Page 14 - 应用声学2019年第2期
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                                                               零相位滤波，也主要以 FIR 的方式实现                [10] 。然而，
             0 引言
                                                               由于 FIR 滤波器传递函数的极点固定在原点，只能
                 超声相控阵系统中，声波信号在经过隔离、限                          靠改变零点位置来改变它的性能。所以要达到高的
             幅、放大、滤波等模拟调理电路时必然会引入一定                            选择性，必须用较高的阶数；对于同样的滤波器设计
             的噪声干扰      [1] ，因此，由 A/D 采样后的数字信号在                指标，FIR 滤波器所要求的阶数可能比 IIR 滤波器
             成像之前，必须要经过一定的滤波处理，以提高信                            高5∼10倍，信号延时也较大，处理效率低                 [11] 。
             噪比和成像质量        [2−3] ，也就是说，滤波是一个必备                    近年来，在超声检测领域，实时缺陷检测的需
             的处理过程。在对接收的回波信号进行分析的过程                            求越来越高，要求系统能够尽快地实时采集、分析和
             中，通常需要将信号不同成分进行分离，然后对不同                           处理超声波回波信号，这对于超声成像系统的实时
             成分做不同的处理或调整，从而最终提高对于缺陷                            性提出了更高的要求          [5] 。许多学者致力于探索如何
             或目标的检测能力         [4] 。大部分具有频率依赖性的检                高效地实现超声回波信号采集之后的滤波过程                       [12] ，
             测识别算法的实现都需要辅以滤波处理的过程，包                            也包括开辟滤波器的高效硬件实现的新思路                      [5,10] 。
             括超声检测系统广泛采用裂谱处理(Split spectrum                    快速高效地实现零相位滤波，将有利于超声检测系
             processing, SSP) 方法，从本质上讲，也是采用若干                  统信号处理效率的提升，确保检测系统具有更高的
             带通有限脉冲响应 (Finite impulse response, FIR)           实时性能。
             滤波器进行滤波的过程           [4−5] 。                          本文针对在超声相控阵成像领域，在采用基于
                 在超声无损检测领域，超声波遇到缺陷时会发                          FIR滤波器的 FRR零相位滤波时，由于FIR滤波器
             生散射，在接收端会接收到经缺陷散射的回波信号，                           阶数高导致运算量大、处理效率低、难以满足实时

             与缺陷有关的信号出现的时间即到达时间(Time of                        性要求高的系统需求的问题，探讨在实际超声相
             arrival, TOA) 或传播时间 (Time of flight, TOF)    [4]   控阵系统中使用 IIR 滤波器实现 FRR 零相位滤波
             恰恰能够反映缺陷在检测对象中所处的位置，以此                            的可行性，比较基于FIR和IIR 滤波器实现FRR零
             来对缺陷进行定位。同时，为了保证系统检测的灵                            相位滤波的性能，探索 IIR 滤波器实现 FRR 零相位
             敏度和能够通过缺陷回波幅度在一定程度上估计                             滤波时的效率提升程度，并且把 IIR 零相位滤波应
             缺陷的大小，要求缺陷回波波幅在滤波前后保持不                            用于实时超声成像后处理系统中，通过实际的成像
             变。基于上述两点，在对接收的回波信号进行滤波                            实验，验证使用 IIR 滤波器实现 FRR 零相位滤波的
             处理时，要保证滤波过程不影响主要频率成分的到                            效果。
             达时间，这就需要滤波器具有零相位的相位响应特
             性。虽然FIR滤波器在单位脉冲响应序列h(n)满足                         1 基于IIR的零相位滤波
             一定的对称性时，具有线性相位特性                  [6−7] ，但是滤
             波前后必然会出现一定的时延，难以满足零相位的                                根据线性系统理论，对信号进行经典线性滤
             要求。而无限脉冲响应 (Infinite impulse response,             波的过程对原始输入信号主要产生两大方面的影
             IIR)滤波器不能实现严格意义上的线性相位特性。                          响 [9] ：一是对信号不同频率成分的幅值进行调整，
                 除了直接设计具有零相位响应的数字滤波器                           通带内的频率成分一般不衰减甚至得到放大，而
             以外，零相位滤波的过程还可以通过一种比较巧                             阻带内的成分通常被衰减，以减少这些成分在原
             妙的方式实现，即采用前向 -后向滤波 -反向输出                          始信号中所占的比重或影响，这是通过滤波器的幅
                                                                        (  )
             (Forward-reverse filtering, reverse output, FRR) [8]  频响应 H e jw   来实现的；二是对信号的不同频率

             或反向滤波-反向输出(Reverse filtering, reverse fil-          成分产生相应的相移，这是通过滤波器的相频响应
                                                                  [   (  jw  )]
             tering, RRF)的方法   [9−10] 。这种方法借助于两次滤              Arg H e     来实现的。滤波器的线性相位指的是
             波和信号翻转的组合，实现对输入信号的零相位滤                            不同频率成分的时间延时是相同的，则总体上输出
             波。鉴于 FIR滤波器具有便于实现线性相位特性的                          信号相对于输入信号不发生相位失真，仅发生一定
             优越性、系统稳定性好和使用上的灵活性                   [11] ，通常     的延迟。在超声相控阵成像系统中借助于零相位滤
             大家习惯性地选用 FIR 滤波器实现滤波过程，包括                         波正是巧妙地实现了对超声回波信号的滤波处理，
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