[发明专利]压电超声换能器驱动信号的成型方法

说明书

本发明公布了压电超声换能器驱动信号的成型方法，该方法基于信号处理原理，从参考驱动信号中提取波形完整部分作为目标响应信号，又根据叠加原理，通过加权叠加驱动脉冲从而得到合成驱动响应，令合成响应与目标响应进行比较，再根据误差平方和均值最小(minimum mean square error，MMSE)准则，从而得到合成加权系数，进而得到新的驱动信号。该发明适用于压电式窄带换能器，并可以有效改善驱动信号的拖尾现象，从而提高系统的信噪比。相比于传统的通过改善换能器结构或是脉冲压缩来提高信噪比的方法，本发明更适用于空气耦合压电式窄带换能器，扩展了压电式换能器的应用范围。

技术领域

本发明涉及超声波传输系统中提高信噪比的方法，属于电学技术领域。

背景技术

超声技术是一门以物理、电子、机械以及材料为基础的通用技术之一。目前超声技术的应用已经深入到社会生活的各个领域，如超声定位在军事中的应用，它可以用来探测水中的暗礁和敌人的潜艇，同时探测海水的深度；如超声检测在工业上的应用，利用它的反射特性可进行锻件、焊缝的检测，以及材料厚度的测定等；超声无损探伤更是逐渐成为众多领域里非侵入性检查的主要方法。

其中无损探伤领域是如今超声应用的热门，其中空气耦合式非接触性检测则是无损探伤的最大优点，因为它可以检测多种材料的物质，例如金属、聚合物、复合材料等。这种检测方式还适用于各种恶劣环境，如人类无法直接接触的有毒场所，或是需要用到快速扫描的场所。所以为了实现更精准、可靠的应用目的，提高测量的精确性和可靠性无疑成为当下超声技术研究最迫切的方向。

在测量中本发明用信噪比(signal noise ratio，SNR)来描述系统的可靠性，现已有多种方法用于提高超声系统的SNR。对于空气耦合式超声应用，换能器的波束发散角越小则能量越集中，所以可以提高SNR。基于此需要通过优化换能器结构或使用新材料解决，显然这不是最优的解决方法。在空气中进行检测，遇到最大的问题，是克服超声穿过固体后对检测的影响，这里需要克服换能器在空气和固体之间的声阻抗不匹配问题。可以利用脉冲压缩技术，使超声发送转置产生一个宽带扫频chirp超声信号，再经由空气传播至接受装置。实验表明，脉冲压缩适用于超声装置并可显著提高系统SNR，适用于超声检测等场合。还可以利用信号平均与相关技术，从噪声中恢复出目标信号，提高系统的可靠性。但是当前大多数空气耦合式超声波通常使用压电式换能器产生，由于这种换能器的带宽比较窄，所以上述方法均不适合于压电换能器超声应用中。本发明需要找到一种基于窄带脉冲驱动的方法，用于提高压电超声系统的可靠性与精确性。同时，换能器时域响应也会影响系统的信噪比，从而影响检测的精确度，通常时域响应过长会造成检测信号失真。所以本发明提出一种新的驱动信号算法，适用于压电式窄带换能器并可显著改善响应拖尾现象，从而有效提高超声应用系统的可靠性和精确性。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种压电超声换能器驱动信号的成型方法，该方法应用于压电式窄带超声换能器，通过产生特定驱动信号从而改善响应拖尾以及提高系统信噪比。该方法基于信号处理原理，通过合成参考时域脉冲响应信号，从而得到理想的接受信号，并根据MMSE准则从而逆推出所需的驱动信号。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种压电超声换能器驱动信号的成型方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：选取中心频率一定的窄带压电式换能器构成收发装置，并确保收发换能器的震动平面水平，同时二者中心点在一条直线上；

步骤2：使用波形发生器产生一个窄带参考脉冲信号x_SRP(t)，并驱动发送换能器；

步骤3：接受换能器收到上述步骤2中发送的传输信号后，将信号读取至示波器，并接受参考脉冲响应信号y_SRP(t)，最后连接至电脑进行数字化分析；