压电超声换能器驱动信号的成型方法与流程

本发明涉及超声波传输系统中提高信噪比的方法，属于电学技术领域。

背景技术：

超声技术是一门以物理、电子、机械以及材料为基础的通用技术之一。目前超声技术的应用已经深入到社会生活的各个领域，如超声定位在军事中的应用，它可以用来探测水中的暗礁和敌人的潜艇，同时探测海水的深度；如超声检测在工业上的应用，利用它的反射特性可进行锻件、焊缝的检测，以及材料厚度的测定等；超声无损探伤更是逐渐成为众多领域里非侵入性检查的主要方法。

其中无损探伤领域是如今超声应用的热门，其中空气耦合式非接触性检测则是无损探伤的最大优点，因为它可以检测多种材料的物质，例如金属、聚合物、复合材料等。这种检测方式还适用于各种恶劣环境，如人类无法直接接触的有毒场所，或是需要用到快速扫描的场所。所以为了实现更精准、可靠的应用目的，提高测量的精确性和可靠性无疑成为当下超声技术研究最迫切的方向。

在测量中本发明用信噪比(signalnoiseratio，snr)来描述系统的可靠性，现已有多种方法用于提高超声系统的snr。对于空气耦合式超声应用，换能器的波束发散角越小则能量越集中，所以可以提高snr。基于此需要通过优化换能器结构或使用新材料解决，显然这不是最优的解决方法。在空气中进行检测，遇到最大的问题，是克服超声穿过固体后对检测的影响，这里需要克服换能器在空气和固体之间的声阻抗不匹配问题。可以利用脉冲压缩技术，使超声发送转置产生一个宽带扫频chirp超声信号，再经由空气传播至接受装置。实验表明，脉冲压缩适用于超声装置并可显著提高系统snr，适用于超声检测等场合。还可以利用信号平均与相关技术，从噪声中恢复出目标信号，提高系统的可靠性。但是当前大多数空气耦合式超声波通常使用压电式换能器产生，由于这种换能器的带宽比较窄，所以上述方法均不适合于压电换能器超声应用中。本发明需要找到一种基于窄带脉冲驱动的方法，用于提高压电超声系统的可靠性与精确性。同时，换能器时域响应也会影响系统的信噪比，从而影响检测的精确度，通常时域响应过长会造成检测信号失真。所以本发明提出一种新的驱动信号算法，适用于压电式窄带换能器并可显著改善响应拖尾现象，从而有效提高超声应用系统的可靠性和精确性。

技术实现要素：

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种压电超声换能器驱动信号的成型方法，该方法应用于压电式窄带超声换能器，通过产生特定驱动信号从而改善响应拖尾以及提高系统信噪比。该方法基于信号处理原理，通过合成参考时域脉冲响应信号，从而得到理想的接受信号，并根据mmse准则从而逆推出所需的驱动信号。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种压电超声换能器驱动信号的成型方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：选取中心频率一定的窄带压电式换能器构成收发装置，并确保收发换能器的震动平面水平，同时二者中心点在一条直线上；

步骤2：使用波形发生器产生一个窄带参考脉冲信号xsrp(t)，并驱动发送换能器；

步骤3：接受换能器收到上述步骤2中发送的传输信号后，将信号读取至示波器，并接受参考脉冲响应信号ysrp(t)，最后连接至电脑进行数字化分析；

步骤4：从上述步骤3中可得到的响应信号为ysrp(t)，并对该信号进行时域采样，采样频率为fc，采样后可得到离散参考响应信号ysrp(n)；

步骤5：对上述步骤4中得到的离散参考响应信号ysrp(n)进行加窗w(n)，截取其中波形完整部分作为目标响应信号yobj(n)；

步骤6：对上述步骤4中得到的离散参考响应信号ysrp(n)进行叠加，根据信号叠加原理，经过上述操作的信号可模拟多个收发系统的总脉冲响应，可得到合成驱动响应信号其中n为采样点数，ak为待求加权系数；

步骤7：根据误差平方和均值最小准则，对加权系数ak值进行估计；

步骤8：根据上述步骤7中得到的加权系数ak，以及上述步骤2中的离散化窄带参考脉冲信号xsrp(n)进行合成，得到目标驱动信号xobj(n)。

进一步地，本发明的目标响应信号从参考脉冲响应信号中截取，以保证超声波信号传输的特点。并通过将参考响应信号延时叠加信号处理的方式，合成目标响应，以此逆推出目标驱动信号的波形。

有益效果：

1、相比于传统的通过改善换能器结构或是脉冲压缩来提高信噪比的方法，本发明更适用于空气耦合压电式窄带换能器，扩展了压电式换能器的应用范围。

2、相比于利用信号平均和相关技术的方法从噪声中恢复出原始信号，本发明采用驱动信号成型的方式，从发射端解决信号与噪声混杂的问题，可以显著地提高系统的信噪比(snr)。

3、本发明通过产生新的驱动信号，以达到解决换能器时域响应拖尾的现象，从而改善系统信噪比并提高精确度。

4、本发明对于加权系数的估计采用误差平方和均值最小准则，而非误差平方和最小准则，mmse准则更适用于超声波传输系统，并能很好地提高系统的信噪比。

附图说明

图1为本发明所采用系统框图。

图2为本发明所采用实验框图。

图3为本发明的窄带参考脉冲信号xsrp(n)与参考脉冲响应信号ysrp(n)。

图4为本发明的目标响应信号yobj(n)。

图5为本发明的合成加权系数ak与合成驱动信号xmpl(n)。

图6为本发明的换能器放置对系统的影响示意图。

图7为本发明的合成驱动信号经过数值仿真模型后得到的系统响应信号。

图8为本发明的合成驱动信号在实际测验中得到的系统响应信号。

图9为实际通信中采用本发明的响应信号作为载波与普通响应信号作为载波的系统信噪比的比较。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

如图1所示的具体技术方案为，将一个典型的超声收发系统简化为图中所示，具有三个脉冲响应的系统。该系统将作为本发明获取脉冲响应的实验基础。

如图2所示的具体技术方案为，将本发明所用除超声系统外的实验仪器简化如图。通过波形发生器与示波器读取超声波的电信号变现形式，以便分析。通过matlab软件对超声信号进行算法分析，以求取结果。

如图3所示的具体技术方案为，选取系统参考驱动脉冲，并通过图1的系统和图2对信号的处理后，获得系统参考时域响应。该响应将作为求得目标响应的参考信号。

如图4所示的具体技术方案为，对图3中的参考时域响应进行加窗滤波后，得到本发明的目标时域响应。通过对真实信号截取的方式获得目标响应可增强算法的可靠性。

如图5所示的具体技术方案为，通过本发明所提出的算法，并综合误差平方和均值最小准则，逆推合成目标驱动信号。

如图6所示的具体技术方案为，为验证本发明所提算法，对超声系统进行仿真。对于超声收发换能器，二者震动面由于不在一条直线或是不平行所产生影响会严重影响系统的有效性。为保证系统的性能，严格控制收发器的中轴线的水平与平行。

如图7所示的具体技术方案为，为验证本发明所提算法，对超声系统进行仿真。将图5逆推合成的目标驱动信号经过仿真系统后，所得仿真时域响应。

如图8所示的具体技术方案为，将图5逆推合成的目标驱动信号在实际环境中进行测试。驱动超声系统后得到时域响应信号。

如图9所示的具体技术方案为，为验证本发明所提出的算法可以有效的提高系统的信噪比。选定一个采用相移键控(phaseshiftkeying,psk)调制方式的传输系统，提供两种驱动方案。其一为采用本算法合成的驱动信号驱动，其二为采用普通驱动信号进行驱动。图中显示为两个系统的信噪比结果对比。

如图1所示，因为脉冲响应函数可以描述系统的时域特性，所以本发明将超声波收发系统简化为由三个脉冲响应函数组成的简化系统。其中x(t)为驱动脉冲，ht(t)为发送换能器脉冲响应，hc(t)为传输信道脉冲响应，hr(t)为接受换能器脉冲响应，y(t)为系统响应。

对于一个工艺良好的压电换能器，在中心频率附近，其辐射面震动为：

其中m是质量，rm是阻尼，k是劲度，这三个系数的值对于一个已知的换能器是不变的。f(t)是外加电压v(t)所产生的外力，并且正比于v(t)，x是换能器表面的位移。为证明ht(t)与hr(t)为线性时不变的，可以将式(1)简化为：

由于电压v(t)通常为简谐电压，所以产生的应力也应该为简谐的。所以令v(t)＝v0e^-iωt(-∞＜t＜∞)，x＝ce^-iωt，代入式(2)中并简化得到：

又因为简谐外力是从t＝-∞开始到t＝∞结束，所以又可以将位移和电压表示为所以在脉冲δ(t-τ)的作用下，式(2)的解xδ(t-τ)被称为脉冲响应。且式(2)的解可以用脉冲响应表示为积分形式：

这样就可以求出脉冲响应解为：

因为v(τ)是固定值，所以式(5)表明ht(t)与hr(t)为线性时不变的。

同时本发明的实验环境不受外界声波干扰，所以假定传输信道脉冲响应hc(t)也为线性时不变的。所以系统响应可以表示为驱动脉冲中各脉冲响应的卷积：

y(t)＝x(t)*ht(t)*hc(t)*hr(t)(6)

为了分析，本发明使用时域离散表达式来描述系统响应，则为：

y(n)＝x(n)*ht(n)*hc(n)*hr(n)(7)

为合成最佳驱动脉冲信号，设窄带参考脉冲信号xsrp(n)，所以有：

ysrp(n)＝xsrp(n)*ht(n)*hc(n)*hr(n)(8)

其中ysrp(n)为参考脉冲响应信号。因为根据信号处理原理，特定的输入信号通过一个线性系统理论上可以产生任意一种时域响应信号，所以一定存在一种驱动脉冲可以产生适合窄带换能器的响应信号，本发明旨在找到这种产生这一驱动脉冲的方法。因为参考驱动脉冲xsrp(n)的响应已知，所以本发明可以通过叠加多个xsrp(n)产生本发明需要的目标驱动信号，所以有：

xmpl(n)＝a0xsrp(n)+a1xsrp(n-1)+a2xsrp(n-2)+......(9)

或：

其中xmpl(n)为合成驱动信号，ak为第k个加权系数。又根据叠加原理，所以有：

其中ympl(n)为合成驱动响应信号。根据式(10)与式(11)，假定ympl(n)符合响应信号要求，则xmpl(n)信号即为所求，所以只需求出ak即可。

在许多超声应用中，超声换能器结构本身存在干扰回波，同时，声波色散以及障碍物反射干扰等都会影响应用过程中测量的精确度。而基于误差平方和均值最小(minimummeansquareerror，mmse)准则的估计方法不仅适用于超声应用，并能实现较高的信噪比(signalnoiseratio，snr)。所以本发明采用mmse准则合成驱动信号的加权系数。

算法中所需的目标脉冲响应信号yobj(n)，是截取自参考响应信号ysrp(n)中最理想的一段波形，本发明截除衰落部分只保留振幅最大处的波形。这样既符合超声换能器实际产生的波形，又最接近理想的正弦信号，所以有：

yobj(n)＝ysrp(n)w(n)(12)

其中w(n)为窗函数。根据mmse准则，待求加权系数ak必须满足下式：

为使误差最小，对式(13)中等式两端同时对ak求导数，并令导数为0，所以有：

为方便求导仅求取式(14)右侧等式部分，并继续化简得到：

得到式(15)后可方便求导得到：

式(18)可以产生n个线性等式，所以本发明用矩阵的形式表示为：

a＝b^tc^-1(19)

其中：

其中b是ysrp(n)与yobj(n)的互相关矩阵，c是ysrp(n)的自相关矩阵，且k＝0,1,2......,n-1，l＝0,1,2......,n-1，a＝[a0,a1,......,an-1]。

式(19)表明加权系数ak可以通过求，ysrp(n)与yobj(n)互相关矩阵的转置与ysrp(n)自相关矩阵的逆的乘积得到。

如图2所示为实验转置框图，为验证算法使用框图所示方法搭建实验装置。系统的发送与接收端采用低成本的超声压电换能器，中心频率为40khz，灵敏度为-6db时的波束角为15°。考虑到超声波吸收以及波束发散对信号接收的影响，将接收端与发送端换能器间距增大至5cm以上。因为对于本实验所用型号的收发换能器，只有传输距离大于5cm以上，接收端才可以区分出原超声波和被换能器表面反射后得到的反射波。发送端连接至rigoldg1022u型函数/任意波形发生器，接收端连接至agilentdso-x2012a型数字示波器，并通过usb接口连接至pc端，将示波器的数据存取到电脑中，并通过matlab软件对数据进行处理。

因为换能器的中心频率为40khz，所以本实验采用的采样频率fc为312.5khz，采样间隔为3200ns。使用任意波形发生器产生一个持续时间为3200ns的脉冲作为窄带参考脉冲信号xsrp(t)，接收端示波器收到参考响应信号ysrp(t)。将两个信号进行采样后得到离散化的信号xsrp(n)与ysrp(n)，如图3所示。

为使实验精确可靠，n的取值应该越大越好，但是考虑到可行性问题，本实验采用n＝200。同时从ysrp(n)中加窗函数w(n)截取波形最完整的5个周期作为目标响应信号yobj(n)，同时波形的持续时间应为n×3200ns＝640μs，共200个点，如图4所示。

再利用式(19)，(20)，(21)进行矩阵的计算，可以求得矩阵a，并得到所有加权系数ak，再根据式(10)即可得到合成驱动信号xmpl(n)。上述过程的结果如图5所示。

下面本发明通过仿真实验来验证以上提出的时域响应成型方法的性能。将上述过程合成的驱动信号xmpl(n)经发送端-信道-接收端传输后，系统产生的响应信号可以通过三个数值模型进行仿真分析。这三个模型分别为声波吸收模型、声波色散模型、以及声波响应模型。

(1)声波吸收模型

声波在空气中的传输，会因为氧原子和氮原子的振动而造成声波的衰减。这种效应本发明使用黏滞机制、热传导机制和弛豫吸收机制来描述。并且可以用大气吸收系数来描述声波衰减的大小，一个典型的吸收方程是与温度，压强和频率有关的函数式，可描述为：

其中αcr是衰减系数，单位为db/m；p0是标准大气压强，为101.325kpa；p为实验环境下的大气压强；t0为标准大气压强下20℃对应的开尔文温度，为293.1k；t为实现环境下的开尔文温度；f代表超声波频率。加入氧原子与氮原子振动衰减影响的方程式可描述为：

其中fr,o和fr,n分别代表空气中氧原子和氮原子振动的弛豫频率，它们的值与空气的相对湿度、温度和大气压强有关，并可描述为：

其中h是绝对湿度，可由下式计算得到：

得到的结果单位是百分比，其中hr是已知大气压强p和开尔文温度t下的相对湿度；psat是相同开尔文温度t下的饱和水汽压。在本实验下，本发明设置参数为p＝p0＝1atm，t＝t0＝293.15k(20℃)，hr＝70％。

(2)声波散射模型

声波在传播中会与遇到的障碍物发生相互作用，即为散射。当散射物比声波的波长大得多时，此时即发生衍射。由于传输距离的不同，接收端接收到的信号能量也会不同，同时圆形换能器的波束发散角也会造成接收端信号能量不同。可以将波束发散角的关系式描述为：

其中λ是超声波波长；d是超声换能器的直径；θ即为波束发散角。从式(27)中可以得出传输的超声波频率越低，波束发散角越大。因此对于有相同直径的发送和接受换能器，传输的超声波频率越低，接收到的信号的能量越低；相反频率越高，接受到的能量越高。所以理论上，接受到的信号的能量可以由换能器半径与超声波到达接受端的半径的之比得到。

但是超声波到达接收端后，接受换能器有效响应的区域也受到接受与发送端是否在一条直线上的影响。这种信号衰减可以表示为：

如图6所示，假定接受换能器的方向与y轴方向一致。所以其中d是两个换能器在y轴方向上的距离；γ是是接受换能器相对于y轴所偏离的角度。从式(28)

可知即使收发两端的中心产生了很小的偏离，接收端接收到信号的区域就不是圆形而是椭圆形。所以本实验进行时，要严格保证发送与接受换能器的表面必须平行，且在一条直线上。

(3)声波响应模型

由于本发明已经得到参考响应信号ysrp(t)，所以可以利用ysrp(t)得到声波响应模型。同时为了更加符合真实条件下得到的测量结果，本发明还考虑了加性高斯白噪声(awgn)对接收端信号的影响，所以在声波响应模型上添加了加性高斯白噪声模型。

通过将合成的驱动信号xmpl(n)经过上述三个模型，可以得到仿真结果，如图7所示。由图可知合成驱动信号通过仿真模型后，脉冲响应信号的时域拖尾大大的减小了，由原来的超过50个振荡周期减小到5个周期。

如图2所示的实验装置也可用于在真实环境下的测试，将合成信号用来驱动发送换能器，同时保证发送与接受换能器的振动平面平行，并且二者的中心在一条直线上。接收端收到的信号如图8所示，由于实际测试环境下存在电路干扰等不可控因素，所以在接受端开始响应之前就存在干扰信号，但不影响本实验的结果，所以图8是将响应之前的干扰信号滤除后的结果。可以对比图7与图8的结果，看出仿真结果与实际测量除去环境中的噪声干扰，它们的结果有很高的一致性。两次实验结果都表明本发明提出的驱动脉冲成型方法，可以缩短响应周期，减小响应拖尾现象。

为测量系统的信噪比(snr)，利用超声波作为载波并采用相移键控(phaseshiftkeying,psk)的调制方式传输一组信号，以此模拟一个真实的超声波传输系统，并测量该系统的信噪比(snr)。相比于传统的正弦波作为载波的情况，本发明采用本发明提出的成型驱动脉冲作为xmpl(t)作为驱动信号，驱动响应信号ympl(t)作为载波。由上述可知响应信号ympl(t)周期为5，而且采样频率fc为312.5khz，所以一个周期的时长为3200ns，则响应信号的5个周期时长为16μs。但由于系统噪声的影响，响应信号依然存在拖尾现象，为了避免前后拖尾混叠造成的误码，本发明采用8个响应信号周期为一个载波周期，所以对应的信息传输速率为40kbps。在ook调制中，传输两种信号分别为“1”和“0”，其中“1”代表载波的初始相位为π，“0”代表载波的初始相位为0。

相应的，为作出对比，本发明采用普通的正弦波作为载波进行对比测试。两组实验均采用200个随机的二进制比特作为传输信号，并选取了不同的距离进行传输，测得信噪比(snr)与传输距离的关系如图9所示。从图中可知，使用本发明产生的驱动响应作为载波，相比于普通驱动响应作为载波在近距离(1-5cm)的传输系统中，信噪比(snr)可提高2-3db，在中远距离(8-13cm)更可提高4-6db。

综合上述性能比较，本发明所提出的驱动信号成型方法，不仅可以显著改善换能器响应拖尾现象，还可以显著提高超声系统的信噪比，增加系统测量或信息传输的精确性和可靠性。