一种基于声电联合结构的扩展仿生探头 |
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| 申请号 | CN201610291813.X | 申请日 | 2016-05-03 | 公开(公告)号 | CN106019261A | 公开(公告)日 | 2016-10-12 |
| 申请人 | 华南理工大学; | 发明人 | 韦岗; 曹燕; 杨萃; 赵明剑; 徐振龙; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提出一种基于声电联合结构的扩展仿生 探头 ，包括多斜率顶面圆锥发射探头、接收 捆 绑探头阵列和套接头；多斜率顶面圆锥发射探头实现宽带聚能发射；接收捆绑探头阵列实现宽带高灵敏接收；套接头把接收捆绑探头阵列套接在多斜率顶面圆锥发射探头的底端。采用发射探头和接收探头的功能分离，基于声电联合结构的发射探头专注于大功率连续宽频 超 声波 的 能量 聚集发送，基于声电联合结构的接收探头专注于宽频 信号 的高灵敏接收。该扩展仿生超声探头声电结构一起设计，能有效发出宽频 超声波 ，且能最高效率接收微弱信号。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，其特征在于包括多斜率顶面圆锥发射探头、接收捆绑探头阵列和套接头；多斜率顶面圆锥发射探头实现宽带聚能发射；接收捆绑探头阵列实现宽带接收；套接头把接收捆绑探头阵列套接在多斜率顶面圆锥发射探头的底端。 |
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| 说明书全文 | 一种基于声电联合结构的扩展仿生探头技术领域[0001] 本发明涉及超声探测技术，具体涉及基于声电联合结构的扩展仿生探头。 [0002] 背景技术[0003] 在超声波检测过程中，超声波的发射和接收是通过超声探头来实现的。目前的超声探头一般既作为发射探头也作为接收探头，在发射时，超声探头作为发射探头发超声波出去，然后马上切换为接收状态，等待接收。超声波经过探测物反射，反射的超声波到达超声探头，超声探头作为接收探头接收超声波。这种单工的工作方式要求发射的超声波持续时间短，接收反射波时不能再发送超声波，因此发射波一般为短脉冲。 [0004] 超声探头既作为发射探头也作为接收探头有其自身的特点，作为发射探头更多关注的是发射超声波功率大，这样一来可以提高发射信号的信噪比，二来可以增加传播距离，提高穿透能力。对发射探头来说，增加发射功率，要承受更大的发射功率，就得增加换能器晶片的底面积，从而提高发射信号的能量。作为接收探头更多关注的是接收超声波的灵敏程度，能接收微弱的反射超声波是其主要的目标。这就要求接收探头探测面积小，干扰小，而且为提高探测的精度，特别是提高横向分辨力更需要探测面积小。即是说发射探头的性能目标和接收探头的性能目标是不一致的，或者说是不能兼得的，因此发射探头和接收探头不宜用同一个探头来实现。 [0005] 从信息论的角度来看，探头的发射信号应该为一个宽频连续信号。根据香农信息论，信号的信息量为 （公式1） 其中I为探测信号的信息量，B为探测信号的频带宽度（频宽），T为探测信号时长（时宽），S/N为信号的信噪比。从（公式1）可以看到，信息量与带宽成正比，提高信噪比和增加带宽可以提高信息量，且在获取同等信息量下，增加带宽能够降低对发射信号信噪比的要求。 同样，信息量与探测信号时长成正比，增加探测信号时长可以提高信息量，且在获取同等信息量下，增加探测信号时长能够降低对发射信号信噪比的要求。因此，宽带信号的连续发射既是发射宽频信号，又增加了可用信号的长度，使得在相同能量下信号的峰值远远比脉冲的峰值低，从而可以降低发射功率，提高信号能效。而现在的探头基本不支持宽频发送。 [0006] 现在用于超声探测的探头的特点为：1）发射脉冲波，脉冲波发射时间短，脉冲幅度高，因此需要较高的发射能量，使得脉冲发射信号能效低。 [0007] 2）不支持宽频连续波的发送。 [0008] 3）很多探测采用单工工作模式，即是同一探头，既作为发射探头也作为接收探头，使得发送和接收的性能相互制约，都不能得到有效地提高。 [0009] 在生物界有很多动物靠超声波的发射和接收来定位目标捕食生存的，如“雷达飞兽”蝙蝠在空中利用超声波来“导航”，能迅速准确捕捉飞虫，甚至能在完全黑暗中，以极快的速度精确地飞翔，而不会同前方的物体相撞。蝙蝠用嘴巴发出超声波，当遇到食物或障碍物时，超声波反射回来，蝙蝠用两耳接收物体的反射波，并据此确定该物体的位置，且通过分析两耳分别接收的反射波间的差别，来辨别物体的远近、形状大小及性质。若将它的耳蒙上，并把嘴堵上，则失去避免与物体相撞的本领。此外，某些海洋哺乳类也能通过在水下发出频带很宽的声波（甚至高达30万赫）来进行定位。如齿鲸、海豚，接收附近地形对声音的反射波，用回声定位来测定方向，得知物体或海岸的位置。某些海豹、海狮也能在水下发超声波。采集这些生物发出的声音，分析可以看到，这些生物发出的都是宽频连续超声波，另外其发送和接收都是用不同的器官，各司其职，才使得它们的探测那么精确。 发明内容[0010] 针对目前超声探头以发射脉冲为主，不支持宽频连续波的发送，探测多采用单工模式使得探测精度不高的缺点，受生物体的高精度探测启发，本发明提出一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，使发射探头和接收探头的功能分离，基于声电联合结构的发射探头专注于大功率（满足超声探测需要）连续宽频超声波的能量聚集发送，基于声电联合结构的接收探头专注于宽频信号的高灵敏接收。 [0011] 本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。 [0012] 一种基于声电联合结构的扩展仿生探头，包括多斜率顶面圆锥发射探头、接收捆绑探头阵列和套接头；多斜率顶面圆锥发射探头实现宽频聚能发射；接收捆绑探头阵列实现宽频高灵敏接收；套接头把接收捆绑探头阵列套接在多斜率顶面圆锥发射探头的底端。 [0013] 一种基于声电联合结构的扩展仿生探头的优化方案，多斜率顶面圆锥发射探头的声结构特点为：整个结构为一个圆锥体结构，类似生物中发出声音的嘴巴，包括一个具有多斜率顶面的圆锥体、若干超声换能器晶片。 [0014] 上述具有多斜率顶面的圆锥体，其顶面不是平坦的，而是具有多斜率的不规则平面组成的，即是每个不规则平面的斜率都可以不一样。每个不规则平面开设若干个开槽来放置相应数量的超声换能器晶片。圆锥体锥体中间采用透声材料制作或者是里面中空，使用时填充透声液体；圆锥体锥体和顶面是可以分离的，通过设纹路来旋转套接；圆锥体锥体侧面外面添加一个非透声层；圆锥体底部是一个圆环面，外环为非透声层，内环为圆锥底部口，与锥体中间是一体的，由透声材料制作或者是中空。 [0015] 上述若干个超声换能器晶片分布在圆锥体圆锥顶面的每个不规则平面上的开槽内，其大小、发射中心频率、相互之间的间隔都可以不同；超声换能器晶片可以为压电陶瓷晶片，也可以是其他类型的压电晶片，支持发送大功率（满足探测需要即可）的窄带变频信号。 [0016] 上述具有多斜率顶面的圆锥体，根据顶面设置的开槽个数来安置相应数量的超声换能器晶片，安置好之后再旋转套接在圆锥体上，使之成为整体。 [0017] 上述多斜率顶面圆锥发射探头由安置在圆锥多顶面上的若干个超声换能器晶片共同发射宽频超声波到圆锥底部口；顶面的每个不规则平面的开槽都面向圆锥底部口，使得安置在上面的超声换能器晶片发射的超声波都尽可能多地直射到圆锥底部口，衰减最少，好似吹口哨的嘴巴，使得发出的声音尽可能大。若圆锥多顶面上的超声换能器晶片发射的超声波绝大多数都入射到圆锥体的侧面，再经过反射，入射到圆锥底部口的超声波经过路径变长，且经过反射，衰减必然会大于直达到圆锥底部口的超声波。多斜率顶面圆锥发射探头的圆锥侧面外面由于添加了非透声层，使得即使超声波入射到圆锥侧面也大部分能够反射回来。 [0018] 上述多斜率顶面圆锥发射探头高度由圆锥体顶面面积，顶面每个不规则平面的斜度，圆锥底部口口径大小共同决定，决定的原则是：超声换能器晶片发出的超声波直射到圆锥底部口尽可能多，使得能量尽可能大地汇聚。 [0019] 上述多斜率顶面圆锥发射探头，为防止超声波向后发射，其顶面后面加上非透声材料制作的背衬。 [0020] 一种基于声电联合结构的扩展仿生探头的优化方案，多斜率顶面圆锥发射探头的电结构特点为：多斜率顶面圆锥发射探头由安置在圆锥多顶面上的若干个超声换能器晶片共同发射宽频超声波，包括数模(DA)转换器、分频器和若干个功率放大器。连续宽频发送信号经过数模(DA)转换后，通过分频器后先进行频带分割，再由对应的窄带功放进行功率放大，再发送给对应的超声换能器晶片。这样在圆锥底部口汇聚的超声波是一个宽频的超声波。 [0021] 一种基于声电联合结构的扩展仿生探头的优化方案，接收捆绑探头阵列的声结构特点为：由若干个接收探头捆绑组组成，好似生物体中的耳朵，但是这里可以根据需要由多个“耳朵”（接收探头捆绑组）组成；每个接收探头捆绑组由不同中心频率的超声换能器组成，使之能接收不同频段的超声波，为宽频接收；不同中心频率的超声换能器的大小可以不同，可以选用体积比较小灵敏度比较高的薄膜探头或者电容式微加工超声传感器(CMUT)探头；若干个接收探头捆绑组对称分布；若干接收探头捆绑组排列而成的阵列放置在一电路板上，其形状随探测场景的不同，可以设置成为不同的形状，如圆形，方形等，接收不同方向的超声回波，该电路板中间开孔，使其能通过套接头套接在多斜率顶面圆锥发射探头的底端。 [0022] 一种基于声电联合结构的扩展仿生探头的优化方案，接收捆绑探头阵列的电结构特点为：每个接收探头捆绑组的超声换能器都有一个前置放大电路紧贴，使之接收的超声信号能够立即放大。每路放大后再经过单路模数(AD)转换后被采集为多路接收信号。 [0024] 与现有的超声探头相比，本发明具有以下优点：（1）该超声探头可以发送连续宽频信号。带宽的增加和发射信号的持续时间的增加使得整个探测系统的性能得以提高。 [0025] （2）该扩展仿生超声探头受生物界高精度的探测思想启发，把发射探头和接收探头分开，各自专注提升自己的性能。 [0026] （3）提升发射探头的性能。多斜率顶面圆锥发射探头的声结构为一个圆锥体结构，类似生物中发出声音的嘴巴；另外顶面的每个不规则平面都面向圆锥底部口，使得安置在上面的超声换能器晶片发射的超声波都尽可能多地直射到圆锥底部口，衰减最少，好似吹口哨的嘴巴，使得发出的声音尽可能大。 [0027] （4）提升接收探头的性能。接收探头由若干接收探头捆绑组组成，好似生物体中的耳朵，但是这里可以根据需要由多个“耳朵”（接收探头捆绑组）组成，个数按需设置；每个接收探头捆绑组由不同中心频率的超声换能器组成，能够宽频接收，按需组成。且还可以根据测试场景把若干接收探头捆绑组排列成不同形状的阵列，接收不同方向的超声回波，按需排列。 [0028] （5）该扩展仿生超声探头声电结构一起设计，能有效发出宽频超声波，且能最高效率接收微弱信号。 [0030] 图1是本发明的基于声电联合结构的扩展仿生探头示意图。 [0031] 图2a是本发明的多斜率顶面圆锥发射探头的声结构示意图。 [0032] 图2b是本发明的多斜率顶面圆锥发射探头的多顶面示意图。 [0033] 图3是本发明的多斜率顶面圆锥发射探头的电结构示意图。 [0034] 图4是本发明的接收捆绑探头阵列的声结构示意图。 [0035] 图5是本发明的接收捆绑探头阵列的电结构示意图。 具体实施方式[0036]下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。 [0037] 如图1所示，是本实施例所述基于声电联合结构的扩展仿生探头示意图，扩展仿生探头包括多斜率顶面圆锥发射探头1、接收捆绑探头阵列2和套接头3；多斜率顶面圆锥发射探头1实现宽带聚能发射；接收捆绑探头阵列2套在套接头3上，实现宽带高灵敏接收；套接头3把接收捆绑探头阵列套接在多斜率顶面圆锥发射探头的底端。为了示意清楚，图中接收捆绑探头阵列2并没有套接在套接头3上，只示意为了套接而预留的和套接头同等大小的圆孔。 [0038] 如图2a所示，是多斜率顶面圆锥发射探头的声结构示意图。整个结构为一个倒圆锥体结构，类似生物中发出声音的嘴巴，包括一个具有多斜率顶面的圆锥体101、若干超声换能器晶片。这里没有示意超声换能器晶片。具有多斜率顶面的圆锥体101，其顶面102（对应几何圆锥的底面）不是平坦的，而是具有多斜率的不规则平面组成的，即是每个不规则平面的斜率都可以不一样。每个不规则平面开设若干个槽来放置相应数量的超声换能器晶片。圆锥体锥体中间采用透声材料制作或者是里面中空，使用时填充透声液体；圆锥体锥体和顶面是可以分离的，通过设纹路来旋转套接；圆锥体锥体侧面外面添加一个非透声层103。圆锥体底部是一个圆环面，外环为非透声层，内环为圆锥底部口104，与锥体中间是一体的，由透声材料制作或者是中空。 [0039] 上述多斜率顶面圆锥发射探头由安置在圆锥多顶面上的若干个超声换能器晶片共同发射宽频超声波到圆锥底部口104；若干个超声换能器晶片分布在圆锥顶面的每个不规则平面上，其间隔、大小、发射中心频率都可以不同；超声换能器晶片可以为压电陶瓷晶片，也可以是其他类型的压电晶片，支持发送大功率的窄带变频信号。具有多斜率顶面的圆锥体，根据顶面设置的开槽个数来安置相应数量的超声换能器晶片，安置好之后再旋转套接在圆锥体上，使之成为整体。多斜率顶面圆锥发射探头高度由圆锥体顶面积，顶面每个不规则平面的斜度，圆锥底部口口径大小共同决定，决定的原则是：超声换能器晶片发出的超声波直射到圆锥底部口尽可能多，使得能量尽可能大地汇聚。多斜率顶面圆锥发射探头，为防止超声波向后发射，其顶面后面加上非透声材料制作的背衬105。 [0040] 如图2b所示，是多斜率顶面圆锥发射探头的顶面示意图，顶面102的每个不规则平面的开槽106都面向圆锥底部口，使得安置在上面的超声换能器晶片发射的超声波都尽可能多地直射到圆锥底部口，衰减最少，好似吹口哨的嘴巴，使得发出的声音尽可能大。若圆锥多顶面上的超声换能器晶片发射的超声波绝大多数都入射到圆锥体的侧面，再经过反射，入射到圆锥底部口的超声波经过路径变长，且经过反射，衰减必然会大于直达到圆锥底部口的超声波。多斜率顶面圆锥发射探头的圆锥侧面外面由于添加了非透声层103，使得即使超声波入射到圆锥侧面也大部分能够反射回来。 [0041] 如图3所示，是多斜率顶面圆锥发射探头的电结构示意图，多斜率顶面圆锥发射探头由安置在圆锥多顶面上的若干个超声换能器晶片共同发射宽频超声波，包括数模(DA)转换器、分频器和若干个功率放大器（窄带功放）。连续宽频发送信号通过数模（DA）转换后，经过分频器后先进行频带分割，再由对应的进行功率放大，再发送给对应的超声换能器晶片。这样在圆锥底部口汇聚的超声波是一个宽频的超声波。 [0042] 如图4所示，是接收捆绑探头阵列的声结构示意图。接收捆绑探头阵列的声结构由若干接收探头捆绑组组成，好似生物体中的耳朵，这里示意由6个“耳朵”（接收探头捆绑组）组成；每个接收探头捆绑组由3个不同中心频率的超声换能器（图中用不同的阴影表示）组成，使之能接收不同频段的超声波，为宽频接收，不同中心频率的超声换能器的大小可以不同，这里设置成为大小一致；若干个接收探头捆绑组对称分布；若干接收探头捆绑组排列而成的阵列放置在一电路板上，其形状随探测场景的不同，可以设置成为不同的形状，如圆形，方形等，接收不同方向的超声回波，这里设置为圆形。该电路板中间开孔，使其能通过套接头套接在多斜率顶面圆锥发射探头的底端。 [0043] 如图5所示，是接收捆绑探头阵列的电结构示意图。一种基于声电联合结构的扩展仿生探头的优化方案，接收捆绑探头阵列的电结构特点为：每个接收探头捆绑组的超声换能器都有一个前置放大电路紧贴，使之接收的超声信号能够立即放大。每路放大后再经过单路模数(AD)转换后被采集为多路接收信号。 |
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