基于相位编码技术的超大功率超声收发系统研究

邓勇

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510641）

大功率超声收发系统中的相位编码信号是相对于传统单脉冲发射技术的一种改进。在传统的单脉冲激励技术中，系统以单频脉冲激发超声换能器。当发射超声的峰值声功率接近最大上限时，平均声功率却未达到上限值的1%[1]。此外，系统噪声也是影响成像效果的关键因素。为了能尽可能提高系统平均声功率及信噪比，相位编码技术及相关的脉冲压缩技术应运而生。将固定的一长串编码序列经过调制之后再激励超声换能器发射，然后从接收端对其解调及脉冲压缩，即可以有效的改进上述问题。

1 相位编码信号

1.1 概 述

所谓相位编码信号，即相位调制函数是离散的有限状态，信号通常由伪随机序列构成，因此也称为伪随机编码信号[2-4]。伪随机编码信号根据其可取数值的不同分为二相编码和多相编码信号，如当相位编码信号的可取值为+1和-1，就称之为二相编码信号，可取值超过两个则为多相编码信号。

在实际的应用中，二相编码信号的实现难度较低，因此而得到广泛运用。而二相编码信号中，较常用的主要为Barker编码，M序列，Golay互补序列等。

1.2 GOLAY互补序列

Golay互补序列对由两个序列组成，每个序列内只有两种元素，序列长度为有限值。我们称其为A、B序列。其中的一个序列中相同元素对的个数与另一序列中的相异元素对个数相等。 设 A 序列和 B 序列分别为 A=（a0，a1，…，a） ，B=（b0，b1，…，bN|1），元素取值 1，-1，则 A 序列和 B 序列的自相关函数可分别表示为Cj和Dj

由式（2）可看出，若A序列和B序列经过发射并匹配滤波得到各自的自相关函数再求和，理论上可以完全消除距离旁瓣，得到与单码脉冲激励相同的结果，脉冲压缩结果非常理想。但受限于二次发射的特点，会使超声成像系统的帧频降低一半，而且探测对象如果存在组织运动，系统会产生伪影现象。文中选取32位golay码作为研究对象研究，计算A码和B 码为 A=[-1，-1，-1，1，-1，-1，1，-1，-1，-1，-1，1，1，1，-1，1，-1，-1，-1，1，-1，-1，1，-1，1，1，1，-1，-1，-1，1，-1]，B=[-1，-1，-1，1，-1，-1，1，-1，-1，-1，-1，1，1，1，-1，1，1，1，1，-1，1，1，-1，1，-1，-1，-1，1，1，1，-1，1]。

2 相位编码信号的调制解调及脉冲压缩技术

2.1 相位编码信号的调制

因为在超声收发系统之中超声换能器对于激励信号会产生带通滤波效果，所以实际的发射为了能够将系统能量最大的发射出去需要对文中的相位编码信号进行适当的调制。通常采用单周期或多周期的正弦信号作为相位编码信号的发射载波。相位编码信号的调制过程相当于相位编码的过采样信号和载波子脉冲的卷积。

对32位Golay码采用单周期正弦波进行调制，结果如图1（a）、（b）所示。

图1 单周期正弦波调制波形图Fig.1 Single-cycle sine wave modulation waveforms

2.2 正交解调技术

经过正弦载波调制的golay编码序列在超声回波接收端需要经过解调的步骤得到原始的编码序列。传统的超声成像中通常使用模拟电路进行解调，实现方式复杂，解调信号信噪比高。在数字超声成像技术里面，数字正交解调技术是一种易于实现，解调结果信噪比高的信号处理方式。

正交解调技术的基本原理如图2所示。超声回波信号经过数字采样之后，分为I、Q两路。I路和Q路分别乘以同频的正弦和余弦信号。然后通过低通滤波器，将信号中的倍频分量消除之后便可以得到I路与Q路的基带信号。两路基带信号的均方根便是我们所需要的原始编码序列信号。

文中对32位Golay码的回波信号进行正交解调，得到如图 3（a）、（b）的原相位编码信号。

图2 正交解调技术原理图Fig.2 Schematic quadrature demodulation technique

图3 原相位编码信号波形图Fig.3 Original phase-coded signal waveform chart

2.3 回波信号的脉冲压缩

回波信号的脉冲压缩技术包括匹配滤波技术及非匹配滤波技术。非匹配滤波技术相对来说可得到更低的距离旁瓣水平，但信噪比增益却要低于匹配滤波技术，信号的处理技术相对也更加复杂。对于两次发射的Golay编码信号来说，距离旁瓣已得到较好地抑制，因此匹配滤波器就可得到较为理想的结果。

匹配滤波器指的是滤波器的输出信号的瞬时功率和噪声的平均功率的比值取最大的线性滤波器。其传递函数的形式是输入信号频谱的共轭。

匹配滤波器对信号做两种处理：1）滤波器的相频特性与信号相频特性共轭，使得输出信号所有频率分量都在输出端同相叠加而形成峰值；2）按照信号的幅频特性对输入波形进行加权，以便最有效地接收信号能量而抑制干扰的输出功率[5]。即当信号与噪声同时进入滤波器时，其使信号成分在某一瞬间出现尖峰值，而噪声成分受到抑制[6]。

文中假设系统中的噪声为高斯白噪声，若系统的响应函数为输入信号的时间反转，则系统的输出信号在白噪声环境下的SNR就可取到最大值。本文设匹配滤波器的系统响应函数为 h（t），h（t）与输入信号在时间轴上是反转的。

在Matlab中调用其模糊逻辑工具箱，根据之前的分析和控制策略设计机械臂拾取系统的模糊控制器[6]。设计流程为：在Matlab命令窗口输入fuzzy调出模糊逻辑控制器，建立模糊控制器的输入输出量和控制规则之间的逻辑关系，确定各自适用的隶属度函数以及之前确定的各个变量所对应的论域，根据模糊规则表输入模糊控制规则，完成模糊控制器的设计。最终得到能够全面反映控制器输入位移偏差和位移偏差变化率以及输出压力之间关系的三维曲面视图如图5，所得到的三维曲面显示越光滑平整其系统的控制效果会越好。

k为系统增益常数，τd是系统传输时间，η（t）为系统传递函数的复信号。因此，系统传递函数是原信号的频谱的复共轭

由以上可得此匹配滤波器的输出

将式（3）、（4）代入（5）可得到

式（6）说明匹配滤波器的输出即为输入信号的自相关函数。

图4 经匹配滤波后的回波信号波形图Fig.4 After matched filtering of the echo signal waveform

经匹配滤波后的回波信号如图4（a）、（b）所示。可看到在没有系统噪声的理想情况下，压缩后的结果距离旁瓣得到完全的抑制。

3 性能分析

对于文中所研究的超声收发系统而言，信噪比和距离旁瓣是两个关键技术指标。对于Golay码而言，距离旁瓣受到良好的抑制，因此信噪比是主要需分析的对象。信噪比的大小直接影响后期的成像效果，信噪比高则成像清晰容易识别。采用匹配滤波的情况下，那么信噪比增益就等于输入回波信号的信噪比除匹配滤波后信号的信噪比。在实际的情况当中，相位编码信号的信噪比增益可以通过以下方式计算

当激励电压相等并采用匹配滤波器对相位编码信号的回波进行脉冲压缩，假设相位编码的单次发射码长是N，经匹配滤波之后的信号幅值为

所以，采用相位编码信号的超声收发系统其信噪比为

当采用二次发射的Golay编码时则其信噪比增益为

通过以上的计算方式，我们以此可知当golay编码的码长为 4，8，16，32 时其信噪比增益分别为 9.031 dB，12.041 dB，15.051 dB，18.062 dB。

4 结束语

通过文中的仿真实验及性能分析，可看出在超声收发系统当中Golay相位编码信号可得到较高的信噪比，普通单次发射相位编码信号的2倍，以及极低的距离旁瓣水平。因此，对于对系统帧率要求较低以及不存在检测对象位移的工业大功率超声系统，是一种理想的编码方式，其的运用对于工业超声检测有着重要的意义和良好的前景。

[1]鲍静.医学超声成像系统的编码激励技术研究[D].天津:天津大学，2007.

[2]肖国镇，梁传甲，王育民.伪随机序列及其应用[M].北京:国防工业出版社，1985.

[3]杜云峰，李明.基于DSP的任意长度伪随机序列产生方法[J].电子科技，2010（3）:20-22.DU Yun-feng，LI Ming.Method for generating pseudo-random sequences of any length based on DSP[J].Electronic Technology，2010（3）:20-22.

[4]刘树锋.雷达伪随机序列编码方式抗干扰性能研究[J].电子科技，2010（S1）:1-4.LIU Shu-feng.Research jamming performance encoding pseudo-random sequence of radar[J].Electronic Technology，2010（S1）:1-4.

[5]毕然.超声成像系统中编码激励和脉冲压缩技术的研究与应用[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2010.

[6]Newhouse V.L，CathignolD，Chapelon J.Y.Introduction to ultrasonic pseudo-random code system[J].Progress in medical Imagine，1998:215-226.