[發(fā)明專利]基于sinc插值的超聲相控陣接收信號精延時方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410005966.4
• 申請日: 2014-01-03
• 公開（公告）號: CN103776907A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設計）人: 吳海騰;吳施偉;金浩然;楊克己;呂福在;武二永
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N29/44
• 分類號: G01N29/44
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發(fā)明屬于工業(yè)超聲無損檢測技術領域，涉及一種基于sinc插值的超聲相控陣接收信號精延時方法。

背景技術

超聲相控陣檢測技術是一種先進的超聲無損檢測技術，由于其顯著的優(yōu)點，已在航空、核能、機械、電力、石化和鐵道等領域得到廣泛的應用，創(chuàng)造了巨大的社會效益和經濟效益。超聲相控陣檢測系統(tǒng)使用陣列換能器，通過調整各陣元發(fā)射/接收信號的時間延遲實現相位延遲，可以控制合成波陣面的曲率、指向、孔徑等，達到波束聚焦、偏轉、波束形成等多種相控效果，形成清晰的圖像。時間延遲精度決定了相位延遲精度，對檢測系統(tǒng)的對比度分辨率和空間分辨率有重要影響，是衡量系統(tǒng)的重要指標之一。

數字延時的精度高，控制方便、穩(wěn)定性好，可以大大提高超聲相控陣成像質量。數字延時的實現可以分為粗延時和精延時，粗延時基于采樣時鐘計數，實現起來比較簡單，精度可以達到10ns，而精延時要求能達到10ns以內，實現起來比較困難。目前實現精延時主要有兩種方法，一種是每一個通道使用一個專用的采樣時鐘采樣，這些時鐘的相位互相錯開，值為各通道延遲之差。當系統(tǒng)的獨立通道增多至32通道甚至更多，系統(tǒng)將無法提高這么多時鐘資源。另一種是先對全部通道用同一時鐘進行采樣，再對各個通道的信號進行插值來增加采樣的點數，以提高精延時的精度，稱為信號復原。sinc插值是一種無偏差的信號復原方法，根據Shannon采樣定理，在滿足采樣定理的條件下，任何頻率有限信號都可以由其離散時間樣本實現精確重構，因此利用sinc插值實現信號的精延時是一種行之有效的方法。不過，sinc插值需要無窮項求和，在具體實現時要進行截斷處理，通常限制在8點以下，這樣不可避免的會產生一些誤差，如Gibbs效應。為了減小這種影響，應對插值核進行加窗銳化處理。

近年來FPGA（field?programmable?gate?arrays，FPGA）在速度和容量上的飛速發(fā)展使其在高速數字信號處理領域得到廣泛的應用，由于超聲相控陣系統(tǒng)具有大數據量、運算復雜、流程相對固定等特點，因此FPGA成為超聲相控陣系統(tǒng)數據實時處理的最佳選擇。

發(fā)明內容

本發(fā)明針對現有技術的不足，提供了一種基于sinc插值的超聲相控陣接收信號精延時方法。

本發(fā)明通過sinc插值可以得到任意時刻的復原信號，實現任意步長的接收信號精延時。為了避免直接截斷sinc函數而引起Gibbs現象，對sinc函數進行加窗處理，以得到更加精確的延遲信號。利用FPGA強大的實時并行處理能力，以流水線方式快速地進行sinc插值，直接輸出原始采樣信號精延時之后的信號。本發(fā)明可以明顯提高超聲相控陣接收信號的時間延遲精度，且具有較高的處理效率，大大改善檢測系統(tǒng)的對比度分辨率和空間分辨率。

本發(fā)明的技術問題通過以下的技術方案予以解決：

步驟一：主控計算機根據設置的接收信號延時精度計算8點插值需要的8個sinc插值系數，得到采樣周期內各個延時值對應的8個插值系數。

步驟二：將各個延時值對應的8個插值系數轉換成32位浮點數，分別存儲至FPGA內的8個雙口RAM。

步驟三：根據精延時生成相應讀取插值系數雙口RAM的地址。

步驟四：FPGA開始采樣，將輸入的有效數據轉換成32位浮點型數據，并以流水方式依次在8個數據緩存寄存器中傳遞存儲。

步驟五：以采樣時鐘為步調，將當前8個數據緩存寄存器中的數據分別和各自對應的插值系數相乘，對8個乘積求和，流水輸出一連串插值后的數據。

步驟六：對插值后的數據作浮點型轉換成整型的處理，輸出延時后的信號，完成采樣輸入信號的精延時。

本發(fā)明的有益效果主要表現在：

（1）利用sinc函數具有復原信號的功能特點，并用漢寧窗對其進行加窗處理，得到準確的插值系數。

（2）利用FPGA快速的實時處理能力設計sinc插值模塊，高效地實現信號的精延時。

（3）高精度的信號延遲決定信號的相位延遲，能夠更加精確的控制合成波陣面的曲率、指向、孔徑等，達到波束聚焦、偏轉、波束形成等多種相控效果，形成更加清晰的圖像。

（4）大大改善檢測系統(tǒng)的對比度分辨率和空間分辨率。

附圖說明

圖1是sinc插值實現超聲相控陣接收信號精延遲的操作流程圖。

圖2是sinc函數和加漢寧窗sinc函數示意圖。

圖3是sinc插值實現超聲相控陣接收信號精延時的MATLAB仿真示意圖。