CN112881535B - 低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法 - Google Patents

低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法,包括:1)、双通道并行接口浮点多核信号处理器产生数字信号;2)、该信号处理器将信号通过FPGA传输至双通道DAC,该DAC将信号传输至该IQ调制器;3)、该IQ调制器将基频信号的中心频率上调通过射频放大器传输至发射传感器;4)、接收传感器将检测信号通过射频前端电路传输至IQ解调器;5)、IQ解调器将高频射频信号解调为一对IQ基频信号传输至双通道ADC;6)、双通道ADC将数字信号传输至双通道并行接口浮点多核信号处理器;本发明在于提供一种检测精度更好、损耗低,安全性强,可靠性高,功能多样的一种低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法。

Description

低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域,尤其涉及一种低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法。
背景技术
扫描式超声显微镜是一种高分辨率超声无损检测仪器,在时间上需要达到接近纳秒级的分辨率。为了满足这一要求,传统的超声仪器设计在发射方需要产生纳秒级的高电压脉冲信号,在接收方需要 GHz 级别的高采样频率。这种设计不仅信噪比低,所用的芯片要么非常昂贵,要么是禁运器件。
超声检测基于的是弹性波的传播和反射。弹性波的传播和反射只有在有限的线性范围内才具有我们预期的理想特性。高电压脉冲激励实际上已经把整个被测***(包括传感器)推入非线性范围内。这种非线性畸变后的测试结果信噪比低,可重复性差,不适合于高精度检测应用。
脉冲激励传感器后,产生的信号的准确中心频率是接收方不知道的。按照雷达术语,这属于一种低信噪比的非同参(non-coherent)检测方法。接收方即无法去除载波,也无法进行相关处理。无法去除载波,造成一个反射点会显示成一组信号尖峰。无法进行相关处理,造成接收方无法采用先进的数字信号处理方法来提高信噪比和灵敏度。
这种脉冲激励法,也无法开拓更加精密的频率域和相位域检测方法。
本发明提供了一种新设计电路,该电路是低电压脉冲压缩法加频率域合成法的结果。该电路设计只需常用的无线通讯类器件,配上先进的信号处理,这种方法的信噪比,灵敏度等等远远高于现有的时域高电压脉冲法。
中国专利申请号:201811036560.7,申请日:2018年09月05日,公开日:2019年02月22日,专利名称为:一种基于环形阵列的超声显微镜及方法,本发明公开一种基于环形阵列的超声显微镜,包括环形阵列换能器、声束生成器、信号处理装置、控制装置、驱动装置及超声图像显示装置;所述声束生成器分别与所述环形阵面换能器、所述信号处理装置电连接,所述信号处理装置与所述超声图像显示装置电连接;所述控制装置分别与所述环形阵面换能器、所述信号处理装置、所述驱动装置电连接;所述环形阵列换能器为环形阵列式,且所述环形阵列换能器的声透镜材质为石英玻璃材质,且所述环形阵列换能器的声透镜设于所述驱动装置上,随所述驱动装置移动以改变聚焦点完成逐点扫描。本发明实施例提供的超声显微镜能够降低声透镜材料的成本,同时保证超声显微镜性能。
上述专利文献虽然公开了一种基于环形阵列的超声显微镜方法,但是,该超声显微镜检测方法精度不够高,可靠性不强,也无法开拓更加精密的频率域和相位域检测方法。
发明内容
有鉴于此,本发明在于提供一种检测精度更好、损耗低,安全性强,可靠性高,功能多样的一种低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法。
为了实现本发明目的,可以采取以下技术方案:
一种低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法,包括如下步骤:
步骤1)、所述双通道并行接口浮点多核信号处理器产生数字信号并处理该数字信号;
步骤2)、所述双通道并行接口浮点多核信号处理器将数字信号通过现场可编程门阵列单元传输至双通道数模转换器,该双通道数模转化器将数字信号转换成一对模拟基频信号传输至该IQ调制器;
步骤3)、所述IQ调制器将基频信号的中心频率上调后通过射频放大器传输至该发射传感器;
步骤4)、所述接收传感器将检测信号通过射频前端电路传输至IQ解调器;
步骤5)、该IQ解调器将高频射频信号解调为一对IQ基频信号传输至该双通道模数转换器;
步骤6)、该双通道模数转换器将模拟信号转换为数字信号后传输至双通道并行接口浮点多核信号处理器;
步骤7)、所述频率合成器为IQ调制器和IQ解调器提供本振信号;
所述双通道并行接口浮点多核信号处理器,用于数字信号处理;所述现场可编程门阵列单元,用于数字信号存储和处理;所述双通道数模转换器,用于数字信号转换为模拟信号;所述IQ调制器,用于将基频信号调制到高频;所述射频放大器,用于放大高频信号;所述发射传感器,用于电信号转化为超声振动信号;
所述接收传感器,用于将超声振动信号转化为电信号;所述射频前端电路,用于将射频信号放大或衰减或负载保护;所述IQ解调器,用于将高频射频信号解调为一对IQ基频信号;所述双通道模数转换器,用于模拟信号转换为数字信号;所述频率合成器,用于提供本振信号。
所述步骤3)还包括发射传感器将检测信号发射至检测器件进行检测。
所述双通道并行接口浮点多核信号处理器通过串行接口将信号传输至该现场可编程门阵列单元。
所述射频前端电路包括前端保护电路,前置放大电路,滤波器,所述接收传感器将信号通过前端保护电路传输至前置放大电路,该前置放大电路将信号放大后通过滤波器将信号传输至射频前端电路。
所述频率合成器包括基准时钟源,该基准时钟源为频率合成器提供时钟源。
所述双通道模数转换器包括并行接口,该双通道模数转换器通过该并行接口将信号传输至所述双通道并行接口浮点多核信号处理器。
本发明的有益效果是:1)本发明检测方法不含任何高电压脉冲产生器件,也不含任何发射接收转换开关器件,损耗低,安全性高;2)本发明信噪比最佳,灵敏度强,可重复性好,检测精度高,适合高精密检测需求;3)本发明通过低电压脉冲压缩法加频率域合成法的结果,以达到最佳信噪比和灵敏度;本发明应用广泛,适合普遍推广。
附图说明
图1为本发明实施例一种低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法流程图;
图2为本发明实施例一种低电压频域合成式超声显微镜电路电路方框图;
图3为本发明另一实施例一种低电压频域合成式超声显微镜电路方框图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对发明作进一步详细的说明。
实施例1
参看图1,该一种低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法,包括如下步骤:
步骤1)、所述双通道并行接口浮点多核信号处理器产生数字信号并处理该数字信号S1;
步骤2)、所述双通道并行接口浮点多核信号处理器将数字信号通过现场可编程门阵列单元传输至双通道数模转换器,该双通道数模转化器将数字信号转换成一对模拟基频信号传输至该IQ调制器S2;
步骤3)、所述IQ调制器将基频信号的中心频率上调后通过射频放大器传输至该发射传感器S3;
步骤4)、所述接收传感器将检测信号通过射频前端电路传输至IQ解调器S4;
步骤5)、该IQ解调器将高频射频信号解调为一对IQ基频信号传输至该双通道模数转换器S5;
步骤6)、该双通道模数转换器将模拟信号转换为数字信号后传输至双通道并行接口浮点多核信号处理器S6;
步骤7)、所述频率合成器为IQ调制器和IQ解调器提供本振信号S7;
本实施例所述双通道并行接口浮点多核信号处理器1,用于数字信号处理;所述现场可编程门阵列单元2,用于数字信号存储和处理;所述双通道数模转换器3,用于数字信号转换为模拟信号;所述IQ调制器4,用于将基频信号调制到高频;所述射频放大器5,用于放大高频信号;所述发射传感器6,用于电信号转化为超声振动信号;
所述接收传感器10,用于将超声振动信号转化为电信号;所述射频前端电路9,用于将射频信号放大或衰减或负载保护;所述IQ解调器8,用于将高频射频信号解调为一对IQ基频信号;所述双通道模数转换器7,用于模拟信号转换为数字信号;所述频率合成器11,用于提供本振信号。
本实施例,优选地,所述步骤3)还包括发射传感器6将检测信号发射至检测器进行检测。
本实施例,本发明检测方法可以通过低电压频域合成式超声显微镜电路进行检测。参看图2,该低电压频域合成式超声显微镜电路包括双通道并行接口浮点多核信号处理器1,现场可编程门阵列单元(FPGA)2,双通道数模转换器(DAC)3,IQ调制器4,射频放大器5,发射传感器6;接收传感器10,射频前端电路9,IQ解调器8,双通道模数转换器7(ADC),频率合成器11;
所述双通道并行接口浮点多核信号处理器1将数字信号通过现场可编程门阵列单元(FPGA)2传输至双通道数模转换器(DAC)3,该双通道数模转换器3将数字信号转换成一对模拟基频信号传输至该IQ调制器4;所述IQ调制器4将基频信号通过射频放大器5传输至该发射传感器6;所述发射传感器6将电信号转换成超声振动信号;这样,就构成一个完整的发射电路,所述发射传感器6将信号发射至所需要的检测器件,对该器件进行超声波检测;
所述接收传感器10将反射回来的超声振动信号转换成电信号;所述接收传感器10将信号通过射频接收电路9传输至IQ解调器10,该IQ解调器10将高频射频信号解调为一对IQ基频信号传输至该双通道模数转换器7,该双通道模数转换器7将模拟信号转换为数字信号后传输至双通道并行接口浮点多核信号处理器1;所述频率合成器11为IQ调制器4和IQ解调器8提供本振信号;这样就构成一个完成的接收电路。
参看图2,图3,本实施例中,优选地,所述双通道并行接口浮点多核信号处理器1是型号为TMS320C6657的芯片。
所述发射电路,所述双通道并行接口浮点多核信号处理器1通过串行接口(SPI)与现场可编程门阵列单元(FPGA)2连接。在所述接收电路,该双通道模数转换器7通过该并行接口将信号传输至所述双通道并行接口浮点多核信号处理器1。
所述现场可编程门阵列单元(FPGA)2接收了一段数字信号处理器(DSP)产生的发射基频信号后,连续重复地将这一段信号传输至双通道数模转换器(DAC)3。
所述双通道数模转换器3将数字IQ信号转换成一对模拟基频信号,传输至该IQ调制器4。所述IQ调制器4将传输的IQ基频信号调制到高频,该高频中心频率由所述频率合成器11输出决定;所述射频放大器5将高频信号送往发射传感器6。
本实施例,优选地,所述射频前端电路9包括前端保护电路91,前置放大电路92,滤波器93,所述接收传感器10将信号通过前端保护电路91传输至前置放大电路92,该前置放大电路92将信号放大后通过滤波器93将信号传输至射频前端电路9。
本实施例,所述IQ解调器8将高频射频信号调低为一对IQ基频信号;所述双通道模数转换器7将该一对基频信号采样数字化,并通过并行口输出,双通道并行接口浮点多核信号处理器1。
本实施例,所述频率合成器11包括基准时钟源12,该基准时钟源12为频率合成器11提供时钟源。
所述基准时钟源12为频率合成器11提供参照时钟,也为双通道数模转换器3(DAC)和双通道模数转换器7(ADC)提供同步的采样时钟。所述频率合成器11在该双通道并行接口浮点多核信号处理器1控制下,为所述IQ调制器4和IQ解调器8提供本振信号。
本发明整个检测***(从电路到超声传感器到超声传播和反射)是一个需要被刻画的线性***。探测的目的是要寻找这个***的脉冲响应。
传统的设计方法是直接用脉冲信号来激励这一***,然后用极高频采样来数字化脉冲响应信号。这一方法的弊端在此不必重复。
本发明的原理是先寻求这一***的稳定态频率域响应(幅度和相位),然后通过反Fourier 变换,将频率域响应变换成时间域脉冲响应。
在寻求频率域响应时,本发明采用各个击破,分段合成的方法。假如需要采集50MHz到1000MHz频率范围内的频率响应,并假设我们的基频信号处理带宽是50MHz。
首先,采用DSP产生一50MHz带宽的基频信号。该基频信号由多个频率组成,而信号总幅度仍然保持最小峰值比。这一信号的周期(或各组成频率的间距)由最大测量距离和多次回波控制等因素决定。该数字基频信号被送往FPGA。FPGA接收到所有IQ基频信号后,依据DSP的命令,开始重复性地把IQ数字基频信号送往双通道DAC。DAC把信号转换成模拟信号,低通滤波后,送往 IQ 调制器。IQ调制器将信号调成一个中心频率由频率合成器输出决定的带通信号。
在接收方,所述IQ解调器将带通信号调低到基频IQ信号,然后送往双通道ADC。双通道ADC通过并行口,将数字信号送往DSP.
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1)、双通道并行接口浮点多核信号处理器产生数字信号并处理该数字信号;
步骤2)、所述双通道并行接口浮点多核信号处理器将数字信号通过现场可编程门阵列单元传输至双通道数模转换器,该双通道数模转换器将数字信号转换成一对模拟基频信号传输至IQ调制器;
步骤3)、所述IQ调制器将基频信号的中心频率上调后通过射频放大器传输至发射传感器;
步骤4)、接收传感器将模拟信号通过射频前端电路传输至IQ解调器;
步骤5)、该IQ解调器将高频射频信号解调为一对IQ基频信号并传输至双通道模数转换器;
步骤6)、该双通道模数转换器将模拟信号转换为数字信号后传输至双通道并行接口浮点多核信号处理器;
步骤7)、频率合成器为IQ调制器和IQ解调器提供本振信号;
所述双通道并行接口浮点多核信号处理器,用于数字信号处理;所述现场可编程门阵列单元,用于数字信号存储和处理;所述双通道数模转换器,用于将数字信号转换为模拟信号;所述IQ调制器,用于将基频信号调制到高频;所述射频放大器,用于放大高频信号;所述发射传感器,用于将电信号转换为超声振动信号;
所述接收传感器,用于将超声振动信号转换为电信号;所述射频前端电路,用于将射频信号放大或衰减或负载保护;所述IQ解调器,用于将高频射频信号解调为一对IQ基频信号;所述双通道模数转换器,用于将模拟信号转换为数字信号;所述频率合成器,用于提供本振信号;
还包括寻求频率域响应的方法,该寻求频率域响应的方法包括:采用双通道并行接口浮点多核信号处理器产生基频信号,该基频信号由多个频率组成;该基频信号被传输至现场可编程门阵列单元;该现场可编程门阵列单元接收到IQ基频信号后,将IQ基频信号传输至双通道数模转换器;该双通道数模转换器把数字信号转换成模拟信号,低通滤波后传输至 IQ 调制器,该IQ调制器将信号调成一个中心频率由频率合成器输出决定的带通信号;
在接收方,所述IQ解调器将带通信号调低到基频IQ信号,然后传输至双通道模数转换器,该双通道模数转换器通过并行口,将数字信号传输至双通道并行接口浮点多核信号处理器。
2.根据权利要求1所述的低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法,其特征在于:所述步骤3)还包括发射传感器将检测信号发射至检测器件进行检测。
3.根据权利要求1或2所述的低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法,其特征在于:所述双通道并行接口浮点多核信号处理器通过串行接口将信号传输至现场可编程门阵列单元。
4.根据权利要求3所述的低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法,其特征在于:所述射频前端电路包括前端保护电路、前置放大电路,和滤波器,所述接收传感器将信号通过前端保护电路传输至前置放大电路,该前置放大电路将信号放大后通过滤波器将信号传输至射频前端电路。
5.根据权利要求4所述的低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法,其特征在于:所述频率合成器包括基准时钟源,该基准时钟源为频率合成器提供时钟源。
6.根据权利要求5所述的低电压频域合成式超声显微镜电路设计方法,其特征在于:所述双通道模数转换器包括并行接口,该双通道模数转换器通过该并行接口将信号传输至所述双通道并行接口浮点多核信号处理器。
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