CN114611533B - 叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器，包括压电基片，压电基片的一端设有发射换能器，压电基片的另一端设有接收换能器。输入电信号加到发射换能器，并在其进行小波变换后，发射换能器输出声表面波式小波变换信号，该声表面波式小波变换信号向接收换能器传播。当接收换能器接收到声表面波式小波变换信号，把该声表面波式小波变换信号转换成电信号式小波变换信号输出。所述的发射换能器采用叉指单侧倾斜加权方式。本发明具有很好抑制波束偏离、衍射及体波的功能和设计简单的特性。本发明广泛应用于各种传感器、雷达、震勘探、大气与海洋分析等多领域。

Description

叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器
技术领域
本发明涉及一种叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器，属于声表面波式小波变换处理器技术领域。
背景技术
小波变换是继傅里叶变换之后数学上的一项重大突破。小波变换能够提供一个随频率改变的“时间-频率”窗口，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节。小波分析是进行信号时频分析和处理的理想工具，特别是对实际应用中占绝大多数的非稳定信号与分形结构信号的分析与处理，在应用数学、工程科学等多领域中发展，并得到了广泛应用。
由于小波变换的优势，科学家们采用各种软件、硬件方法来实现小波变换。小波变换算法需要大量的数学运算和复杂的编程，因而用软件方法实现小波变换，具有较大的时间复杂度和空间复杂度，且执行效率低。签于此，科学家们致力于用硬件方法来实现小波变换，如大规模可编程集成电路(Field Programmable Gate Array，缩写为FGPA)、数字信号处理(Digital Signal Processing，缩写为DSP)、超大规模集成电路(Very Large ScaleIntegration，缩写为VLSI)等。用FGPA、DSP和VLSI实现小波变换的方法开辟了用硬件实现小波变换的先河，但都是基于数字方法，小波算法运算量较大，很难满足实时性的要求，并且价格相对较高。鉴于这种情况，科学家们努力寻找一种简便的、价格低廉的方法进行小波变换，并希望把小波变换制作成器件，例如用光学器件、静磁波器件和声表面波器件实现小波变换。光学器件和静磁波器件频率低、价格较高，从而使其应用领域受到了限制。鉴于这种情况下，用声表面波器件能够实现任意尺度的声表面波式小波变换处理器(属于模拟实现方法)。
声表面波式小波变换处理器与其他几种实现小波变换的器件相比避免了复杂的算法和大量的数学运算，而且具有信号处理速度快，设计和制作工艺简单，功耗小、价格较低的特点。用声表面波器件实现小波变换在模拟器件实现小波变换方面取得了积极性的进展。
小波分析在实际应用中最大的问题小波基与小波函数的选择，主要依靠人的经验或者对试验结果对比分析。Morlet小波是一种单频复正弦调制高斯波，有其很好的时频两域局部性，能有效地监测时变、瞬态信号。它具有通带性好、主瓣波形好、旁瓣电平抑制好和插入损耗低的特性。Morlet小波更易于在声表面波器件中实现。根据Morlet小波函数的特性，制作了声表面波器件，即声表面波式小波变换处理器。这种小波变换处理器的换能器指条重叠包络是按照小波函数的包络设计(如图1所示)，通常称为声表面波式指条包络加权小波变换处理器。这种指条包络加权小波变换处理器存在波束偏离、衍射及体波问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供了一种具有抑制波束偏离、衍射、体波功能和高性能的叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器，解决了传统声表面波式小波变换处理器存在波束偏离、衍射问题及体波问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器，包括压电基片，压电基片的一端设有发射换能器，压电基片的另一端设有接收换能器。发射换能器通过逆压电效应将输入的电信号转化为声表面波信号，此声面波信号沿压电基片表面传播，接收换能器接收此声表面波信号，将其转化为电信号输出。所述的发射换能器采用叉指单侧倾斜加权。
优选地，所述的发射叉指换能器的长度尽可能长，距离尽可能近，使能接收到的能量愈多，以解决波束偏离问题。
优选地，当发射叉指换能器的指长按照Morlet小波函数包络弧长加权，且采用大宽均匀孔径时，解决声表面波式小波变换处理器的衍射问题。
优选地，将发射叉指换能器分成反相180°两部分，因而它们所发射的体波也反相180°，在接收叉指换能器上相抵消。
优选地，所述的接收换能器为指条相等重叠、均匀周期的叉指换能器。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明发射换能器的叉指倾斜边长按照Morlet小波函数包络弧长加权，且采用大宽均匀孔径，同时叉指换能器分成反相180°两部分时，能够制作出叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器。本发明具有很好抑制波束偏离、衍射及体波的功能，以及具有设计、制作工艺简单的特性。
(2)本发明广泛应用于各种传感器、雷达、震勘探、大气与海洋分析等多领域，对声表面波技术和小波变换技术的研究、发展、应用及产业化起到直接的推动作用。
附图说明
图1为包络加权的叉指换能器结构示意图；
图2为一种叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器的结构示意图；
图3为叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器发射换能器的示意图；
图3中的(a)为小波函数与小波函数包络的示意图；
图3中的(b)为小波函数包络及包络孤长的示意图；
图3中的(c)为叉指单侧倾斜加权型发射换能器的指条的示意图；
图3中的(d)为叉指单侧倾斜加权型Morlet小波处理器的发射叉指换能器示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明为一种叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器，如图2所示，其包括压电基片，发射换能器(在压电基片上一端制作)，接收换能器(在压电基片上另一端制作)。该声表面波式小波变换处理器实现小波变换工作原理如下：输入信号加到发射换能器，并在其进行小波变换后，发射换能器输出声表面波式小波变换信号(信号是在压电基片的表面上传播的)。该声表面波式小波变换信号向接收换能器传播。当接收换能器接收到声表面波式小波变换信号时，把该声表面波式小波变换信号转换成电信号式小波变换信号，从而实现了小波变换。这样能够制作出叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器。
如图3中的(a)-图3中的(d)所示，发射换能器的指条单侧倾斜边长按照尺度20的Morlett二进小波函数的包络弧长设计。
发射换能器的叉指倾斜边长按照Morlet小波函数包络弧长加权，且采用大宽均匀孔径，同时叉指换能器分成反相180°两部分，即指条单侧倾斜边长与Morlet二进小波函数的包络弧长变化而变化(成正比)。接收换能器为指条相等重叠、均匀周期的叉指换能器。
在图3中的(b)中，G-n,G-(n-1),…,G-2,G-1,G0,G1,G2,…,G(n-1)和Gn是在等时间间隔T下的尺度2-2的Morlet二进小波函数的包络弧长。在图3中的(c)中，a-n,a-(n-1),…,a-2,a-1,a0,a1,a2,…,an-1和an是指条宽度，b-n,b-(n-1),…,b-2,b-1,b0,b1,b2,…,bn-1和bn是指间距，a-n+b-n＝a-(n-1)+b-(n-1)＝…＝a-2-b-2＝a-1+b-1＝a0+b0＝a1+b1＝a2+b2＝…＝an-1+bn-1＝an+bn＝M，S-n,S-(n-1),…,S-2,S-1,S0,S1,S2,…,S(n-1)和Sn是叉指单侧倾斜边长。
在一个单位时间T内，声表面波传播距离为M的情况下，图3中的(c)中叉指单侧倾斜边长S-n,S-(n-1),…,S-2,S-1,S0,S1,S2,…,S(n-1)分别按照G-n,G-(n-1),…,G-2,G-1,G0,G1,G2,…,G(n-1)的大小来设计。
本发明的发射换能器的叉指倾斜边长按照Morlet小波函数包络弧长加权，且采用大宽均匀孔径，同时叉指换能器分成反相180°两部分时，能够制作出叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器。因而该声表面波式小波变换处理器具有很好抑制波束偏离、衍射及体波的功能。
把多个本发明的叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器并联连接能够得到多尺度的叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器。

Claims (2)

1.一种叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器，其特征在于，包括压电基片，压电基片的一端设有发射换能器，压电基片的另一端设有接收换能器，输入电信号加到发射换能器，并在其进行小波变换后，发射换能器输出声表面波式小波变换信号，该声表面波式小波变换信号向接收换能器传播，当接收换能器接收到声表面波式小波变换信号，把该声表面波式小波变换信号转换成电信号式小波变换信号输出，所述的发射换能器采用叉指单侧倾斜加权方式，具体包括：发射换能器的叉指倾斜边长按照Morlet小波函数包络弧长加权，且采用均匀孔径，同时叉指换能器分成反相180°两部分，即指条单侧倾斜边长与Morlet二进小波函数的包络弧长成正比。
2.如权利要求1所述的一种叉指单侧倾斜加权型声表面波式Morlet小波处理器，其特征在于，所述的接收换能器为指条相等重叠、均匀周期的叉指换能器。
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