专利名称：一种消除超声定位中声辐射干扰的方法
技术领域：
本发明涉及一种消除声辐射干扰的方法，具体涉及一种在超声定位中消除声辐射干扰以获得适于定位的超声信号的方法。
背景技术：
在实际运用中，如超声定位的典型系统一超声电子白板系统，其在书写板面内会存在一种声辐射干扰，此干扰的产生符合结构声学的吻合效应，其频率与信号频率相近甚至相等，其辐射遵循无指向性且强度大，现有的滤波技术难以将其滤除，从而会严重影响到系统定位性能，甚至会导致系统定位功能失效，严重地制约了超声定位系统的应用领域。 2008年，美国ebeam公司针对超声波在温度不均勻情况下的折射、反射等引起的声干扰问题，提出了基于多接收器分区定位的抗干扰方案，它在定位区域较大且环境温度变化不均勻时解决此声干扰是有效的，但存在成本高以及灵活性不够等缺点。2009年，该公司针对未知干扰，提出了自适应干扰消除的方案，虽然应用最小均方算法能很好地抑制此类干扰，但其收敛速度慢、实时性差，难以在嵌入式超声定位系统中应用。
发明内容
基于以上分析，在现有的超声抗干扰技术基础上进行创新，针对超声定位中声辐射干扰对定位功能的影响，寻求一种实时性较高的声辐射干扰消除方法是本发明的主要目标。本发明提供了一种有效的超声定位中声辐射干扰消除方法，包括如下步骤
(1)超声接收信号预处理；
(2)提取超声接收信号峰值包络，确定超声接收信号峰值包络上的最大值点或次最大值点或者最小值点为特征点；
(3)确定断点的位置；
(4)根据步骤(3)中获得的断点位置，通过选取步骤O)中获得的超声接收信号峰值包络的特征点，计算断点在超声接收信号上的相对位置并映射到参考信号上以获得参考信号的“伪断点”位置，基于“伪断点”作泰勒级数展开；
(5)波形替换。本发明所述步骤(1)中描述的超声接收信号预处理过程是指对超声接收信号进行数字滤波，滤除高频分量和去除直流分量。本发明所述步骤O)中描述的提取超声接收信号峰值包络过程是指对预处理后的超声接收信号进行一阶差分运算以进行符号变化判定，从而提取出超声接收信号的峰值包络。本发明所述步骤(3)中描述的确定断点的位置的过程是指对步骤⑵中获得的超声接收信号峰值包络进行二阶差商，并通过获取二阶差商最大值得到超声接收信号断点的位置。
本发明所述步骤(4)基于“伪断点”作泰勒级数展开的过程，其中所述的参考信号可以是混合指数模型信号、双指数模型信号或者高斯模型信号。本发明6所述步骤( 中的波形替换过程是指利用步骤(4)中泰勒级数展开获得的波形替换步骤(3)中所述断点之前的波形。通过获取实测超声接收信号断点位置，再通过映射关系获得参考信号上的“伪断点”位置，进一步利用“伪断点”处的泰勒级数展开获得的波形替换实测超声接收信号断点以前的波形，最终消除声辐射干扰。通过上述步骤，达到消除声辐射干扰的目的。本发明的优点具有如下优点
1.与现有滤波技术相比较，本发明提出的方法有效地消除超声定位系统的声辐射干扰。2.利用参考信号“伪断点”处泰勒级数展开替代超声接收信号断点之前波形，在保证消除声辐射干扰的同时可有效地降低算法的运算量，利于在实时性要求较高的嵌入式超声定位系统中的应用。
图1是本发明的消除超声定位中声辐射干扰方法的总体流程图； 图2是本发明的超声接收信号预处理框图3A是本发明的携带声辐射干扰的超声接收信号预处理后的波形图； 图3B是本发明的超声电子白板系统产生声辐射干扰的具体实施例； 图4是本发明的带有声辐射干扰的超声信号预处理后的峰值包络图； 图5A是本发明的超声接收信号断点位置确定的流程图； 图5B是本发明的用于超声接收信号断点位置确定的波形图； 图6是本发明的断点位置映射关系示意图7是本发明的利用参考信号上对应“伪断点”位置的泰勒级数展开获得的波形替换超声接收信号断点前信号波形的实施过程；
图8A-l、8A-2、8B-l、8B-2、8C-l、8C-2是本发明的仿真实验结果图。
具体实施例方式包括如下步骤
(1)超声接收信号预处理；
图1是示出根据本发明的消除超声定位中声辐射干扰方法的总体流程图。具体包括如下步骤—对超声接收信号进行预处理，以获得高信噪比、低数据错误率的信号数据；—提取超声接收信号峰值包络，以便利用其进行算法处理；—确定断点的位置，以便进行映射变换；—基于“伪断点”作泰勒级数展开，以提取理想超声信号包络；—波形替换，以便获得消除声辐射干扰后适于定位的超声信号。图2是示出根据本发明的超声接收信号预处理框图。超声接收传感器接收的信号是非常微弱的模拟信号，在经信号放大电路和A/D转换电路后信号仍携带有一定的高频噪声，为此，在本发明的具体实施例中，选取数字FIR滤波器对超声接收信号进行预处理，并经时域卷积运算滤除高频分量和去除直流分量，以获得高信噪比、低数据错误率的信号数据；
图3A是示出根据本发明的携带声辐射干扰的超声接收信号预处理后的波形图。如图所示，[301]是超声信号，[302]是声辐射信号。在本发明的超声电子白板系统产生声辐射干扰的具体实施例中，如图3B所示，由于信号笔[303]的激励会在书写板面[304]形成一个声辐射源[305]，其辐射频率与板面弯曲刚度和板面厚度有关，辐射指向性是弱指向性， 辐射强度大，经超声接收器[306]接收后将得到带有声辐射干扰的超声接收信号波形，声辐射干扰的存在会严重影响到系统定位性能，甚至会导致系统定位功能失效。(2)提取超声接收信号峰值包络，确定超声接收信号峰值包络上的最大值点或次最大值点或者最小值点为特征点；
图4是示出根据本发明的带有声辐射干扰的超声信号预处理后的峰值包络图。如图4 所示，[401]代表信号最大峰值点，[402]代表由最大峰值点向前计算的第一个断点，对预处理后的超声接收信号进行一阶差分运算以进行符号变化判定，从而提取出超声接收信号的峰值包络，便于利用其进行算法处理。(3)确定断点的位置；
图5A、5B是示出根据本发明的超声接收信号断点位置确定的具体实施过程。其具体定位过程如下—在保存数据中搜索最大幅值maxl[505]；—搜索直达信号max2 [506]并保存其地址max2ad[507]；—在[506]前200点内，计算信号峰值的二阶差商；—搜索二阶差商最大值，得到信号断点[402]。(4)根据步骤(3)中获得的断点位置，通过选取步骤O)中获得的超声接收信号峰值包络的特征点，计算断点在超声接收信号上的相对位置并映射到参考信号上以获得参考信号的“伪断点”位置，基于“伪断点”作泰勒级数展开；
图6是示出根据本发明的断点位置映射关系示意图。在超声接收信号的峰值包络中提取断点[402]位置和特征值点W01](在本实施例中，特征值点为超声接收信号峰值包络上的最大值点，但也不仅限于此，还可以根据实际情况以超声接收信号峰值包络上的次最大值点或者最小值点作为特征值点)后，将其对应映射到参考信号上以获得参考信号的“伪断点” [602]和最大峰值点W01]的位置，其映射关系为[401] 一 [601], [402] — [602]。需要进一步说明的是在本实施例中，参考信号可以是混合指数模型信号、 双指数模型信号或者高斯模型信号。以混合指数模型信号为例，其信号表达式为
v(f) = pV〖raS(2;r// + 0)，其中，Γ,是信号的幅度，m为正整数，取值范围为广3，久是超声信
号的中心频率，β为初相位，h为衰减因子。信号的包络为= 。(5)波形替换。图7是示出根据本发明的利用参考信号上对应“伪断点”位置的泰勒级数展开获得的波形替换超声接收信号断点前信号波形的实施过程。其具体实现过程如下[701]—在参考信号“伪断点”处作泰勒级数展开并保留前三项；—利用泰勒级数展开获得的波形替换超声接收信号断点前信号波形；—消除辐射干扰，获得去除声辐射干扰的超声信号。本发明所述步骤O)中描述的提取超声接收信号峰值包络过程是指对预处理后的超声接收信号进行一阶差分运算以进行符号变化判定，从而提取出超声接收信号的峰值包络。本发明所述步骤(3)中描述的确定断点的位置的过程是指对步骤⑵中获得的超声接收信号峰值包络进行二阶差商，并通过获取二阶差商最大值得到超声接收信号断点的位置。本发明所述步骤(4)基于“伪断点”作泰勒级数展开的过程，其中所述的参考信号可以是混合指数模型信号、双指数模型信号或者高斯模型信号。本发明6所述步骤( 中的波形替换过程是指利用步骤(4)中泰勒级数展开获得的波形替换步骤(3)中所述断点之前的波形。特别需要指出的是，本发明实施例中采用的泰勒级数展开方法是用多项式来简化参考信号的数学模型，在求某点处的函数值时，只需要进行有限次乘加运算，在很大程度上减小了运算量，保证了超声定位系统对实时性的要求。下面从仿真实验的结果说明本发明消除超声定位中声辐射干扰方法的效果。在本发明的具体实施例中，设定的实验条件为以超声定位的典型系统一超声电子白板系统为实验平台，分别在厚度为0. 25mm、0. 45mm以及0. 65mm的铁质均勻板材上利用本发明提供的方法消除声辐射干扰实验。图 8A-l、8A-2、8B-l、8B-2、8C-l、8C-2 分别示出了在厚度为 0. 25mm、0. 45mm 以及 0. 65mm的铁质均勻板材上利用本发明方法恢复出超声信号的效果图。从图中可以看出，根据本发明提供的消除超声定位中的声辐射干扰的方法在有无声辐射干扰的条件下均能准确地恢复出适于定位的超声信号，适用性较强。
权利要求
1.一种消除超声定位中声辐射干扰的方法，其特征在于包括如下步骤(1)超声接收信号预处理；(2)提取超声接收信号峰值包络，确定超声接收信号峰值包络上的最大值点或次最大值点或者最小值点为特征点；(3)确定断点的位置；(4)根据步骤(3)中获得的断点位置，通过选取步骤O)中获得的超声接收信号峰值包络的特征点，计算断点在超声接收信号上的相对位置并映射到参考信号上以获得参考信号的“伪断点”位置，基于“伪断点”作泰勒级数展开；(5)波形替换。
2.根据权利要求1所述的一种消除超声定位中声辐射干扰的方法，其特征在于其中所述步骤(1)中描述的超声接收信号预处理过程是指对超声接收信号进行数字滤波，滤除高频分量和去除直流分量。
3.根据权利要求1所述的一种消除超声定位中声辐射干扰的方法，其特征在于其中所述步骤O)中描述的提取超声接收信号峰值包络过程是指对预处理后的超声接收信号进行一阶差分运算以进行符号变化判定，从而提取出超声接收信号的峰值包络。
4.根据权利要求1所述的一种消除超声定位中声辐射干扰的方法，其特征在于其中所述步骤C3)中描述的确定断点的位置的过程是指对步骤( 中获得的超声接收信号峰值包络进行二阶差商，并通过获取二阶差商最大值得到超声接收信号断点的位置。
5.根据权利要求1所述的一种消除超声定位中声辐射干扰的方法，其特征在于其中所述步骤(4)基于“伪断点”作泰勒级数展开的过程，其中所述的参考信号可以是混合指数模型信号、双指数模型信号或者高斯模型信号。
6.根据权利要求1所述的一种消除超声定位中声辐射干扰的方法，其特征在于其中所述步骤(5)中的波形替换过程是指利用步骤中泰勒级数展开获得的波形替换步骤(3) 中所述断点之前的波形。
全文摘要
本发明提供了一种消除超声定位中声辐射干扰的方法。所述方法具有如下特征首先通过数字滤波对超声接收信号进行预处理，然后通过一阶差分提取超声接收信号峰值包络；其次对超声接收信号峰值包络进行二阶差商，并基于二阶差商最大值获得超声接收信号的断点位置；再次，将所述断点位置映射到参考信号上以获得参考信号上的“伪断点”位置并基于参考信号的“伪断点”位置进行泰勒级数展开；最后，利用泰勒级数展开获得的波形替换所述断点之前的波形。本发明的优点在于成本低、灵活性高，在有无声辐射干扰的条件下均能准确地恢复出适于定位的超声信号，适用性强，且算法的运算量小，能应用于实时性高的超声定位系统中。
文档编号H04B15/00GK102208951SQ20111014456
公开日2011年10月5日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者孙晓颖, 温泉, 燕学智, 王波, 田野, 秦运柏, 胡封晔, 陈建 申请人:吉林大学