專利名稱：超聲信號的數(shù)字信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲信號處理技術(shù)，涉及利用數(shù)字信號處理(DSP)超聲信號的方法。
背景技術(shù)：
圖1為超聲信號處理的傳統(tǒng)模型。由于AD轉(zhuǎn)換器的采樣速度較低，所以在AD轉(zhuǎn)換器前端必須加入抗混疊濾波器。通常這一抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)非常煩瑣，它的電路在印刷電路板上占據(jù)了相當(dāng)大的面積，而且設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后無法改變，無法適應(yīng)不同類型的超聲應(yīng)用。特征提取與噪聲衰減方面采用傅立葉變換。
圖2為目前人們采用的一種改進(jìn)的模型。雖然AD轉(zhuǎn)換器的采樣速度較高，但是為了提高信噪比并降低抗混疊濾波器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，使用4倍甚至更高的過采樣率，而提高的采樣率帶來更大的數(shù)據(jù)量。為了提取有用信息并降低數(shù)據(jù)量，人們采用復(fù)雜可編程邏輯器件(FPGA)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波和下采樣。FPGA雖具有在線可編程的特點(diǎn)，但是它不可以實(shí)時(shí)修改，配置并不方便，而且數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)也仍然無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。特征提取與噪聲衰減方面采用傅立葉變換，缺點(diǎn)是單純地進(jìn)行時(shí)域或頻域的分析對于缺陷特征的識別往往不夠充分。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述背景技術(shù)中抗混疊濾波器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后無法改變，無法適應(yīng)不同類型超聲應(yīng)用的問題；可編程邏輯器件不能實(shí)時(shí)修改、配置不方便、設(shè)計(jì)不能自動(dòng)化，對缺陷特征的識別不充分等問題，本發(fā)明將要提出一種集成式的對超聲信號的數(shù)字信號處理(DSP)方法。
本發(fā)明超聲信號的數(shù)字處理方法步驟如下a.首先將超聲信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字超聲信號，數(shù)字超聲信號通過提升小波包變換濾波后產(chǎn)生超聲射頻信號；b.利用希爾伯特(Hilbert)變換將步驟a產(chǎn)生的超聲射頻信號轉(zhuǎn)換成具有其特征的超聲解析信號；c.將步驟b產(chǎn)生的超聲解析信號通過正交解調(diào)產(chǎn)生正交解調(diào)信號；d.將步驟c產(chǎn)生的正交解調(diào)信號再次通過提升小波包變換，產(chǎn)生壓縮的正交解調(diào)信號；e.將步驟d產(chǎn)生的壓縮的正交解調(diào)信號在進(jìn)行超聲成像的同時(shí)進(jìn)行聯(lián)合時(shí)頻分析，得到含有時(shí)域和頻域的時(shí)頻信息；f.將步驟b產(chǎn)生的超聲解析信號和步驟e時(shí)頻信息進(jìn)行特征提取，則完成超聲信號的數(shù)字處理。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)由于采用了提升小波包變換(WPT)，使用正交與雙正交小波從有用子帶中提取超聲信號來進(jìn)行濾波，小波分解的級次和有用的子帶根據(jù)采樣頻率、傳感器的中心頻率和帶寬自動(dòng)確定，就不再需要設(shè)計(jì)濾波器，解決了抗混疊濾波器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后無法改變、無法適應(yīng)不同類型超聲應(yīng)用的問題。小波包變換的最大優(yōu)點(diǎn)是信號特征的提取非常容易，它在特征提取與噪聲衰減方面的性能在許多領(lǐng)域中都勝過了傳統(tǒng)的快速傅立葉變換。
由于本發(fā)明采用DSP構(gòu)架，將超聲信號進(jìn)行處理，具有高度靈活性，可以實(shí)時(shí)修改，因而實(shí)時(shí)性佳，解決了采用可編程邏輯器件不能實(shí)時(shí)修改、配置不方便、設(shè)計(jì)不能自動(dòng)化，對于缺陷特征的識別不充分等問題。特別地，這種架構(gòu)使用聯(lián)合時(shí)頻分析技術(shù)，提取被測材料有關(guān)超聲信號的完整性與幾何特征的重要信息較傳統(tǒng)的快速傅立葉變換更加豐富。
本發(fā)明可以應(yīng)用于材料的無損檢測與評估、聲納、距離與速度測量以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域。


圖1是背景技術(shù)傳統(tǒng)超聲信號處理的結(jié)構(gòu)示意2是背景技術(shù)常用的超聲信號處理的結(jié)構(gòu)示意3時(shí)本發(fā)明超聲信號處理的結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明超聲測試系統(tǒng)中數(shù)字信號處理結(jié)構(gòu)
具體實(shí)施例方式實(shí)施例如圖3圖4所示包括時(shí)間增益補(bǔ)償電路、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理電路、計(jì)算機(jī)。
時(shí)間增益補(bǔ)償電路包括可編程邏輯器件、A轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器。可編程邏輯器件采用CPLD可編程邏輯器件；DA轉(zhuǎn)換器采用MAX5110高速DA轉(zhuǎn)換器；可編程增益放大器采用AD604可編程增益放大器。時(shí)間增益補(bǔ)償電路由CPLD經(jīng)高速DA轉(zhuǎn)換器控制可編程增益放大器來實(shí)現(xiàn)。
A/D轉(zhuǎn)換器可采用40Mhz/60MHz的A/D轉(zhuǎn)換器，如MAX1183。
數(shù)字信號處理電路采用TI的DSP開發(fā)板TMS320C6701EVM，結(jié)構(gòu)如圖5所示。
計(jì)算機(jī)分析軟件采用美國國家儀器公司的Labwindows/CVI虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)。
本發(fā)明中a.利用提升小波包變換將數(shù)字超聲信號分解到二進(jìn)制子頻帶，根據(jù)傳感器超聲頻帶，保留所需二進(jìn)制子頻帶信號能量，屏蔽或壓制其它頻帶信號能量，而后經(jīng)小波反變換，綜合出濾波后信號，即超聲射頻信號(1)。
b.以超聲射頻信號作為實(shí)部，超聲射頻信號經(jīng)過Hilbert變換后的信號作虛部即構(gòu)成超聲解析信號(2)，超聲解析信號是復(fù)信號，只有正頻率成分。
Hilbert變換就是將超聲射頻信號作90度相移，得到超聲射頻信號的正交信號。定義如下h(t)=H{x(t)}=-1π∫-∞∞x(τ)t-τdτ]]>c.超聲解析信號(2)的幅度即構(gòu)成了超聲射頻信號(1)的復(fù)包絡(luò)，即正交解調(diào)信號(3)，所以將步驟b產(chǎn)生的超聲解析信號(2)取模，即得到超聲射頻信號(1)的包絡(luò)，即正交解調(diào)信號(3)；d.步驟c產(chǎn)生的正交解調(diào)信號(3)再次通過提升小波包變換，提取低頻段信號能量即得到壓縮的正交解調(diào)信號(4)；e.將壓縮的正交解調(diào)信號(4)的信號幅度以色彩表示，每個(gè)掃描信號即構(gòu)成一條色彩隨幅度變換的線條，上千條掃描線即構(gòu)成了彩色的超聲圖像。
利用Labwindows/CVI中相關(guān)的函數(shù)對壓縮的正交解調(diào)信號(4)進(jìn)行聯(lián)合時(shí)頻分析。聯(lián)合時(shí)頻分析將一維的時(shí)域信號轉(zhuǎn)變成二維的能量對時(shí)間和頻率的聯(lián)合分布?？梢詫⒆儞Q結(jié)果以3維或稱之2.5維的方式表現(xiàn)出來(能力大小以光強(qiáng)或色彩值表現(xiàn))。聯(lián)合時(shí)頻分析對應(yīng)于一個(gè)信號，是信號能量在時(shí)間和頻率方面的綜合表達(dá)。它能準(zhǔn)確的判定特征信號的出現(xiàn)時(shí)間和對應(yīng)的頻率及其強(qiáng)度。聯(lián)合時(shí)頻分析展現(xiàn)了信號的頻率成分隨時(shí)間變換的過程。通過時(shí)間和頻率域的同時(shí)分析我們得到了更豐富的信息。
f.利用Labwindows/CVI中相關(guān)的函數(shù)提取信號的瞬時(shí)頻率的方法，完成精確的目標(biāo)定位，將步驟b產(chǎn)生的超聲解析信號(2)和步驟e時(shí)頻信息進(jìn)行特征提取，則完成超聲信號的數(shù)字處理。
權(quán)利要求
1.超聲信號的數(shù)字處理方法，其特征在于其步驟如下a.首先將數(shù)字超聲信號通過提升小波包變換濾波后產(chǎn)生超聲射頻信號；b.利用希爾伯特(Hilbert)變換將步驟a產(chǎn)生的超聲射頻信號轉(zhuǎn)換成具有其特征的超聲解析信號；c.將步驟b產(chǎn)生的超聲解析信號通過正交解調(diào)產(chǎn)生正交解調(diào)信號；d.步驟c產(chǎn)生的正交解調(diào)信號再次通過提升小波包變換，產(chǎn)生壓縮的正交解調(diào)信號；e.步驟d產(chǎn)生的壓縮的正交解調(diào)信號在進(jìn)行超聲成像的同時(shí)進(jìn)行聯(lián)合時(shí)頻分析，得到含有時(shí)域和頻域的時(shí)頻信息；f.將步驟b產(chǎn)生的超聲解析信號和步驟e時(shí)頻信息進(jìn)行特征提取，則完成超聲信號的數(shù)字處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用數(shù)字信號處理超聲信號的方法。將數(shù)字超聲信號通過提升小波包變換濾波、希爾伯特(Hilbert)變換、正交解調(diào)等處理，在合成超聲成像的同時(shí)進(jìn)行聯(lián)合時(shí)頻分析和特征提取。本發(fā)明提出的集成式的數(shù)字信號處理構(gòu)架，可以實(shí)時(shí)地分析射頻信號、解析信號以及正交解調(diào)信號。特別地，可以使用聯(lián)合時(shí)頻分析技術(shù)提取出較傳統(tǒng)的快速傅立葉變換更加豐富的有關(guān)被測材料完整性與幾何特征的重要信息。作為虛擬儀器開發(fā)的軟件平臺，Labwindows/CVI被用于構(gòu)筑了基于計(jì)算機(jī)的上層測試與控制組件。這一系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)基于小波的動(dòng)態(tài)濾波、降噪、下采樣、聯(lián)合時(shí)頻分析，以及專業(yè)的測試與控制。本發(fā)明可以應(yīng)用于材料的無損檢測與評估、聲納、距離與速度測量以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域。
文檔編號H03M1/12GK1731388SQ20041001140
公開日2006年2月8日 申請日期2004年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月30日
發(fā)明者肖影, 呂增明, 鄭立男 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所