CN101577534B - 数字滤波频率自补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数字滤波频率自补偿电路，包括信号采集电路、数字滤波器以及数字信号处理电路，所述信号采集电路、数字滤波器以及数字信号处理电路顺次连接，所述数字滤波器为频率自补偿数字滤波器，该频率自补偿数字滤波器包括时域分析模块、动态滤波模块及频率补偿模块，所述信号采集电路、时域分析模块、动态滤波模块、频率补偿模块及数字信号处理电路顺次连接。本发明使超声波在被测的物体传输过程中发生衰减的频率得到补偿，使整个***在空间域内保持不变的频率特性，反射回来的信号能准确的传达实际的信息，避免信号在传输过程中发生衰减导致信息的误传，病理的误判，这样大大提高了***的可靠性。

Description

数字滤波频率自补偿电路

【技术领域】

本发明涉及一种滤波电路，特别涉及一种具有频率自补偿功能的数字滤波电路。

【背景技术】

目前超声波主要用于对一些桥梁、人体、矿产、石油等进行探测，以用于人体病理分析或其它被测物体隐藏的缺陷的判断。如图1和图2所示，是目前行业内普通数字滤波设备的原理框图。该数字滤波设备电路包括信号采集电路、数字滤波器以及数字信号处理电路，所述信号采集电路、数字滤波器以及数字信号处理电路顺次连接。用一超声波发射电路对被测物体发送超声波，超声波经被测物体吸收、衰减部分超声波信号后反射回来，经信号采集电路采样后，将模拟信号转换成数字信号并进行量化，再由数字滤波器滤波后，由数字信号处理电路做进一步处理。其处理结果用于被测物体病理或缺陷的判断。

超声波在被测物体传输过程中会发生衰减，甚至会被周围的噪声等一些干扰源淹没，而普通的数字滤波设备无法进行相应的频率补偿，导致接收到反射回来的信号不能传达实际的信息，甚至分辨不出来。

虽然目前有采用时间增益技术(Time-Gain Compensation，TGC)对超声波在探测中因距离衰减作出补偿的技术，但该技术对不同频率衰减却无能为力，导致回波信号中高频有效成分很少，造成分辨率下降(超声分辨率与其频率成正比)，用图像显示出来的时候图像边缘模糊，不能准确的反应出被探测事物的具体情况，从而经常造成病理的误判，桥梁、铁路平整的误判。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题，在于提供一种数字滤波频率自补偿电路，可以使信号衰耗部分能得到补偿，使得整个***在空间域内保持不变的频率特性，反射回来的信号能正常的传达实际的信息。

本发明是这样实现的：一种数字滤波频率自补偿电路，包括信号采集电路、数字滤波器以及数字信号处理电路，所述信号采集电路、数字滤波器以及数字信号处理电路顺次连接，其中，所述数字滤波器为频率自补偿数字滤波器，该频率自补偿数字滤波器包括时域分析模块、动态滤波模块及频率补偿模块，所述信号采集电路、时域分析模块、动态滤波模块、频率补偿模块及数字信号处理电路顺次连接，其中，所述时域分析模块：用于对输入的数字信号在时域上进行分析看是否信号发生了衰减；动态滤波模块：用于对不同深度、物体选择不同的通带范围，对信号进行动态滤波；频率补偿模块：用于对不同的频率损耗给以不同的补偿。

本发明具有如下优点：采用频率自补偿数字滤波器，内设有时域分析模块、动态滤波模块、频率补偿模块，通过这些模块实现频率自补偿功能，使超声波在被测的物体传输过程中发生衰减的频率得到补偿，使整个***在空间域内保持不变的频率特性，反射回来的信号能准确的传达实际的信息，避免信号在传输过程中发生衰减导致信息的误传，病理的误判，这样大大提高了***的可靠性。

【附图说明】

下面参照附图结合实例对本发明作进一步的说明。

图1是现有的普通数字滤波设备电路的连接框图。

图2是现有的普通数字滤波设备的原理框图。

图3是本发明数字滤波频率自补偿电路的连接框图。

图4是本发明数字滤波频率自补偿电路的原理框图。

图5是本发明中时域分析模块运算单元示意图。

【具体实施方式】

请参阅图3所示，本发明是的数字滤波频率自补偿电路1，包括信号采集电路11、频率自补偿数字滤波器12以及数字信号处理电路13，所述信号采集电路11将外部的模拟信号转换成数字信号，包含了信号的采样保持电路，抗混叠滤波器、A/D转换，信号量化等。其中，所述频率自补偿数字滤波器12包括时域分析模块121、动态滤波模块122及频率补偿模块123，所述信号采集电路11、时域分析模块121、动态滤波模块122、频率补偿模块123及数字信号处理电路13顺次连接。

图4，这是本***的原理架构。***通过一超声波发射电路2对被测物体发送超声波，经被测物体吸收、衰减部分超声波信号后反射回来，经信号采集电路11采样后，将模拟信号转换成数字信号并进行量化，再由频率自补偿数字滤波器12中的时域分析模块121对进来的数字信号在时域上进行分析判断是否信号发生了衰减；再由动态滤波模块122对不同深度、物体选择不同的通带范围，对信号进行动态滤波；若有衰减，则由频率补偿模块123对不同的频率损耗给以不同的补偿；最后由数字信号处理电路13做进一步后期处理。其处理结果用于被测物体病理或缺陷的判断。若时域分析模块121分析信号未发生衰减，无需由频率补偿模块123做频率补偿，直接由数字信号处理电路13做进一步处理即可。

如图5所示，是本发明中时域分析模块运121算单元示意图。当超声波发射单元发送一次超声波时，超声波发射单元同时记录此时的功率，超声波接收单元在接收到反射的超声波后，首先对信号进行一些预处理，去除夹杂在信号中的电路噪声与空间干扰噪声等。这类噪声一般服从高斯分布，属于加性白噪声，因此将信号经过一个相关器就可以将这类噪声较好地抑制。接着计算信号功率。由于在频域上直接计算功率需消耗大量的资源，因此将其转到时域计算出此时的功率，时域下的信号功率与信号的幅度平方成正比，在实际***中信号功率的系数通常不予考虑，可实测获得。因此上述的一系列运算过程可用公式综合为： $y\left(n\right)=\underset{m1=-K}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m1=-K}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}x(n-m1)x(n-m2)q(m1,m2),$ 其中，K为滤波阶数，y(n)为滤波器在n时刻的输出，x为输入，q为运算核，m1、m2为偏移量。时域分析模块121随后将估值后的信号功率与之前的发射功率二者进行相互比对，即可知道信号是否发生了衰减以及发生的衰减量。

在动态滤波器模块122内部有多组不同通带的布莱克曼滤波器。由于超声波在通过不同的介质后反射回来的回波会产生不同的衰减与变异，信号特征有所变化，这在信号的频域上表现为在特定的频段上信号的频率与相位产生了改变，这种信号的畸变反映了被测对象的特征，相当于反映被测对象特征的信号调制在了此信号上面，是***传输中真正的“有效”信号，此信号的分布范围随不同的被测对象的介质、密度、深度以及周围环境的不同，在频谱上的分布范围非常之广，但是按能量的观点考查，此信号的能量则集中在有限的某个或某几个频段上，因此需要在频谱上将此频段选出而将其余频段的信号虑除以适应处理机的处理带宽。可事先根据数个具体已知的被测对象确定此信号的有效功率的分布范围，由此指标定出对应的通带滤波器的系数。将实测计算获得的滤波器的系数与时域分析模块中对应获得的衰减量进行配对做成一张查找表A，同时将衰减系数做成另一张表B。***实际运行时可用由运算获得的衰减量去查表由此获得对应的系数，再将此系数动态加载入滤波器，***即可按照预先设定的行为进行工作。例如超声波在厚度为w的混泥土中的衰减系数为Φ，动态滤波模块122根据这些信息通过搜索查找表A后将对应衰减系数为Φ的滤波器系数载入滤波器，由此输出的即为通带为xMHZ的滤波后信号。

时域分析模块121在判断信号发生衰减后，由于在频率补偿模123中预先已经存储有超声波在不同深度、环境和介质下的衰减系数表，因此频率补偿模块123通过查表即可明确需要补偿的频率相位等信息。本发明采用求逆***的方法进行补偿。其设计原理可这样描述：假设原始的信号为x(n)，在经过一系列介质路径后信号畸变为x’(n)，现以***的观点考察这一过程，可将信号经过的这一系列路径等效为一个***a，***的输入激励为x(n)，而响应则为x’(n)。假设***a的传输函数为h(n)，显然上述过程实际上是x序列与h序列的卷积：x’(n)＝x(n)*h(n)，其中*是卷积符号。由于实际信号是离散的参量，因此可将信号变换为z域，上述过程可描述为X’＝XH，其中X’、X、H分别是对应参量的z域映射。现在需要将x’经过另一个***b恢复为原始的x，假定该***已经求出，设传输函数为h’(n)，则有x＝x’(n)*h’(n)，做z域变换：X＝X’H’，因此待求***的传输函数H’＝X/X’，而已知X’＝XH，故有H＝X’/X，因此待求***：H’＝1/H，其中H’为***b传输函数，H为***a的传输函数。我们将b称为a的逆***。由上述描述可知，只要知道了***a的传输特性，就可以通过计算求出a的逆***b，从而将畸变信号x’恢复为原始信号x。我们可以通过发送测试信号(训练序列)的方法直接求出a的传输函数H： $w\left(n\right)=\underset{m=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}u\left(m\right)h(n-m)=u\left(n\right)*h\left(n\right),$ 其中u(n)为已知的训练序列，w(n)为其响应，h(n)为待求***冲激响应，这是个解卷积过程，在时域上计算比较繁琐，等式两边取z变换： $W\left(n\right)=\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)z^{-n}\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}h\left(n\right)z^{-n}=U\left(n\right)H\left(n\right),$ 因此，H(n)＝W(n)/U(n)，其逆*** $H{\left(n\right)}^{,}=1/H\left(n\right)=U\left(n\right)/W\left(n\right)=\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)z^{-n}/\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}w\left(n\right)z^{-n}$ 再取z逆变换

其中围线积分∮可以利用留数定理进行求解。

Claims (2)

1.一种数字滤波频率自补偿电路，包括信号采集电路、数字滤波器以及数字信号处理电路，所述信号采集电路、数字滤波器以及数字信号处理电路顺次连接，其特征在于：所述数字滤波器为频率自补偿数字滤波器，该频率自补偿数字滤波器包括用于对输入的数字信号在时域上进行分析看是否信号发生了衰减的一时域分析模块；用于对不同深度、物体选择不同的通带范围，对信号进行动态滤波的一动态滤波模块；及采用求逆***的方法对不同的频率损耗给以不同的补偿的一频率补偿模块，所述信号采集电路、时域分析模块、动态滤波模块、频率补偿模块及数字信号处理电路顺次连接，所述求逆***的方法的原理为：

假设原始信号x(n)，该原始信号x(n)在经过一系列介质路径后畸变为x’(n)，以***的观点考察这一过程，将所述原始信号x(n)经过的这一系列路径等效为一个***a，该***a的输入激励为x(n)，响应为x’(n)，假设***a的传输函数为h(n)，上述过程是x序列与h序列的卷积：x’(n)＝x(n)*h(n)，其中*是卷积符号；由于上述信号是离散的参量，因此将上述信号变换为z域，上述过程描述为X’＝XH，其中X’、X、H分别是对应参量的z域映射；设所述x’(n)经过另一个***b恢复为原始信号x(n)，假定该***b已经求出，设该***b的传输函数为h’(n)，则x(n)＝x’(n)*h’(n)，做z域变换：X＝X’H’，因此待求***b的传输函数H’＝X/X’；而已知X’＝XH，故有H＝X’/X，因此待求***b的传输函数H’＝1/H，将***b称为***a的逆***；由上述描述可知，已知***a的传输特性，即***a的传输函数h(n)，通过计算求出***a的逆***b的传输函数h’(n)，将畸变信号x’(n)恢复为原始信号x(n)。

2.根据权利要求1所述的数字滤波频率自补偿电路，其特征在于：所述***a的传输函数通过发送测试信号的方法直接求出：等式一

其中u(n)为已知的测试信号，w(n)为其响应，h(n)为待求***a的冲激响应，所述等式一两边取z变换：

因此，H(n)＝W(n)/U(n)，其逆***b的传输函数为：等式二 $H{\left(n\right)}^{,}=1/H\left(n\right)=U\left(n\right)/W\left(n\right)=\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)z^{-n}/\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}w\left(n\right)z^{-n},$ 所述等式二的两边再取z逆变换：

其中围线积分可以利用留数定理进行求解。

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