一种超声信号正交合成与分离方法

1.本发明属于超声无损检测技术领域，具体涉及一种超声信号正交合成与分离方法。


背景技术：

2.超声缺陷检测是一种常用的无损检测方法，为了获取被测对象更加丰富的信息，使缺陷检测时量化精度更高，超声传感器也由单探头向阵列化方向发展，随着阵列中阵元数量的增加，带来的优势是单次扫查获取的信息更加丰富，检测效率提高，但同时也带来接收端模拟信号处理通道数增多的不便，比如常用的超声相控阵探头，每个阵元需要独立的接收电路，在阵元规模增大时，处理单位数量明显增多，增加了电路的复杂度和制作成本。
3.为了减少超声传感器信号处理单元电路数量，提高信息的传输效率，国内外学者也开展了超声信号合成与参数分离方法的研究，主要有时分复用超声信号合成与参数分离技术(郁嘉晖.基于fri的阵列超声信号稀疏采样硬件实现方法研究[d].江苏大学,2019.)，该方法利用超声信号在被测试件中的传输时间特性，在检测声程范围内，根据传感器几何结构和声场传输特性，先验了不同通道在回波时延范围，从而实现了8路超声传感器阵元信号的时分复用合成，并在后端的信息处理中能够有效数字解调出各信号的波达时刻和峰值参数。但该方法在被测对象和传感器结构参数变化后，需要重新对先验信息进行解算，降低了使用便利性，需要有专门知识和技能的科技人员实施，不利于被广泛推广和使用。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种超声信号正交合成与分离方法，解决超声检测中超声信号的合成与分离问题。
[0005]
本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。
[0006]
一种超声信号正交合成与分离方法：
[0007]
信号合成：
[0008]
提取两超声信号中的低频成分，分别得到信号x(t)和y(t)；产生两路三角函数g(t)和并分别与信号x(t)和y(t)相乘，得到x(t)g(t)和对x(t)g(t)和进行相加，得到之后通过模数转换得到z(n)；
[0009]
信号分离：
[0010]
产生两路三角函数序列g(n)和并分别与z(n)相乘，得到z(n)g(n)和分别滤除z(n)g(n)和中的高频成分，得到和
[0011]
进一步地，所述信号合成中，在提取低频成分前，先对超声信号进行限幅保护、阻抗匹配和放大预处理。
[0012]
进一步地，所述三角函数g(t)和的频率f0≥2b，b为信号x(t)和y(t)幅频中幅值为0的主频带宽度。
[0013]
进一步地，通过傅里叶变换得到信号x(t)和y(t)的频谱，之后取幅频中幅值为0的带宽b。
[0014]
进一步地，对于所述三角函数g(t)和首先利用fpga结构内嵌的rom和锁相环分别产生两路相位差为π/2的三角函数序列g(n)和之后利用d/a模块产生相对应的三角函数g(t)和
[0015]
进一步地，利用a/d模块将z(t)转换为z(n)，其中a/d采样频率fs≥2(b f0)。
[0016]
进一步地，所述信号分离中，通过数字序列相乘处理方法，将z(n)分别与g(n)和相乘，得到(n)g(n)和
[0017]
进一步地，所述信号分离中，利用带通滤波器滤除高频成分。
[0018]
进一步地，所述带通滤波器为-6db巴特沃斯12阶数字带通滤波器。
[0019]
进一步地，从和中分别解算出峰值以及对应的时延。
[0020]
本发明的有益效果为：
[0021]
本发明提供了一种新的超声信号合成与分离方法，首先将超声传感器阵元接收到的模拟信号进行预处理，用一组相互正交的三角函数模拟调制超声回波信号中的低频成份，再将正交模拟调制后的信号用加法器合成一路模拟信号，通过单路模数转换通道，得到合成后的超声回波数字信号，借助fpga强大的并行处理能力和特定的数字信号处理算法，可实现原信号的参数分离，从而获取到两个传感器阵元的独立回波参数。在阵列信号处理环节还可利用双通道信号合成方法增加信号的幅值强度，提高回波信号的信噪比。
附图说明
[0022]
图1为本发明超声信号合成与分离方法流程图；
[0023]
图2(a)为测试一中超声回波信号x0(t)的波形图；
[0024]
图2(b)为测试一中超声回波信号y0(t)的波形图；
[0025]
图3(a)为测试一中回波信号低频成分x(t)的波形图；
[0026]
图3(b)为测试一中回波信号低频成分y(t)的波形图；
[0027]
图4(a)为测试一中x(t)g(t)的波形图；
[0028]
图4(b)为测试一中的波形图；
[0029]
图5为测试一中合成的信号序列z(n)的波形图；
[0030]
图6(a)为测试二中z(n)g(n)的波形图；
[0031]
图6(b)为测试二中的波形图；
[0032]
图7(a)为测试二中分离出的信号的波形图；
[0033]
图7(b)为测试二中分离出的信号的波形图；
[0034]
图8(a)为测试二中超声回波信号x0(t)的波形图；
[0035]
图8(b)为测试二中超声回波信号y0(t)的波形图；
[0036]
图9(a)为测试二中回波信号低频成分x(t)的波形图；
[0037]
图9(b)为测试二中回波信号低频成分y(t)的波形图；
[0038]
图10(a)为测试二中x(t)g(t)的波形图；
[0039]
图10(b)为测试二中的波形图；
[0040]
图11为测试二中合成的信号序列z(n)的波形图；
[0041]
图12(a)为测试二中z(n)g(n)的波形图；
[0042]
图12(b)为测试二中的波形图；
[0043]
图13(a)为测试二中分离出的信号的波形图；
[0044]
图13(b)为测试二中分离出的信号的波形图。
具体实施方式
[0045]
下面详细描述本发明的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0046]
一、技术方案
[0047]
设有两个超声传感器，两超声传感器均具有发射和接收功能，两超声传感器之间相互独立。两超声传感器贴于被测物体上，分别使用电脉冲信号激励两超声传感器，两超声传感器之间可以是同时激励，也可以是延时激励(也就是一个先激励，另一个后激励)。两超声传感器经过激励后，分别产生两束超声波，超声波在被测物体中遇到缺陷或端面后产生反射，最终再由超声传感器接收反射回来的回波信号。
[0048]
如图1所示，对于上述两超声传感器各自接收到的回波信号，通过如下步骤实现对这两超声信号的合成与分离：
[0049]
1.信号合成
[0050]
s1，在对上述两超声(回波)信号进行限幅保护、阻抗匹配和放大预处理后，提取两超声信号中的低频成分，分别为信号x(t)和y(t)。
[0051]
需注意，上述预处理中的限幅保护，是由于本实施例中所采用的超声阵元(超声传感器)既是发射单元，又是接收单元，由此会导致激励电路与接收电路存在信号互耦通道；因此为避免激励电脉冲对接收电路的过冲击，故在预处理中加入限幅保护环节。
[0052]
s2，通过傅里叶变换得到信号x(t)和y(t)的频谱，之后取幅频中幅值为0的主频带宽度，也即带宽b。
[0053]
s3，分别产生两路相位差为π/2的三角函数g(t)和其中要求三角函数g(t)和的频率f0≥2b。
[0054]
具体操作中，可利用fpga(现场可编辑逻辑门阵列)结构内嵌的rom和锁相环
(pll)，分别产生两路相位差为π/2的三角函数序列g(n)和之后再利用d/a模块(数模转换模块)产生相对应的三角函数g(t)和
[0055]
s4，将两路三角函数g(t)和分别用乘法器与x(t)和y(t)相乘，得到x(t)g(t)和
[0056]
s5，利用加法器对上述相乘后的信号进行相加，得到从而使得两路模拟信号共用一路模拟通道，信号在时域上混合叠加，实现两路模拟信号的合成。
[0057]
s6，利用a/d模块(模数转换模块)对上述合成的模拟信号z(t)数字化。按照奈奎斯特最低采样频率要求，取a/d采样频率fs≥2(b f0)，对信号进行模数转换，得到离散的数字信号序列z(n)。
[0058]
2.信号分离
[0059]
s7，依然由fpga分别产生数字序列g(n)和
[0060]
s8，在fpga中用数字序列相乘处理方法分别得到z(n)g(n)和
[0061]
s9，利用带通滤波器分别滤除z(n)g(n)和中的高频成份，相应得到和具体带通滤波器设计时，可根据z(n)g(n)和的频谱分布，设计两路-6db巴特沃斯12阶数字带通滤波器；从而z(n)g(n)和分别经该滤波器滤除高频成分，得到和和和即分别为信号x(t)和y(t)的估计值；从和中分别解算出峰值以及对应的时延，即可得到原本两超声传感器所感测的回波参数。
[0062]
二、效果测试
[0063]
按照上述技术方案，对超声信号进行合成与分离测试。分别进行以下两组测试，其中测试一中的两个超声回波信号存在时延差，而测试二中则不存在时延差。通过以下两组测试，来展示本发明对于不同时延回波的合成与分离效果。
[0064]
测试一
[0065]
1)合成
[0066]
在宽带窄脉冲的超声检测中，两个超声传感器阵元回波信号分别为：
[0067][0068][0069]
其中，a1，a2分别表示两个回波信号幅值；b1，b2分别表示两个回波信号带宽；t1，t2分别表示两个回波信号波达时刻；f1为超声传感器阵元中心频率。
[0070]
本测试中选取一组存在时延差的超声信号；具体参数为：幅值a1＝0.7v,a2＝0.7v,带宽b1＝3m hz,b2＝3m hz，波达时刻t1＝20us，t2＝22us，超声传感器中心频率f1＝2.5m hz；两超声信号分别如图2(a)和2(b)所示。
[0071]
分别提取上述两超声信号中的低频成分，相应得到信号x(t)和y(t)，具体函数表达式为：
[0072][0073][0074]
其中a3为增益，本测试中取a3＝3。x(t)和y(t)的波形分别如图3(a)和3(b)所示。
[0075]
经傅里叶变换得到回波信号x(t)和y(t)的频谱，并取幅频中幅值为0的主频带宽度b,本实施例中b＝3khz。利用fpga结合内嵌的rom和锁相环(pll)分别产生两路相位相差π/2的三角函数序列g(n)和再由d/a模块产生g(t)和其中要求三角函数频率f0≥2b，本实施例中取f0＝6khz。然后将两路三角函数g(t)和分别用乘法器与x(t)和y(t)相乘，得到x(t)g(t)和波形图分别如图4(a)、4(b)所示。
[0076]
用加法器对x(t)g(t)和进行合成，得到此时两路模拟信号共用一路模拟通道，可以利用单路a/d对合成信号进行数字化。
[0077]
依据奈奎斯特最低采样频率要求，取a/d采样频率为fs＝18khz，对合成信号进行模数转换，得到离散序列z(n),序列波形如图5所示。
[0078]
2)分离
[0079]
利用fpga分别产生与g(t)和对应的数字序列g(n)和然后用数字序列相乘处理方法分别得到x1(n)＝z(n)g(n)和
[0080]
x1(n)和y1(n)的具体函数表达式如下：
[0081][0082][0083]
x1(n)和y1(n)的波形图分别如图6(a)和图6(b)所示。
[0084]
根据x1(n)和y1(n)的频谱分布，设计两路-6db巴特沃斯12阶数字带通滤波器，带通滤波器通带频率为7khz,阻带频率为17khz，合成数字序列经过该滤波器后，其高频成份被滤除，分别得到分离信号和具体函数表达式如下：
[0085][0086][0087]
和的波形如图7(a)和7(b)所示。
[0088]
最终从和中分别解算出最大回波峰值，并计算得到该点对应的时延，从而获取到两路超声回波信号的幅值和时延参数
[0089]
三、测试二
[0090]
1)合成
[0091]
总体基于测试一，其中两超声回波信号x0(t)和y0(t)中，回波信号幅值a1＝0.7v，a2＝1.4v，波达时刻t1＝t2＝22us；波形图如图8(a)和8(b)所示。
[0092]
提取回波信号中低频成分，得到x(t)和y(t)，波形图如图9(a)和9(b)所示。
[0093]
生成两路三角函数g(t)和并分别与x(t)和y(t)相乘，得到x(t)g(t)和波形图如图10(a)和10(b)所示。
[0094]
使用加法器将两路信号进行合成，得到之后对合成的信号进行模数转换，得到z(n)，波形图如图11所示。
[0095]
2)分离
[0096]
生成g(n)和并用数字序列相乘处理方法得到x1(n)＝z(n)g(n)和(n)＝z(n)g(n)和波形图如图12(a)和12(b)所示。
[0097]
利用带通滤波器滤除高频成分，得到信号和波形图如图13(a)和13(b)所示。
[0098]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0099]
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。