《基于脉冲压缩的非接触超声检测研究》文献综述
1前言
张晴晖[1]指出，声学的无损检测方法具有成本低、易于携带、无辐射、检测速度快等优点，在木材领域内广泛应用。但是，换能器材料与空气声阻抗的严重不匹配，使得空气耦合超声换能器效率低、回波信号弱，这使得空气耦合超声检测系统无法达到一般超声检测系统的灵敏度和分辨率。因此，提高空气耦合超声检测回波信号的信噪比是空气耦合超声检测技术研究中的关键问题。在实际应用中，可以提高超声信号信噪比的主要方法有：使用合适的激励方法使换能器尽可能高的输入信号；应用超低噪声前置放大器完成接收信号的放大；采用信号处理技术增强接收信号信噪比[2]。
2 现状与发展
编码激励技术最早应用于雷达通信系统，为了提高信号的平均功率并且增大传输距离，发射端采用编码脉冲激励，在接收端结合脉冲压缩技术对回波信号进行脉冲压缩，这使得雷达在提高检测能力的同时不降低系统的距离分辨力。为抑制该技术造成的距离旁瓣，1972年Ackroyd提出了一种采用Huffman序列激励的方法，但该方法在强干扰性的环境中几乎没有实用价值，导致该方法适用范围有限[3]。之后，脉冲压缩技术又被应用于医学超声领域[4]。1974年Newhouse首次将编码激励技术应用到医院超声成像中。1992年，Orsquo;Donnell[5]提出，在检测分辨率不变的前提下，采用脉冲编码激励和脉冲压缩技术可以提高超声成像15-20dB的信噪比。2006年，Hu和Zhou[6]将Barker码应用于高频超声成像中，实验结果表明，旁瓣电平和信噪比提高了16dB-40dB。2016年，Yucel[7]等比较了最大长度序列和Chirp信号激励对超声导波分辨率的影响。
国内各所高校也在医学超声方面取得了一系列成就。2006年，西安交通大学谷金宏、万明习等通过发射线性调频信号并采用匹配滤波解码方法来提取超声造影剂二次谐波图像，结果表明，与传统单脉冲激励相比，编码激励可将回波信号信噪比提高约10dB。2007年，清华大学刘凯、高上凯[8]在10MHz眼科超声成像中实现编码激励技术的应用，在相同发射电压条件下，采用编码激励得到的回波信噪比对比单脉冲激励提高了9.7dB。2014年，复旦大学张慧琳、他得安[9]等将编码激励应用到长骨检测中，与传统单脉冲激励相比，采用Barker编码激励使得接收信号幅度增大6.64dB。2015 年，中国医学科学院王晓春、周盛等[10]采用4位Golay互补序列替代传统单脉冲激励，实验结果表明，在眼科超声生物测量中采用编码激励发射超声导波使得在空间分辨率和测量精度不变条件下，发射电压由原来的60V降低至 15V后，仍能保持相关检测参数的准确性，对于眼部生物组织的准确测量具有深远意义。2019 年，天津大学邓惟心、陈晓冬等[11]采用Golay 互补序列对作为激励信号研究内镜超声图像质量，通过增加发射码长来提高图像轴向分辨率和信噪比。仿真结果表明，该方法在轴向分辨率和信噪比上分别提高了31%和18dB.
3 研究内容及任务
3.1 脉冲压缩方法基本原理
脉冲压缩即采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，在接收时采用匹配滤波器进行脉冲压缩以获得窄脉冲信号，以提高检测能力。脉冲压缩技术对于提高空气耦合超声检测中的信号强度及其信噪比具有显著的作用。目前常用的脉冲压缩处理技术有：线性调频脉冲压缩技术、非线性调频脉冲压缩技术、相位编码脉冲压缩技术，三种脉冲压缩方法在实际检测中均有应用。其中频率调制压缩技术在医学高精度超声成像领域已经得到验证，相位编码脉冲压缩方法在雷达信号处理中占有重要地位，并逐步向超声检测领域进行推广。
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