[发明专利]一种超声波检测装置中超声波回波处理装置及方法

说明书

本发明公开了一种超声波检测装置中超声波回波处理装置及方法，包括微处理器、皮秒级计时芯片、波形整形电路、控制门电路、滤波放大电路、过零检测电路、与门电路、第一计数器、第二计数器和第三计数器；皮秒级计时芯片提供发射脉冲信号，在发射脉冲信号至超声波发射探头时启动计时，与门电路对超声波回波信号与原始发射信号进行吻合比对，在完全吻合的情况下，第二计数器输出有效信号至皮秒级计时芯片，使其停止计时，获取到计时结果，微处理器根据计时结果计算出超声波在被测物体中传播时间。本发明在获取到准确的超声回波信息的基础上计算得到超声波回波信息在被测物体中的传播时间，保证了基于超声波回波信息的物质特征检测的检测精度。

技术领域

本发明涉及超声波检测类仪器设备的相关技术，特别涉及一种超声波检测装置中超声波回波处理装置及方法。

背景技术

由于超声波在不同成分构成的物质中传播的速度存在差别，所以可以利用该特性进行物质构成特征的检测，通常将超声波穿过被测物体，然后根据超声回波的信息得出被测物体的相关特征，比如超声波浓度检测、超声波探伤、超声波测距等等。超声回波的信息最重要的就是时差，即超声波从发射开始到经过物体后经接收探头探测到第一个回波止所间隔的时间差。随着被测物体种类、大小等的不同，所用超声波的频率、超声回波的时差大小和精度要求等有很大区别，比如超声波浓度检测的时差通常只有10微妙的级别，而其时间精度需要到纳秒甚至皮秒的级别，否则测量结果的可信度不高。因此如何精确获取该时间差是此类应用的技术关键所在。例如，在基于超声波的相对血容量检测时，系统采用频率2～5MHz的超声波，被测血液容器宽度约2cm，回波时差约15μs，不同浓度的血液其对应的回波时差不同，血液透析患者在透析过程中随着超滤量的不断变化，血液浓度相应改变，根据超声回波的时差信息就可以评估其总体血容量的相对变化，由于透析前后血容量的相对变化只有10％-20％，对应的回波时差总体变化则只有1.5-3μs，为了显示出即时的微小改变，因此对超声回波时差的测量需要达到纳秒甚至皮秒的级别。

超声回波测时精度的提高至少取决于两个基本方面，其一是测时方式的选用，其二是第一个超声回波波峰的获取。在测时方式上，传统的测时方法有循环N次测时法、锁相环测时法、单片机定时器直接测时法、脉冲计数法等，其测时精度最高只能达到100ns级别，不能满足基于超声波的相对血容量检测的要求。超声回波测时精度提高的第二个方面在于准确获取回波的第一个波峰，而准确获取回波的第一个波峰包括：既不要将干扰信号误当作第一个回波，也不要漏掉第一轮甚至第二轮回波；为了检测到回波，就需要首先对回波信号进行过零检测，通过过零比较器实现，但超声波在穿过被测物体时会发生反射或折射现象，低级别的干扰回波不可避免，因此过零检测也会将干扰信号同样当成超声回波，所以过零检测之后通常需要进行阈值判别，通过滞回比较器或其他阈值判别方法，滤除幅值过低的干扰回波；实际的超声回波由于需要起振的过程所以第一轮回波其幅度很小，很可能达不到固定设置的某个阈值，这样，阈值判别方法就常常会漏掉第一轮甚至第二轮回波，所测时差变长，声速变“慢”，例如采用2MHz的发射频率，每个回波的周期为0.5μs，那么漏掉第一轮甚至第二轮回波所对应的测量结果与总时差相当，等于无效。因此现有技术中所采用的过零检测以及阈值判别方法，还是有可能会使得测量结果出现极大偏差的情况。

专利公开号为CN102697522A的发明专利中公开了一种在线相对血容量检测装置及其检测方法，其中在线相对血容量检测装置设置有处理器、计时器、超声波发射和接收电路、过零检测电路等，该装置是通过测定超声波在血液中的传播时间计算出相对血容量的，传播时间是该装置最重要的数据，通常只有十几个微秒，分辨率需达到10皮秒的级别，但是该发明专利检测方法中通过过零检测电路获得对计时器的停止计时信号，当超声回波中出现干扰信号时，过零检测输出的停止信号就出现偏差，而超声回波中出现干扰杂波是很常见的现象，因此检测结果可靠性明显不够。

发明内容