岩石特性的编码激励超声参数表征及分析

编码激励技术是提高超声穿透能力和分辨率的有效手段。为分析岩石特性对编码信号脉冲压缩性能的影响,通过数值模拟以及不同岩石的超声检测实验,研究并比较了几类编码信号的检测效果。结果表明幅度加权线性调频信号(TLFM)调制的Barker码信号(BTL)受到的信噪比损失低于正弦调制Barker码信号(BS),而分辨率损失要低于TLFM信号。实验结果验证了编码激励技术的有效性,为岩石超声检测中编码参数的设置提供了依据。      

衰减匹配的超声Barker码激励方法

为增加超声穿透高声衰减介质的能力,提出了一种衰减匹配的超声Barker码激励方法。基于换能器高斯响应与材料非频散线性衰减的假设,得到了Barker码激励的信号模型,求解旁瓣抑制滤波后脉冲压缩的信噪比表达式可知,该方法仅需要根据材料衰减特性与轴向分辨率的要求,分别调整Barker码的中心频率与时长,便可以获得更高的信噪比。取衰减系数为1.4 Np/(MHz·cm)、厚度为5 cm的橡胶为试样进行验证。当与方波激励方法的轴向分辨率相近时,衰减匹配的Barker码激励方法比传统Barker码激励方法的信噪比增益提高接近5 dB;当牺牲一定轴向分辨率时,信噪比增益提高接近11 dB。结果表明,衰减匹配的Barker码激励方法可以降低依频率衰减对脉冲压缩的影响,有效提高衰减回波的信噪比。      

一种在色噪声环境下的信号检测方法

为了抑制蛟龙号载人潜水器水声通信受母船色噪声干扰的影响,本文提出了一种统计匹配滤波器在色噪声环境下使用的新方法,它通过将接收信号映射到一个生成子空间中进行信号检测,可提高输出水声通信信号的信噪比。受客观条件限制,向阳红09船——蛟龙号载人潜水器的试验母船噪声环境比较恶劣,对水声通信产生了较强的干扰。如何在向阳红09船的这种强、色噪声环境下,提升水声同步信号的检测能力,对提高水声通信的可靠性是非常有帮助的。实际采集试验数据分析结果验证了该检测算法比传统匹配滤波器有更强的信号检测能力。     

采用超声导波特征参量的骨质疏松识别方法

骨质的定期检测对骨质疏松的防治至关重要。本文研究了骨质疏松对超声导波在人体长骨中传播的影响。提出采用多尺度小波变换方法对接收到的导波信号进行处理,通过分析在不同传播距离下高阶小波细节分量所占信号总能量的变化,来判断是否患有骨质疏松症。在13位志愿者的小腿胫骨上进行超声测量,得到导波信号。经多尺度小波变换方法的分析处理结果显示在13位志愿者中,有7位志愿者的超声导波信号随着传播距离的改变,其主要频率成分发生了明显的变化,显示这7位志愿者患有骨质疏松症。这一诊断结果与X射线技术诊断结果相比,准确率可以达到92.3%,表明本文所提出的利用小波多尺度变换方法对长骨进行超声诊断具有较好的潜力。      

超声无损检测中的数字匹配滤波技术

本文在超声无损检测技术中采用线性调频脉冲信号,并用数字化了的电激励信号自身作为数字匹配滤波器,在不同的时延带宽乘积的系统中得到了声脉冲的压缩信号。实验结果与理论预期值符合得很好.对于Hamming和Gaussian时间加权的信号,其旁瓣抑制可分别达到—41.9dB和—41.5dB.数字匹配滤波技术的引入可以有力地改善超声检测系统的性能。     

长骨中振动声激发超声导波的方法

为了实现一定频段内任意低频下在长骨中激励导波信号,本文提出一种采用聚焦高频(5 MHz)超声换能器在长骨皮质骨中激发低频(150 kHz)超声导波的振动声方法.首先介绍了板状超声导波理论和双声束共聚焦法与单声束调幅法激发振动声的基本原理;进而采用三维有限元仿真方法分析振动声激发低频超声导波的基本现象,然后结合牛胫骨板离体实验,验证振动声激发低频超声导波的可行性.结果均表明,双声束共焦与单声束振动超声均可在骨板中激发低频超声导波.相关研究方法有助于提高空间域长骨中超声导波测量精度,以及在一定频段内实现任意频率激励等,对发展低频超声导波在体测量长骨皮质骨的新技术具有一定的指导意义.     

时频方法分析长骨中的超声导波及皮质骨厚度

超声导波在长骨中传播时,接收信号中含有相互叠加的多个导波模式.本文提出将希尔伯特-黄变换(HHT)用于分析叠加的多模式导波信号,将其分解成许多单个独立的模式,然后对分解出的模式求得其对应频率下的群速度,并与短时傅里叶变换所得的结果进行比较.通过与理论计算结果比较,可得到长骨皮质骨的厚度.研究结果表明,实验得到的厚度与实际厚度一致.说明通过测量导波模式的速度可以评价皮质骨的厚度,也说明HHT方法是一种识别叠加多模式导波信号的有效方法.     

基于时频分布的盲信号分离方法研究长骨中的多模式导波信号

由于超声导波对长骨皮质骨的材料特性及厚度变化非常敏感,因此用导波评价长骨状况的研究已成为近年来的一个研究热点.在接收到的导波中,往往多种模式混叠在一起,使得进一步求取每种导波模式的群速度等与骨质状况密切相关的参数时遇到困难.本文采用基于时频分布的盲信号分离(TFBSS)方法对长骨中混叠的多模式进行分离,然后对分离后的单...     

Sinusoid-Golay编码单脉冲激励提升磁声电成像精度

针对低电导率生物组织的成像需求,利用Sinusoid-Golay编码单脉冲激励提高磁声电信号的信噪比和定位精度,实现了高精度的磁声电成像。首先,在考虑换能器指向性的基础上,推导了Sinusoid-Golay编码单脉冲激励的磁声电理论公式,并引入激励转换因子和自相关计算,实现磁声电信号测量和解码重建,理论证明了N位Sinusoid-Golay编码可以将磁声电信号的主瓣幅度提高2N倍,并具有良好的脉冲压缩和噪声抑制能力。然后,在5 dB信噪比条件下,模拟了16位SinusoidGolay编码单脉冲激励层状组织模型所产生的磁声电信号,通过匹配滤波解码和叠加增强了磁声电信号的主瓣,并消除了其旁瓣,实现了组织边界的精确定位和电导率梯度的准确重建。最后,搭建了磁声电检测和线性扫描成像系统,利用正弦单周期和16位Sinusoid-Golay编码单脉冲激励,对三层凝胶仿体进行了磁声电测量和图像重建。Sinusoid-Golay编码单脉冲激励能够提高磁声电信号的信噪比约6.5 dB,并精确重构了组织边界电导率变化的幅值和极性。该研究为基于电学特性差异的组织病变早期检测提供了一种高精度磁声电快速成像方法。     

各向同性噪声场中单矢量传感器虚源消除MUSIC测向方法

针对各向同性噪声场中,单矢量水声传感器声压通道和振速通道的噪声功率不一致性造成MUSIC测向方法性能急剧下降的问题,提出了一种增秩MUSIC测向方法和一种幅度加权MUSIC测向方法。增秩MUSIC测向方法通过增加信号子空间维度消除虚源的影响,在单目标情况和低信噪比时可获得高精度方位估计结果,其性能接近克拉美洛界限(CRB),但它不能分辨双目标;幅度加权MUSIC测向方法通过对接收信号幅度加权消除了虚源,并且能分辨双目标。