近性能界的宽频超声回波参数估计及其应用

High precision parameters estimation algorithm of ultrasonic echo signal can drive the study and development of ultrasonic detection devices which have independent property rights, since it is the core technology in ultrasonic detection. The traditional pulse echo technology is based on ultrasonic amplitude detection. According to the characteristics of sound field of ultrasonic signal and the Cramer-Rao Bound (CRB) parameters estimation theory, ambiguities exist in the nearfield area if amplitude of signal is used for detection. And the stablity and estimation accuracy of frequency outperform those of amplitude. Therefore, wideband linear frequency modulation (LFM) signal and parameters estimation algorithms approaching the theoretical bounds for LFM signal and multi-frequency sinusoidal signal are researched to overcome the near filed effect existed in traditional pulse-echo method and increase the detection precision, and finally low-power detection can be achieved. We will focus on 1) Parameters estimation algorithm for linear frequency modulation signal based on expanded-time-frequency analysis 2) The lower theoretical bound for parameters estimation of LFM signal and multi-component sinusoidal signal 3) Estimation algorithm for echo ultrasonic signal apporaching the CRB. 4) Applications of the proposed high-precision parameters estimation algorithm in detection. Our preliminary research includes the acoustic signal processing, parameters estimation and ultrasonic detection. Our preliminary achievements are published in domestic or international publications, including research papers and some patents. In this project, our study can improve the estimation resolution in low SNR cases, which has wide applications in various fields such as railway detection and industry products detection.

高精度超声回波参数估计是超声探测仪器的核心技术，对研发具有自主知识产权的高精度超声探测仪具有重要的推动作用。现有的探测主要基于超声声压（即幅度）参数的回波分析算法，存在近场零点效应、易受噪声影响、稳定性和精度不高等不足。本项目从超声声场特性和参数估计理论出发，针对噪声环境下宽带线性调频超声回波信号开展研究，实现低信噪比下性能逼近理论极限界的解线性调频和多频信号频率及幅度估计，能克服近场效应，提高回波分析精度，可应用于高精度、低功耗的超声探测，主要研究内容包括：1基于时频拓展的解宽带超声线性调频算法2调频信号及多频正弦信号参数估计的理论极限界研究3性能逼近理论极限界的超声回波参数估计4在探测中的应用。申请人及项目组成员长期从事声信号处理、参数估计算法及超声探测的研究，完成了一系列高水平论文和超声及探测方面的专利。项目成果可提高低信噪比下回波信号估计精度，可广泛应用于钢轨和工业品探伤及测量中。

高精度超声回波参数估计是超声探测仪器的核心技术，对研发具有自主知识产权的高精度超声探测仪具有重要的推动作用。现有的探测主要基于超声声压（即幅度）参数的回波分析算法，存在近场零点效应、易受噪声影响、稳定性和精度不高等不足。本项目从超声声场特性和参数估计理论出发，针对噪声环境下宽带线性调频超声回波信号开展研究，实现低信噪比下性能逼近理论极限界的解线性调频和多频信号频率及幅度估计，能克服近场效应，提高回波分析精度，可应用于高精度、低功耗的超声探测，主要研究成果包括：1、项目组针对连续宽频信号，推导了多回波宽频连续信号的参数估计的理论极限界，并提出了一系列信号分离与高精度参数估计算法。所提算法包括基于傅里叶变换域的方法，以及基于Gabor变换等其他变换域的方法，使得探测回波的参数提取能逼近极限精度。相关成果在Signal Processing 和IEICE trans on fundamentals等期刊发表论文6篇。2、以超声换能器阵列接收连续宽频回波信号，单发多收降低噪声，以后端反演代替前端聚焦，提出了若干高精度的波束成形和空间谱估计方法，实现高精度后端参数反演，相关成果在Signal Processing等期刊发表论文4篇。3、完成了一系列超声层析成像算法研究，发表了论文4篇，并参加了相关方面的国际会议。4、在项目组所在的研究基地搭建的数字化超声探测平台上进行了实验，验证了上述理论算法的有效性。将上述理论成果与实际应用相结合，提出了钢轨探测、水下探测等超声探测方面的发明专利共20件，其中16件发明专利已公开，13件已授权。项目成果可提高低信噪比下回波信号估计精度，可广泛应用于钢轨和工业品探伤及测量中。