时不接收)模式，而是低电压宽频复杂信号基于的全双工模式(连续发射接收)超声检测方法。这是一种安全，可靠，高信噪比，高线性度，高重复性和高精度的检测方法，可用于各种工业超声检测和医疗成像等等。这是一种先进的脉冲压缩法，我们称之为频率域采样基于的脉冲压缩法(FSPC,Frequency Sampling based Pulse Compression)。我们把无线通讯里的最优信号和电路设计理念带入了超声检测行业。
本实施例，本发明检测方法可以通过检测电路进行检测。参看图2，本发明所述检测电路包括双通道并行接口数字信号处理器1，数模转换器2，模数转换器3，双通道低通滤波器4，接收传感器5，发射传感器6；
所述双通道并行接口数字信号处理器1通过该数模转换器2传输至双通道低通滤波器4，所述双通道低通滤波器4将过滤后的信号传输至发射传感器6；这样，就构成一个完整的发射电路，所述发射传感器6将信号发射至所需要的检测器件，对该器件进行超声波检测；
所述接收传感器5将信号通过双通道滤波器4传输至该模数转换器3，该模数转换器3将模拟信号转换为数字信号后传输至双通道并行接口数字信号处理器1；所述接收传感器5接收所需检测器件的检测信号，并将该检测信号传输至所述双通道并行接口数字信号处理器1进行检测处理，这样就构成一个完成的接收电路。
参看图2，图3，本实施例中，优选地，所述双通道并行接口数字信号处理器数字信号处理器1包括具有双通道并行接口数字信号处理器的多核浮点数字信号处理器11；所述双通道并行接口数字信号处理器数字信号处理器1可以通过以太网络口与PC机连接；该双通道并行接口数字信号处理器数字信号处理器1两个并行口分别与数模转换器2和模数转换器3连接。
本实施例，进一步，优选地，所述双通道并行接口数字信号处理器数字信号处理器1是型号为TMS320C6657的芯片。
本实施例，优选地，所述数模转换器2包括宽带高采样频率数模转换器。
进一步，优选地，所述数模转换器2为型号是MAX5885的芯片。
本实施例，优选地，所述模数转换器3包括宽带高采样模数频率转换器。
进一步，优选地，所述模数转换器3为型号是LTC2163或型号是LTC2164或型号是的LTC2165的芯片。
本实施例，优选地，所述数模转换器2包括采样时钟器21，该采样时钟器21用于驱动数模转换器的采样时钟信号。
优选地，所述模数转换器3包括采样时钟器31，该采样时钟器用于驱动模数转换器的采样时钟信号。
进一步，优选地，所述数模转换器2和所述模数转换器3可以共用一个采样时钟器，数模转换发射方的采样时钟也是接收方的采样时钟；模数转换采样频率可调并与发射方一致和同步。
本实施例，优选地，所述双通道低通滤波器4为型号是ADRF6516的芯片或是型号为HMC900LP5E的芯片。
该双通道低通滤波器4一方面用于过滤来自数模转换器2(DAC)的发射信号，另一方面用于过滤进入模数转换器3(ADC)之前的传感器接收信号。
本实施例，所述双通道低通滤波器4包括双通道信号转换电路41。
当接收传感器5和发射传感器6为双晶传感器时，并且只用接收电路接收信号或只用发射电路发射信号时，可以不使用该双道信号转换电路41；
当接收传感器5和发射传感器6为双晶传感器时，同时使用接收电路接收信号和发射电路发射信号，该双道信号转换电路41最大可能地将送往传感器的信号和来自传感器的信号分离。
本实施例，优选地，所述发送传感器6包括高速宽频传感器驱动器61；所述传感器驱动器61为型号是ADA4870的芯片。
优选地，该发送传感器6如果是双晶传感器时，可以同时作为接收传感器使用。
本实施例，优选地，所述接收传感器5包括前端保护电路51，前置放大电路52，滤波器53，所述接收传感器5将信号通过前端保护电路51传输至前置放大电路52，该前置放大电路52将信号放大后通过滤波器53将信号传输至双通道滤波器4。
优选地，所述滤波器53为低通滤波器，该低通滤波器主要作用是前端滤波保护，保护不受调频电台信号影响。
本发明设计达到以下性能：120dB的发射接收动态范围(双晶探头)，发射传感器最大驱动电压达到12V,最大驱动电流达到1A，最大驱动信号带宽50MHz。
本发明主要的优势是：
一个无线通讯系统，有两个基本设计需要：信号设计和编码设计。该信号设计的任务是在有限的带宽和发射功率范围内，设计一种最佳调制信号，把数据准确无误地从一方传到另一方。这种信号设计理念是完全可以借用到超声探测领域的；
一个超声探测系统，从探头到被测物体，其实也是一个带宽有限(探头的频率响应)和信号功率有限(线性范围和安全考虑)的系统。针对这一系统，高级的通信信号设计和接收处理方法可以借鉴；
本发明的核心是设计了一款最优探测信号。本发明的硬件采用的全是常规低电压和低电流半导体芯片。电路中即不含任何高电压脉冲产生器件，也不含任何发射接收转换开关器件；
本发明重心是以高级信号处理方法来解决超声探测问题，通过高级信号处理，我们用几伏的小电压信号就能获得比高电压脉冲信号更好的效果。
本发明是一种稳定态频率域检测方法，所以信噪比，灵敏度，可重复性是最佳的，最适合高精密检测需求。
本发明的发射信号是精准数字产生的，其中心载频是接收方的已知信息。接收方可完全将载波去掉，并进行严格的匹配滤波相关处理，以达到最佳信噪比和灵敏度。
本发明的频率域检测信息可用于新型超声检测应用，如超薄材料或复合材料的一致性检测，化工或纳米材料一致性检测等等。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于低电压复杂信号的超声检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1)、所述双通道并行接口数字信号处理器产生数字信号并进行信号处理；
步骤2)、该双通道并行接口数字信号处理器将数字信号通过数模转换器转换为模拟信号；
步骤3)、所述数模转换器将模拟信号通过双通道低通滤波器传输至发射传感器；
步骤4)、所述接收传感器通过双通道低通滤波器将模拟信号传输至模数转换器；
步骤5)、所述模数转换器将模拟信号转换为数字信号传输至所述双通道并行接口数字信号处理器；
所述双通道并行接口数字信号处理器，用于数字信号处理；所述数模转换器，用于数字信号转换为模拟信号；所述模数转换器，用于模拟信号转换为数字信号；所述双通道低通滤波器，用于过滤发射信号和接收信号；所述接收传感器，用于接收反射回来的探测信号；所述发射传感器，用于发射探测信号。
2.根据权利要求1所述基于低电压复杂信号的超声检测方法，其特征在于：所述步骤3)还包括数模转换器将模拟信号通过低通滤波器和驱动放大器后传输至发射传感器；所述步骤4)还包括接收传感器信号通过前置放大器和低通滤波器后将模拟信号传输至模数转换器。
3.根据权利要求1所述基于低电压复杂信号的超声检测方法，其特征在于：所述数模转换器包括宽带高采样频率数模转换器。
4.根据权利要求1所述基于低电压复杂信号的超声检测方法，其特征在于：所述模数转换器包括宽带高采样模数频率转换器。
5.根据权利要求3所述基于低电压复杂信号的超声检测方法，其特征在于：所述数模转换器包括采样时钟器，该采样时钟器用于驱动数模转换器的采样时钟信号。
6.根据权利要求4所述基于低电压复杂信号的超声检测方法，其特征在于：所述模数转换器包括采样时钟器，该采样时钟器用于驱动模数转换器的采样时钟信号。
7.根据权利要求1所述基于低电压复杂信号的超声检测方法，其特征在于：所述双通道并行接口数字信号处理器数字信号处理器包括具有双通道并行接口数字信号处理器的多核浮点数字信号处理器。
8.根据权利要求7所述基于低电压复杂信号的超声检测方法，其特征在于：所述双通道低通滤波器包括双通道信号转换电路。
9.根据权利要求8所述基于低电压复杂信号的超声检测方法，其特征在于：所述发送传感器包括高速宽频传感器驱动器。
10.根据权利要求9所述基于低电压复杂信号的超声检测方法，其特征在于：所述接收传感器包括前端保护电路，前置放大电路，滤波器，所述接收传感器将信号通过前端保护电路传输至前置放大电路，该前置放大电路将信号放大后通过滤波器将信号传输至双通道滤波器。
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