[发明专利]一种CIC多相内插滤波超声相控阵波束延时方法

摘要

本发明公开了一种CIC多相内插滤波超声相控阵波束延时方法，所述方法包括：A通过聚焦法则激励多阵元探头，对反射波进行接收延时聚焦；B回波升采样，采样率从f_s提升到I·f_s，同时I路分解，形成相邻两路1/(I·f_s)的延时精度；C通过N阶CIC滤波器实现多相内插滤波。本发明提供的方法基于FPGA精准的时序控制、快速并行处理能力，结合CIC内插滤波器灵活、运算量小、抗镜像能力强容易达到‑120dB等优点，提出升采样插零技术，对信号I倍内插零再滤波，通过抗镜像滤波滤除高频成分，超声回波采样率从f_s提升到I·f_s，同时I路分解，形成相邻两路1/(I·f_s)的延时精度。

主权项

1.一种CIC多相内插滤波超声相控阵波束延时方法，其特征在于，所述方法包括：A通过聚焦法则激励多阵元探头，对反射波进行接收延时聚焦；B回波升采样，采样率从fs提升到I·fs，同时I路分解，形成相邻两路1/(I·fs)的延时精度；C通过N阶CIC滤波器实现多相内插滤波；所述步骤B具体实现方法如下：回波信号的采样率为fs，两个样点间采样时间ΔTs＝1/fs，可通过内插技术，进行I倍内插采样率提升到I·fs，则两个样点间采样时间ΔTs＝1/(I·fs)，其精度提高I倍，其回波信号延时聚焦精度为1/(I·fs)，(1)I倍内插器，两个原始采样点之间插入I‑1个零值，即实现I倍内插，速率提升到I·fs；(2)抗镜像滤波，插零后会使得原始信号的频谱发生变化，若原始序列以及频谱分别为x(n)、X(ejw)，则内插后的时域序列与频域谱分别为：则内插后信号频谱为原始序列频谱经I倍压缩后得到，内插后的频谱产生周期为π/I镜像分量，可通过带宽为π/I、长度L低通滤波器hLP(n)(HLP(ω))恢复出原始信号；上述步骤C是通过N阶CIC滤波器多项内插通项公式实现多项内插滤波；实现步骤如下：N阶CIC滤波器的数学表达式为：从式(2)可以看出，N阶CIC滤波器可等效等效为N个积分器、梳状滤波器的组合；其参数说明如下：①N‑CIC滤波器的阶数；②I‑抽取或内插系数；③M‑梳状滤波部分的延时因子，一般取1；N阶CIC滤波器由N个梳状滤波器和积分器组成，存在的特殊反馈结构，使其结构不能简单地进行多相分解，实现多相内插滤波，具体包括：对回波信号插零升采样后，通过CIC滤波器实现抗镜像滤波滤除高频成分，对信号I倍内插零再滤波，重组CIC滤波器内插器、积分器，在采样率fs下完成内插滤波运算，通过多相分解技术实现对内插后I·fs速率信号的处理，即在采样率fs下多相输出I相，此滤波器即CIC多相内插滤波器；积分器中的每个寄存器zi等效为一个累加器，对这个内插滤波器输入采样率为fs的数字序列，分析输出结果；内插I倍即每两个样点间插I‑1个零，工作在I·fs速率的积分器，实际是每I个1/I·fs采样周期输入一个有效样点，其余时刻输入是零，不需要进行运算，如是可合并内插器、积分器，在采样率fs下完成内插滤波运算，即在采样率fs下通过多相输出，可实现任意倍内插滤波；每个节点加法器赋上坐标p(x,y)，设积分部分对应寄存器值分别为z0、z1、…、zN，可得Y(i)其中i＝0、1、…、I‑1，必定为变量z0、z1、…、zN的一次多项式，令Y(i)＝A0z0+A1z1+A2z2+…+ANzN，下面求解系数Ai；设p(i,j)为此时刻坐标(i,j)节点对应的值，根据各节点的值有如下的递推关系式：如果不考虑中间值p(i‑1,j‑1)和p(i,j‑1)，可直接用tm时刻节点值p(0,0)＝z0、p(0,1)＝z1、p(0,2)＝z2、…、p(0,N)＝zN表示p(x,y)；给定时刻节点(i,0)作为起点，求到节点(x,y)的路径，关系到求两节点间最短路径数问题，m×n矩形网格，右上角点到左下角点最短路径数为Cmm+n，则坐标(i,0)到(x,y)的最短路径数Ai可表示：由于寄存器zi值为p(i,0)，如是经坐标(i,0)到达(x,y)后的值p(x,y)i＝Aizi，从而节点值p(x,y)＝A0z0+A1z1+A2z2+…+ANzN表示如下：其中其中：δ＝0，表示输出项p(x,y)中不含z₀；令x＝N为CIC滤波器阶数，可得最后的多相分解输出相：令y＝I可得下一个时钟周期寄存器zx的值，其中，I为内插倍数，该值为反馈环路增益值：式(6)、(7)称为CIC滤波器多相内插滤波求解公式。