基于DSP的超声测试系统

    超声的应用领域正在迅速扩展.现代多数超声应用都是基于数字信号处理技术.诸如滤波、相关、平均等数字信号处理方法提高了信噪比与测试精度.然而,不合理的架构在一定程度上限制了测试速度.因此,规划设计一种合理而又可配置的数字信号处理构架成为了超声测试系统设计的重要问题.

    本文提出一种集成式的数字信号处理构架,使你可以实时地分析射频信号、解析信号以及正交解调信号.特别地,利用联合时频分析技术提取出较传统的快速傅立叶变换更加丰富的有关被测材料完整性与几何特征的重要信息.

    1 超声测试系统的数字信号处理构架

    超声信号处理的传统模型见图1(a).由于AD转换器的采样速度较低,在AD转换器前端必须加入抗混叠滤波器.这一设计非常烦琐.

    目前,人们采用4倍甚至更高的过采样率以提高信噪比并降低抗混叠滤波器设计的复杂度.这是一种改进的模型,如图1(b)所示.但是,更高的采样率带来了更大的数据量.为了提取有用信息并降低数据量,现场可编程门阵列(FPGA)得到采用,以实现数字滤波和下采样.虽然说FPGA具有在线可编程的特点,但是它的配置过程并不方便.而且数字滤波器的设计也仍然无法实现自动化.

    因此,本文提出一种新型的提升小波和联合时频分析技术的模型,如图1(c)所示.使用正交与双正交小波从有用子带中提取信号.小波分解的级次和有用的子带根据采样频率、传感器的中心频率和带宽自动确定.另外,提升的小波变换也内在地实现了下采样.在这一过程中的重要变换技术示于图2,并列举如下:

    1)提升小波包变换.用于子带滤波和降噪;

    2)Hilbert变换将超声射频信号转换成其解析信号;

    3)超声射频信号的正交解调;

    4)提升小波变换,用于数据压缩和超声成像;

    5)正交解调信号的联合时频分析,时频图像和解析信号的特征提取.

    图2中,信号(1)是经小波包变换滤波后的射频信号;信号(2)是射频信号对应的解析信号;信号(3)、(4)是射频信号的包络,即正交解调信号.

    2 时频分析的关键技术

    超声信号是典型的瞬时信号.通常时频分析就是要提取瞬时信号随时间变化的特征.小波变换和联合时频分析就是现代时频分析技术中最为活跃的两个分支.

    2.1 小波包变换与提升原理

    小波包变换从一个或几个子带当中分离并保留信号特征.在许多领域中,小波包变换在特征提取与噪声衰减方面的性能都胜过了传统的快速傅立叶变换.文算法构架中,小波包变换被用于瞬时超声信号的子带滤波、降噪、下采样.