二戰(zhàn)期間,為了應(yīng)對來自德國的大量空襲,英國急需一種手段去偵測德國戰(zhàn)機,雷達被發(fā)明[1]。隨著戰(zhàn)爭的深化,英國需要探測更遠的物體、區(qū)分更小的目標(biāo)。脈沖壓縮技術(shù)解決了雷達探測距離和距離分辨力的矛盾,讓雷達既能“看得遠”又能“看得清”。由于脈沖壓縮技術(shù)“魚”與“熊掌”兼得的獨特性能,幾乎應(yīng)用在所有的通信系統(tǒng)中;在超聲成像領(lǐng)域,脈沖壓縮技術(shù)在空氣耦合超聲檢測、高幀頻超聲成像系統(tǒng)等換能效率低、信噪比低的檢測中均有應(yīng)用,顯著提高了成像系統(tǒng)的信噪比,增加成像深度,保證圖像分辨率,改善了成像質(zhì)量。
1.傳統(tǒng)單載頻脈沖的問題
超聲的探測深度與發(fā)射的信號能量有關(guān),信號具有越大的能量,探測深度也越大。信號能量表達為:W=PT,P為脈沖功率,T為脈沖時寬。由于超聲作用于人體,脈沖功率P不能太大。如果采用窄脈沖(T很?。?,信號能量很小,接收到的回波信號微弱,作用距離受到限制。如圖1所示。
超聲的一個基本原理是利用不同物體回波的時間差來區(qū)分不同的目標(biāo)。如果采用長脈沖,當(dāng)兩個目標(biāo)之間的距離很近時,回波時間差很小,兩個目標(biāo)的回波脈沖容易發(fā)生重疊,接收機很難將目標(biāo)區(qū)分開來。如圖2所示。
傳統(tǒng)的單載頻脈沖,面臨著“看得遠”與“看得清”之間的取舍。采用短脈沖,能量不夠,限制了作用距離;采用長脈沖,回波易重疊,限制了空間分辨率。
2.脈沖壓縮技術(shù)的策略
為了解決傳統(tǒng)單頻脈沖面臨的作用距離和空間分辨率之間的矛盾,脈沖壓縮技術(shù)采用這樣的策略[4]:發(fā)射寬度相對較寬而峰值功率低的脈沖,使信號有足夠的能量以保證作用距離;接收時做匹配濾波,將底峰值的寬脈沖壓縮成高峰值的窄脈沖,避免脈沖重疊現(xiàn)象,從而提高空間分辨率。
3.匹配濾波器的原理
為了實現(xiàn)壓縮,在接收機上設(shè)置一個與發(fā)射信號“共軛匹配”的壓縮網(wǎng)絡(luò)。如圖5所示,時域上,匹配濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)構(gòu)造為輸入信號的鏡像;頻域上,匹配濾波器的幅頻特性與信號的幅頻特性一致,如圖4。當(dāng)信號通過匹配濾波器時,信號越強的頻率點,濾波器的放大倍數(shù)也越大;信號越弱的頻率點,濾波器的放大倍數(shù)也越小,從而使信號在時域更集中。
另外一方面,從相頻特性上看,匹配濾波器的相頻特性和輸入信號正好完全相反。這樣,通過匹配濾波器后,信號的相位為0,正好能實現(xiàn)信號時域上的相干疊加。而噪聲的相位是隨機的,只能實現(xiàn)非相干疊加。這樣在時域上保證了輸出信噪比的最大。
4.大時寬帶寬積信號
匹配濾波器是一種相關(guān)器[2],其輸出函數(shù)是輸入信號的自相關(guān)函數(shù),而信號的自相關(guān)函數(shù)與信號的功率譜密度是一對傅里葉變換,所以匹配濾波器的輸出信號時寬To與輸入信號的帶寬B之間存在有關(guān)系(BTo≈1)[4,5]。輸入信號的時寬帶寬積為BT,而輸入信號帶寬B大約為輸出信號時寬To的倒數(shù),即B=1/To,所以輸入信號的時寬帶寬積B*T=T/To, 即為輸入信號時寬與輸出信號時寬的壓縮比,構(gòu)造大時寬帶寬積信號也是為了實現(xiàn)更好的壓縮性能。
5.脈沖壓縮技術(shù)的應(yīng)用實例
5.1脈沖壓縮技術(shù)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用
假設(shè)高電平方波S1(t)代表1,低電平方波S2(t)代表0,數(shù)字信號是由高低電平組合而成的序列。
S1(t):
S2(t):
由于傳輸過程帶來噪聲干擾,接收機的輸入信號是高低電平序列和噪聲的疊加,如a. 將接收信號同時送進S1(t)和S2(t)的匹配網(wǎng)絡(luò),若此刻信號是高電平,則S1(t)的匹配網(wǎng)絡(luò)輸出一個高峰脈沖;否則,S2(t)的匹配網(wǎng)絡(luò)輸出一個高峰脈沖,如b、c所示。再進行比較判決從而重建出原始數(shù)字序列d.
a.輸入波形
b.上路匹配結(jié)果
d.判決結(jié)果
5.2脈沖壓縮技術(shù)在空氣耦合超聲檢測中的應(yīng)用
空氣耦合超聲無損檢測技術(shù)具有非接觸、非侵入、完全無損的特點,可以應(yīng)用于原位檢測,具有很好的應(yīng)用前景[6].但是,換能器材料與空氣聲阻抗的嚴重不匹配,使得空氣耦合超聲換能器的效率低、頻帶窄、脈沖余振長,從而導(dǎo)致空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)無法達到一般超聲檢測系統(tǒng)的靈敏度、信噪比和分辨率[7].針對空氣耦合超聲檢測中信號微弱、信噪比低的問題,應(yīng)用線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)對接收信號進行處理.
應(yīng)用線性調(diào)頻脈沖壓縮方法,用 0.5 MHz 空氣耦合換能器,針對 3.7 mm 厚環(huán)氧樹脂基碳纖維板、 1.7 mm 厚鋁板、 4.5 mm 厚有機玻璃板做驗證實驗。通過多次采樣取平均峰值計算相應(yīng)信噪比,試驗結(jié)果見表1。
表1 不同材料脈沖壓縮前后信噪比對比
從上表結(jié)果可以得知,線性調(diào)頻脈沖壓縮方法可以有效提高空氣耦合超聲檢測的信噪比。用脈沖壓縮方法改造C掃描成像,脈沖壓縮方法使用前后的C掃描結(jié)果如圖7、圖8所示。
圖7 未應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)的超聲C掃描檢測結(jié)果
圖8 應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)后的超聲C掃描檢測結(jié)果
對比超聲C掃描成像檢測結(jié)果可見,采用脈沖壓縮方法后,成像質(zhì)量有較大提高。應(yīng)用文獻[8]中的方法對圖像信噪比進行計算分析,脈沖壓縮前后 C 掃描圖像信噪比分別為 12.1 dB 和 20.1 dB,可見線性調(diào)頻脈沖壓縮方法在空氣耦合超聲檢測中確實可有效提高成像質(zhì)量。
5.3脈沖壓縮技術(shù)在高幀頻超聲成像系統(tǒng)中的應(yīng)用
基于有限衍射波束的高幀率超聲成像系統(tǒng)能實現(xiàn)快速成像,但由于僅通過一次發(fā)射事件成像, 信噪比較低。當(dāng)采用線性調(diào)頻信號作為激勵信號, 接收端將接收信號通過匹配濾波器處理。[9]結(jié)果表明該方案不僅能顯著提高成像系統(tǒng)的信噪比, 改善重構(gòu)圖像的質(zhì)量, 增加成像深度, 而且不損失分辨率。
在沒有添加隨機白噪聲時,分別仿真得到采用線性調(diào)頻信號、短脈沖和長脈沖的重構(gòu)圖像如圖9
圖9 沒有噪聲時的重建圖像
從圖9(c)可以看出采用長脈沖激勵時,重構(gòu)圖像的縱向分辨率極差。在沒有噪聲污染時,(a)和(b)差別不大,線性調(diào)頻信號和短脈沖激勵的成像效果基本一樣。圖10顯示的是在噪聲干擾時,線性調(diào)頻信號和短脈沖激勵下的成像效果比較。
圖10 噪聲條件下,chirp和短脈沖激勵的重構(gòu)圖像
圖10(a)~(c)是受到噪聲干擾,采用線性調(diào)頻信號為激勵信號,持續(xù)時間分別為T=10us,20us,30us時得到的重構(gòu)圖像;圖10(d)是受到噪聲干擾,激勵為傳統(tǒng)短脈沖 (持續(xù)時間為1.28us) 時的重構(gòu)圖像。可以看到,受噪聲干擾時, 圖像質(zhì)量都有所下降。但是采用線性調(diào)頻激勵時候,回波信號中的噪聲在通過匹配濾波器時受到一定程度的抑制,重構(gòu)圖像的質(zhì)量比短脈沖激勵時有很大程度的提高。
6.總結(jié)
脈沖壓縮匹配濾波技術(shù)一手抓時長,一手抓帶寬,從而實現(xiàn)了“魚”與“熊掌”兼得的獨特性能,解決了作用距離與距離分辨率的矛盾,顯著提高成像系統(tǒng)的信噪比,增加探測深度,同時不損失分辨率。脈沖壓縮技術(shù)在換能效率低、信噪比低的超聲系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用。
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