超声相控阵低信噪比背景下相关相位校正

　　在超声相控阵检测中,检测材料内部声速的非均匀性以及相控阵系统固有的误差,造成了超声检测中发射聚焦与接收聚焦的相位偏差[1],由此导致多通道发射声束与接收声束进行相控合成后的信号发生畸变,降低了声束合成信号的幅度和信噪比,并使得聚焦点处的声束合成信号束宽增加,相控阵超声检测的空间分辨率与对比度分辨率受到声束畸变的严重影响。

　　相位畸变的来源主要有:假定声速和实际声速之间的偏差;待检测材料中声速的不均匀性;检测系统各通道的不一致性以及系统固有的相控误差等。

　　在光学中,为解决光线沿不同的传播路径引起的相位差问题,引入了相关分析法。相关分析法是一种成熟和广泛使用的方法,它在抑制随机干扰、提高信噪比方面是行之有效的重要手段。其理论根据是信号的时间相关性和空间相关性。空间相关性,是描述信号在空间不同点处的相关性。时间相关性是描述信号在不同时刻的相关性或者可预测的联系。在超声相控阵领域,相关分析法在相位校正方面得到了广泛的应用。1988年, Michigan大学的S.W.Flax和M.O’Donnell提出了利用相关法校正超声缺陷回波信号的理论和方法[2,3];此后,在1维、1.5维、2维阵列的相位校正方面,如何提高校正的精度、速度和可靠性,是近十几年来研究的热点[4 7]。例如有研究相关计算的快速近似算法;研究二维阵列相关校正中如何设计合理的校正结构,以减少校正计算量等。对于由于阵元面积小等原因造成的低信噪比信号的相关校正问题,还没有研究。

　　1　低信噪比信号相关校正问题的引出

　　首先引入相关函数的离散形式,设x(n)和y(n)为能量有限信号,则它们之间的互相关函数定义为

　　当观察到的信号x(n)中含有噪声,假设有用信号为s(n),噪声为u(n)。那么x(n)的自相关为

　　其中,Rus(m)、Rsu(m)是S和U的互相关。一般噪声是随机的,和信号S应无相关性,因此这两项应该很小。Ru(m)是噪声的自相关,其能量主要集中在m=0处。m>0时,其衰减很快。但是对于m较小的时候,相关函数值主要由信号自相关和噪声自相关决定。

　　在相关校正中,两列信号延迟量是利用两列信号的互相关函数的极大值来估计得到的。噪声信号的存在,对于延迟量的估计精度产生了影响。Ru(m)的大小,是影响延迟估计精度的主要因素。

　　2　相关校正的性能

　　在阵列回波信号的校正中,如何选取参考信号,是校正中的一个重要问题。常用校正方法一般采用某个阵元的信号做参考信号,并根据误差的传递情况选用边上或者中间的阵元,这种方法可以称作邻近校正;而对于单阵元信噪比差的情况,可以采用某部分阵元校正前的合成信号做参考信号,该方法可以称作集总相关。本文假设每个阵元接收到信号中的噪声是基本不相关的平稳随机白噪声,这也是跟实际情况基本符合的。