Page 19 - 应用声学2019年第2期

第 38 卷 第 2 期 韩晓丽等： 一种用于超声成像的零相位滤波后处理方法 165

以一定程度上提高处理效率。在实际应用中，需要
4 讨论 仔细权衡 FIR FRR 和 IIR FRR 零相位滤波器在性

能、时效、精度、稳定性、可控性、占用内存等多方
(1)处理时间
面的要求，合理选择采用何种方式实现零相位滤波
从理论角度分析，实现幅频响应类似的滤波，
处理。
IIR 确实相比 FIR运算量低很多，如表 2 所示。保守
来讲，IIR甚至仅为FIR的1/2。
参 考 文 献
由表 3 可知，采用直接型I 结构实现高阶 IIR 滤
波器时，相对于采用直接型结构的FIR，IIR FRR的
[1] 赵大丹. 超声相控阵成像关键算法研究 [D]. 南京: 南京航空
处理效率优于 FIR FRR。对比表 2 和表 3，相比基 航天大学, 2015.
于 57 阶 FIR 的 FRR，基于 12 阶的 IIR(直接 I 型) 的 [2] Xiao K, Wang Q, Hu D. Post signal processing of ul-
trasonic phased array inspection data for non-destructive
FRR 处理时间确实更短，但并没有达到约 2 倍多的
testing[J]. Procedia Engineering, 2012, 43(7): 419–424.
处理效率的提升。这是因为 FRR 的过程包括两次 [3] He A, Ustuner K. Noise estimation method and appara-
滤波和两次序列的翻转，滤波耗时只是FRR处理总 tus for noise adaptive ultrasonic image processing, US:
6704437[P]. 2004-03-09.
时间的一部分，在硬件处理器上执行FRR算法的时
[4] Abdessalem B, Redouane D. Ultrasonic flaw detection in
间，不仅包括完成两次FIR 或IIR滤波的时间，还包 composite materials using SSP-MPSD algorithm[J]. Jour-
括序列翻转的时间。这些时间导致最终统计的时间 nal of Electrical Engineering & Technology, 2014, 9(5):
1753–1761.
效率比值不可能达到实现 IIR 和FIR滤波器本身的
[5] Oruklu E, Vallina F M, Saniie J. Efficient hardware real-
时间效率比。 ization of frequency-diverse ultrasonic flaw detection using
(2)稳定性 zero-phase IIR filters[C]. IEEE Ultrasonics Symposium,
2005.
由于 IIR 滤波器存在极点，如图 3 所示。当极
[6] 王世一. 数字信号处理 [M]. 修订版. 北京: 北京理工大学出
点取值在单位圆内时，理论上 IIR 滤波器是稳定的。 版社, 2006.
但是在硬件处理器上实现时，滤波参数的量化或截 [7] 张红梅, 韩万刚. FIR 滤波器时延分析及其在信号融合中的应
用 [J]. 武汉大学学报: 工学版, 2016, 49(2): 303–308.
断效应可能会引起实际滤波器极点位置的偏移，从 Zhang Hongmei, Han Wangang. Time-delay analysis of
而会引起滤波器出现不稳定的情况。在定点处理器 FIR filter and its application to signal fusion[J]. Engineer-
中，这种问题尤为突出。但是 FIR 滤波器由于只存 ing Journal of Wuhan University, 2016, 49(2): 303–308.
[8] Ling Z, Liu F, Kong S, et al. Application of zero-phase
在零点，不会出现不稳定的问题。从这个角度上说， digital filter in ultrasonic pressure measurement[C]. Inter-
FIR 滤波器实现起来更容易，更稳定，对参数数据 national Conference on Electric Information and Control
占位宽度或精度的要求更低。因此基于IIR 的FRR Engineering, 2011.
[9] 纪跃波, 秦树人, 汤宝平. 零相位数字滤波器 [J]. 重庆大学学
更适用于浮点处理器。 报: 自然科学版, 2000, 23(6): 4–7.
Ji Yuebo, Qin Shuren, Tang Baoping. Digital filtering
5 结论 with zero phase error[J]. Journal of Chongqing University:
Natural Science Edition, 2000, 23(6): 4–7.
[10] Oruklu E, Saniie J. Hardware-efficient realization of a real-
基 于 IIR FRR 零相 位 滤 波 可 以 实 现 与 FIR
time ultrasonic target detection system using IIR filters[J].
FRR 相当的处理效果。当 IIR 滤波器采用直接 I IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Fre-
型结构直接实现时，相对于 FIR FRR，IIR FRR 可 quency Control, 2009, 56(6): 1262–1269.
[11] 陈怀琛. 数字信号处理教程: MATLAB 释义与实现 [M]. 北
以在保证成像效果的前提下，将处理效率提升近 1
京: 电子工业出版社, 2013.
倍。在实际实时超声成像系统中，为了获得更高的 [12] 吴文焘, 吕燚. 超声成像中的级联积分梳状滤波器正交解调算
处理效率，实现更高的帧率，可以选择采用IIR FRR 法 [C]. 中国声学学会青年学术会议, 2011.
[13] Oppenheim A V, Schafer R W, Buck J R. Discrete-time
零相位滤波取代 FIR FRR。尤其在浮点型硬件处
signal processing[M]. 2nd Edition. New Jersey: Prentice-
理器中，采用直接型 IIR 实现 FRR 零相位滤波，可 Hall, Inc., 1999.