一种基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成方法及电路技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A pulse flow generation method and circuit of coded ultrasonic signal based on high order moment

【技术实现步骤摘要】
一种基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成方法及电路
本专利技术属于超声检测
，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。
技术介绍
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(FiniteRateofInnovation,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(RateofInnovation,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。
技术实现思路
针对上述技术存在的不足，本专利技术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。实现本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/nS1、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)；/nS2、提取编码超声回波信号r(t)的二阶矩s(t)；/nS3、将二阶矩信号s(t)转换成高阶矩信号h(t)；/nS4、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)。/n

【技术特征摘要】
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)；
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；
二进制频率编码激励信号c(t)为：



其中，K为二进制编码位数，K∈Z+，G(t-kiτi)是长度为τi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。


5.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中，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。


6.基于高阶...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋寿鹏，邱越，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32