[发明专利]一种基于高阶矩的编码超声信号脉冲流形成方法及电路

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于超声检测技术领域，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。

背景技术

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(Finite Rate of Innovation,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(Rate of Innovation,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。

发明内容

针对上述技术存在的不足，本发明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P_hl与有限个主瓣峰值时刻t_hl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。

实现本发明方法的技术方案如下：