二戰(zhàn)期間，為了應(yīng)對來自德國的大量空襲，英國急需一種手段去偵測德國戰(zhàn)機(jī)，雷達(dá)被發(fā)明[1]。隨著戰(zhàn)爭的深化，英國需要探測更遠(yuǎn)的物體、區(qū)分更小的目標(biāo)。脈沖壓縮技術(shù)解決了雷達(dá)探測距離和距離分辨力的矛盾，讓雷達(dá)既能“看得遠(yuǎn)”又能“看得清”。由于脈沖壓縮技術(shù)“魚”與“熊掌”兼得的獨(dú)特性能，幾乎應(yīng)用在所有的通信系統(tǒng)中；在超聲成像領(lǐng)域，脈沖壓縮技術(shù)在空氣耦合超聲檢測、高幀頻超聲成像系統(tǒng)等換能效率低、信噪比低的檢測中均有應(yīng)用，顯著提高了成像系統(tǒng)的信噪比，增加成像深度，保證圖像分辨率，改善了成像質(zhì)量。

1.傳統(tǒng)單載頻脈沖的問題

超聲的探測深度與發(fā)射的信號(hào)能量有關(guān)，信號(hào)具有越大的能量，探測深度也越大。信號(hào)能量表達(dá)為：W=PT，P為脈沖功率，T為脈沖時(shí)寬。由于超聲作用于人體，脈沖功率P不能太大。如果采用窄脈沖（T很小），信號(hào)能量很小，接收到的回波信號(hào)微弱，作用距離受到限制。如圖1所示。

超聲的一個(gè)基本原理是利用不同物體回波的時(shí)間差來區(qū)分不同的目標(biāo)。如果采用長脈沖，當(dāng)兩個(gè)目標(biāo)之間的距離很近時(shí)，回波時(shí)間差很小，兩個(gè)目標(biāo)的回波脈沖容易發(fā)生重疊，接收機(jī)很難將目標(biāo)區(qū)分開來。如圖2所示。

傳統(tǒng)的單載頻脈沖，面臨著“看得遠(yuǎn)”與“看得清”之間的取舍。采用短脈沖，能量不夠，限制了作用距離；采用長脈沖，回波易重疊，限制了空間分辨率。

2.脈沖壓縮技術(shù)的策略

為了解決傳統(tǒng)單頻脈沖面臨的作用距離和空間分辨率之間的矛盾，脈沖壓縮技術(shù)采用這樣的策略[4]：發(fā)射寬度相對較寬而峰值功率低的脈沖，使信號(hào)有足夠的能量以保證作用距離；接收時(shí)做匹配濾波，將底峰值的寬脈沖壓縮成高峰值的窄脈沖，避免脈沖重疊現(xiàn)象，從而提高空間分辨率。

3.匹配濾波器的原理

為了實(shí)現(xiàn)壓縮，在接收機(jī)上設(shè)置一個(gè)與發(fā)射信號(hào)“共軛匹配”的壓縮網(wǎng)絡(luò)。如圖5所示，時(shí)域上，匹配濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)構(gòu)造為輸入信號(hào)的鏡像；頻域上，匹配濾波器的幅頻特性與信號(hào)的幅頻特性一致，如圖4。當(dāng)信號(hào)通過匹配濾波器時(shí)，信號(hào)越強(qiáng)的頻率點(diǎn)，濾波器的放大倍數(shù)也越大；信號(hào)越弱的頻率點(diǎn)，濾波器的放大倍數(shù)也越小，從而使信號(hào)在時(shí)域更集中。

另外一方面，從相頻特性上看，匹配濾波器的相頻特性和輸入信號(hào)正好完全相反。這樣，通過匹配濾波器后，信號(hào)的相位為0，正好能實(shí)現(xiàn)信號(hào)時(shí)域上的相干疊加。而噪聲的相位是隨機(jī)的，只能實(shí)現(xiàn)非相干疊加。這樣在時(shí)域上保證了輸出信噪比的最大。

4.大時(shí)寬帶寬積信號(hào)

匹配濾波器是一種相關(guān)器[2]，其輸出函數(shù)是輸入信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，而信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)與信號(hào)的功率譜密度是一對傅里葉變換，所以匹配濾波器的輸出信號(hào)時(shí)寬To與輸入信號(hào)的帶寬B之間存在有關(guān)系(BTo≈1)[4,5]。輸入信號(hào)的時(shí)寬帶寬積為BT，而輸入信號(hào)帶寬B大約為輸出信號(hào)時(shí)寬To的倒數(shù)，即B=1/To,所以輸入信號(hào)的時(shí)寬帶寬積B*T=T/To, 即為輸入信號(hào)時(shí)寬與輸出信號(hào)時(shí)寬的壓縮比，構(gòu)造大時(shí)寬帶寬積信號(hào)也是為了實(shí)現(xiàn)更好的壓縮性能。

5.脈沖壓縮技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

5.1脈沖壓縮技術(shù)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

假設(shè)高電平方波S1(t)代表1，低電平方波S2(t)代表0，數(shù)字信號(hào)是由高低電平組合而成的序列。

S1(t):

S2(t):

由于傳輸過程帶來噪聲干擾，接收機(jī)的輸入信號(hào)是高低電平序列和噪聲的疊加，如a. 將接收信號(hào)同時(shí)送進(jìn)S1(t)和S2(t)的匹配網(wǎng)絡(luò)，若此刻信號(hào)是高電平，則S1(t)的匹配網(wǎng)絡(luò)輸出一個(gè)高峰脈沖；否則，S2(t)的匹配網(wǎng)絡(luò)輸出一個(gè)高峰脈沖，如b、c所示。再進(jìn)行比較判決從而重建出原始數(shù)字序列d.

a.輸入波形

b.上路匹配結(jié)果

d.判決結(jié)果

5.2脈沖壓縮技術(shù)在空氣耦合超聲檢測中的應(yīng)用

空氣耦合超聲無損檢測技術(shù)具有非接觸、非侵入、完全無損的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于原位檢測，具有很好的應(yīng)用前景[6].但是，換能器材料與空氣聲阻抗的嚴(yán)重不匹配，使得空氣耦合超聲換能器的效率低、頻帶窄、脈沖余振長，從而導(dǎo)致空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)無法達(dá)到一般超聲檢測系統(tǒng)的靈敏度、信噪比和分辨率[7].針對空氣耦合超聲檢測中信號(hào)微弱、信噪比低的問題，應(yīng)用線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)對接收信號(hào)進(jìn)行處理.

應(yīng)用線性調(diào)頻脈沖壓縮方法,用 0.5 MHz 空氣耦合換能器,針對 3.7 mm 厚環(huán)氧樹脂基碳纖維板、 1.7 mm 厚鋁板、 4.5 mm 厚有機(jī)玻璃板做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。通過多次采樣取平均峰值計(jì)算相應(yīng)信噪比，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同材料脈沖壓縮前后信噪比對比

從上表結(jié)果可以得知，線性調(diào)頻脈沖壓縮方法可以有效提高空氣耦合超聲檢測的信噪比。用脈沖壓縮方法改造C掃描成像，脈沖壓縮方法使用前后的C掃描結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 未應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)的超聲C掃描檢測結(jié)果

圖8 應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)后的超聲C掃描檢測結(jié)果

對比超聲C掃描成像檢測結(jié)果可見，采用脈沖壓縮方法后，成像質(zhì)量有較大提高。應(yīng)用文獻(xiàn)[8]中的方法對圖像信噪比進(jìn)行計(jì)算分析，脈沖壓縮前后 C 掃描圖像信噪比分別為 12.1 dB 和 20.1 dB，可見線性調(diào)頻脈沖壓縮方法在空氣耦合超聲檢測中確實(shí)可有效提高成像質(zhì)量。

5.3脈沖壓縮技術(shù)在高幀頻超聲成像系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于有限衍射波束的高幀率超聲成像系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)快速成像，但由于僅通過一次發(fā)射事件成像, 信噪比較低。當(dāng)采用線性調(diào)頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào), 接收端將接收信號(hào)通過匹配濾波器處理。[9]結(jié)果表明該方案不僅能顯著提高成像系統(tǒng)的信噪比, 改善重構(gòu)圖像的質(zhì)量, 增加成像深度, 而且不損失分辨率。

在沒有添加隨機(jī)白噪聲時(shí)，分別仿真得到采用線性調(diào)頻信號(hào)、短脈沖和長脈沖的重構(gòu)圖像如圖9

圖9 沒有噪聲時(shí)的重建圖像

從圖9(c)可以看出采用長脈沖激勵(lì)時(shí),重構(gòu)圖像的縱向分辨率極差。在沒有噪聲污染時(shí)，（a）和（b）差別不大，線性調(diào)頻信號(hào)和短脈沖激勵(lì)的成像效果基本一樣。圖10顯示的是在噪聲干擾時(shí)，線性調(diào)頻信號(hào)和短脈沖激勵(lì)下的成像效果比較。

圖10 噪聲條件下，chirp和短脈沖激勵(lì)的重構(gòu)圖像

圖10（a）～(c)是受到噪聲干擾,采用線性調(diào)頻信號(hào)為激勵(lì)信號(hào),持續(xù)時(shí)間分別為T=10us,20us,30us時(shí)得到的重構(gòu)圖像;圖10(d)是受到噪聲干擾,激勵(lì)為傳統(tǒng)短脈沖 (持續(xù)時(shí)間為1.28us) 時(shí)的重構(gòu)圖像。可以看到,受噪聲干擾時(shí), 圖像質(zhì)量都有所下降。但是采用線性調(diào)頻激勵(lì)時(shí)候，回波信號(hào)中的噪聲在通過匹配濾波器時(shí)受到一定程度的抑制,重構(gòu)圖像的質(zhì)量比短脈沖激勵(lì)時(shí)有很大程度的提高。

6.總結(jié)

脈沖壓縮匹配濾波技術(shù)一手抓時(shí)長，一手抓帶寬，從而實(shí)現(xiàn)了“魚”與“熊掌”兼得的獨(dú)特性能，解決了作用距離與距離分辨率的矛盾，顯著提高成像系統(tǒng)的信噪比，增加探測深度，同時(shí)不損失分辨率。脈沖壓縮技術(shù)在換能效率低、信噪比低的超聲系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用。