[發明專利]一種CIC多相內插濾波超聲相控陣波束延時方法

有效

• 申請號: 201610107254.2
• 申請日: 2016-02-26
• 公開（公告）號: CN105759255B
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發明（設計）人: 劉桂雄;唐文明
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01S7/52
• 分類號: G01S7/52
• 代理公司: 北京天奇智新知識產權代理有限公司 11340
• 代理人: 王澤云

1.一種CIC多相內插濾波超聲相控陣波束延時方法，其特征在于，所述方法包括：

A通過聚焦法則激勵多陣元探頭，對反射波進行接收延時聚焦；

B回波升采樣，采樣率從f_s提升到I·f_s，同時I路分解，形成相鄰兩路1/(I·f_s)的延時精度；

C通過N階CIC濾波器實現多相內插濾波；

所述步驟B具體實現方法如下：

回波信號的采樣率為f_s，兩個樣點間采樣時間ΔT_s＝1/f_s，可通過內插技術，進行I倍內插采樣率提升到I·f_s，則兩個樣點間采樣時間ΔT_s＝1/(I·f_s)，其精度提高I倍，其回波信號延時聚焦精度為1/(I·f_s)，

(1)I倍內插器，兩個原始采樣點之間插入I-1個零值，即實現I倍內插，速率提升到I·f_s；

(2)抗鏡像濾波，插零后會使得原始信號的頻譜發生變化，若原始序列以及頻譜分別為x(n)、X(e^jw)，則內插后的時域序列與頻域譜分別為：

則內插后信號頻譜為原始序列頻譜經I倍壓縮后得到，內插后的頻譜產生周期為π/I鏡像分量，可通過帶寬為π/I、長度L低通濾波器h_LP(n)(H_LP(ω))恢復出原始信號；

上述步驟C是通過N階CIC濾波器多項內插通項公式實現多項內插濾波；實現步驟如下：

N階CIC濾波器的數學表達式為：

從式(2)可以看出，N階CIC濾波器可等效等效為N個積分器、梳狀濾波器的組合；

其參數說明如下：①N-CIC濾波器的階數；②I-抽取或內插系數；③M-梳狀濾波部分的延時因子，一般取1；

N階CIC濾波器由N個梳狀濾波器和積分器組成，存在的特殊反饋結構，使其結構不能簡單地進行多相分解，實現多相內插濾波，具體包括：對回波信號插零升采樣后，通過CIC濾波器實現抗鏡像濾波濾除高頻成分，對信號I倍內插零再濾波，重組CIC濾波器內插器、積分器，在采樣率f_s下完成內插濾波運算，通過多相分解技術實現對內插后I·f_s速率信號的處理，即在采樣率f_s下多相輸出I相，此濾波器即CIC多相內插濾波器；

積分器中的每個寄存器z_i等效為一個累加器，對這個內插濾波器輸入采樣率為f_s的數字序列，分析輸出結果；內插I倍即每兩個樣點間插I-1個零，工作在I·f_s速率的積分器，實際是每I個1/I·f_s采樣周期輸入一個有效樣點，其余時刻輸入是零，不需要進行運算，如是可合并內插器、積分器，在采樣率f_s下完成內插濾波運算，即在采樣率f_s下通過多相輸出，可實現任意倍內插濾波；

每個節點加法器賦上坐標p(x,y)，設積分部分對應寄存器值分別為z₀、z₁、…、z_N，可得Y(i)其中i＝0、1、…、I-1，必定為變量z₀、z₁、…、z_N的一次多項式，令Y(i)＝A₀z₀+A₁z₁+A₂z₂+…+A_Nz_N，下面求解系數A_i；設p(i,j)為此時刻坐標(i,j)節點對應的值，根據各節點的值有如下的遞推關系式：

如果不考慮中間值p(i-1,j-1)和p(i,j-1)，可直接用t_m時刻節點值p(0,0)＝z₀、p(0,1)＝z₁、p(0,2)＝z₂、…、p(0,N)＝z_N表示p(x,y)；

給定時刻節點(i,0)作為起點，求到節點(x,y)的路徑，關系到求兩節點間最短路徑數問題，m×n矩形網格，右上角點到左下角點最短路徑數為Cm_m+n，則坐標(i,0)到(x,y)的最短路徑數A_i可表示：

由于寄存器z_i值為p(i,0)，如是經坐標(i,0)到達(x,y)后的值p(x,y)_i＝A_iz_i，從而節點值p(x,y)＝A₀z₀+A₁z₁+A₂z₂+…+A_Nz_N表示如下：

其中其中：δ＝0，表示輸出項p(x,y)中不含z₀；

令x＝N為CIC濾波器階數，可得最后的多相分解輸出相：

令y＝I可得下一個時鐘周期寄存器z_x的值，其中，I為內插倍數，該值為反饋環路增益值：

式(6)、(7)稱為CIC濾波器多相內插濾波求解公式。

2.如權利要求1所述的CIC多相內插濾波超聲相控陣波束延時方法，其特征在于，所述步驟A具體包括：通過一定的聚焦法則激勵多陣元探頭，對反射波進行接收延時聚焦，使能量聚合，以獲得靈活可控的合成波束及聚焦點位置的隨意控制，通過粗延時、細延時各延時時間，實現聲束任意偏轉對工件各方位掃描。