基于分割阵列的混合相关法相位畸变校正方法.pdf

在相控阵超声检测中，由于假定声速和实际声速之间的偏差、待检测对象中声速的不均匀性、检测系统各通道的不一致性以及系统固有的相控误差等，造成了各通道信号之间的相位畸变，本发明的目的是提供一种超声相控阵相关相位校正的新方法——适合于低信噪比信号的混合相关相位校正法，在混合相关校正中，将阵列划分为若干个子阵，每个子阵中的每个阵元与该子阵直接叠加所得的信号进行集总相关校正，而每个子阵之间做邻近相关校正。该方法充分利用了邻近相关校正和集总相关校正的优点，在低信噪比信号的情况下，可以有效提高时间延迟估计的精度，明显提高了波束合成的质量。

1、  一种超声相控阵发射相位校正的方法，其特征是：在阵列回波信号的相位校正中，采用相关分析法进行相位畸变校正。

2、  如权利要求1所述的相控阵超声检测中基于分割阵列的混合相关法相位畸变校正方法，其特征是：将阵列划分为若干个子阵，每个子阵中的每个阵元与该子阵直接叠加所得的信号进行集总相关校正，而每个子阵之间做邻近相关校正。

基于分割阵列的混合相关法相位畸变校正方法
技术领域
本发明涉及超声相控阵技术，尤其是超声相控阵的相位校正技术。
背景技术
在相控阵超声检测中，检测对象内部声速的非均匀性等原因，会造成相控阵超声检测中发射聚焦环节与接收聚焦环节中各路信号的相位偏差，从而导致多通道发射声束与接收声束进行相控合成后的信号发生畸变，降低了声束合成信号的幅度和信噪比，并使得聚焦点处的声束合成信号束宽增加，相控阵超声检测的空间分辨力与对比度分辨力都会受到声束畸变的影响而变差。
相位畸变的来源主要有：假定声速和实际声速之间的偏差、待检测对象中声速的不均匀性、检测系统各通道的不一致性以及系统固有的相控误差等。
在光学中，为解决光线沿不同的传播路径引起的相位差问题，引入了相关分析法。相关分析法是一种成熟和广泛使用的方法，它在抑制随机干扰等方面是行之有效的重要手段。其理论根据是信号的时间相关性和空间相关性。空间相关性描述信号在空间不同点处的相关性；时间相关性描述信号在不同时刻的相关性或者可预测的联系。在相控阵超声领域，相关分析法在相位校正方面可以得到有效的应用。
发明内容
解决问题：在相控阵超声检测中，由于假定声速和实际声速之间的偏差、待检测对象中声速的不均匀性、检测系统各通道的不一致性以及系统固有的相控误差等，造成了各通道信号之间的相位畸变，本发明的目的是提供一种超声相控阵相关相位校正的新方法——基于分割阵列的混合相关法相位畸变校正方法，该方法充分考虑了相控阵列各阵元相位畸变的一般情况和统计规律，充分利用了邻近相关校正和集总相关校正的优点，可以有效提高时间延迟估计的精度，明显提高了波束合成的质量。
技术方案：为实现以上目的，本发明特提出以下技术方案：
将阵列划分为若干个子阵，每个子阵中的每个阵元与该子阵直接叠加所得的信号进行集总相关校正，而每个子阵之间做邻近相关校正。
对于阵列中单阵元信号来讲，信噪比可能较差，采用集总相关估计比较合理，而对于每个子阵的信号来说，由于已经在该子阵内进行了聚焦合成，所以子阵信号的信噪比比较高，为了进一步提高时间延迟估计精度，子阵间校正采用邻近相关估计，确保最终合成信号有更高的信噪比。
技术效果：理论分析和实验证明该方法充分考虑了相控阵列各阵元相位畸变的一般情况和统计规律，充分利用了邻近相关校正和集总相关校正的优点，可以有效提高时间延迟估计的精度，明显提高了波束合成的质量。
具体实施方式
首先引入相关函数的离散形式，假设x(n)和y(n)都为能量有限信号，则它们之间的相关函数定义为：
Rxy(m)=Σn=-∞∞x(n)y(n+m)---(1)]]>
假设观察得到的信号x(n)为有限长，且x(n)中含有噪声(假设有用信号为s(n)，噪声为u(n)，x(n)＝s(n)+u(n))，那么x(n)的自相关为：
Rx(m)=1NΣn=0N-1[s(n)+u(n)][s(n+m)+u(n+m)]=Rs(m)+Rus(m)+Rsu(m)+Ru(m)---(2)]]>
其中，R_us(m)，R_su(m)是有用信号s和噪声u的互相关，一般噪声u是随机的，和信号s应无相关性，所以这两项应该很小。R_u(m)是噪声u的自相关，其能量主要集中在m＝0处，|m|＞0时，其衰减很快。但对于m较小的时候，式(2)的相关函数值主要由有用信号的自相关和噪声的自相关决定。
在相关校正中，两列信号的时间延迟量(相位偏差)，是利用两列信号互相关函数的极大值来估计得到的。但噪声信号的存在，对于时间延迟的估计精度产生了影响，即公式(2)中R_u(m)项的大小，是影响估计精度的主要因素。
邻近相关估计以相邻阵元之间的相关时延估计为基础，选取阵列中一个阵元的回波信号为参考信号，通过相邻阵元信号之间的相关估计得到两个阵元信号之间的时间延迟量(相位差)，每个阵元与参考阵元之间的时间延迟量，是通过其相邻阵元逐步传递累加得到的。集总相关估计是以所有阵元接收到的信号直接叠加之和做为参考信号，各个阵元与参考信号做相关分析，求得每个阵元相对于参考信号的时间延迟量。邻近相关估计和集总相关估计在不同强度噪声背景下时间延迟估计误差的期望和方差不同，如图1所示。
从图1可以看出，在噪声强度较小(＜0.3)的情况下，邻近相关估计误差的期望值较小，方差基本差不多。当噪声强度较大时，邻近相关估计误差的期望值比集总相关估计误差的期望值偏大，而邻近相关估计误差的方差随着噪声的增加而急剧增加；相对而言，集总相关估计误差的方差则随着噪声的增大而缓慢增大。所以，在实际应用中，选取何种相位校正方案，要根据阵元接收到的回波信号的信噪比来确定。总的来讲，在信噪比较高的时候，采用邻近相关校正的效果较好；在信噪比较低的时候，采用集总相关校正的效果较好。
在基于分割阵列的混合相关相位校正中子阵的划分，是根据相控阵列各阵元相位畸变的一般情况和噪声强度统计规律，通常情况下，邻近阵元的相位畸变较小，信噪比较差，噪声强度较大，采用集总相关法校正；子阵合成叠加后，信号的噪声强度有所降低，此时邻近相关法更适用。混合相关校正的结构如图2所示，图中各阵元信号校正前用s(n)表示，校正后用s(n)′表示。
附图说明
图1邻近相关和集总相关时间延迟估计误差期望值和方差比较图(a)误差的期望值与噪声强度，图(b)误差的方差与噪声强度
图2低信噪比背景下混合相关相位校正示意图