该文档属于类型a，即报告了一项原创研究。以下是针对该研究的学术报告：

主要作者及机构
本研究由Wenqiang Gong、Xuanze Wang、Zhenyu Yang、Zhongsheng Zhai、Wei Feng和Da Liu共同完成，他们均来自湖北工业大学机械工程学院现代制造质量工程湖北省重点实验室。该研究于2023年11月9日发表在期刊《Sensors》上，论文标题为《基于采样重建和相位特征提取的超声波厚度测量方法及系统实现》。

学术背景
超声波厚度测量技术因其低成本、快速和高精度的特点，在航空航天、核工业等高风险领域的压力容器和工艺设备中得到了广泛应用。然而，现有的超声波厚度测量系统需要高采样频率来采集回波信号，导致电路设计复杂且成本高昂。此外，从超声波回波信号中提取特征以准确测量厚度也面临显著挑战。为解决这些问题，本研究提出了一种利用常规采样频率采集高频超声波回波信号的方法，克服了奈奎斯特-香农采样定理对高频数据采集的限制。通过改进的采样重建技术，将多周期采样信号重建并重新排列到一个周期内，有效提高了等效采样频率。同时，结合快速傅里叶变换（FFT）的粗略估计和移动正弦拟合算法的精确相位提取，实现了高精度的厚度测量。

研究流程
研究流程主要包括以下几个步骤：
1. 采样重建技术
采样重建技术分为顺序采样重建和随机采样重建两种方法。本研究采用改进的采样重建技术，通过设置采样频率和激励频率，确定固定的激励周期数和总采样点数，实现采样点的连续采集，并通过重新排序完成信号重建。改进的采样重建技术的关键在于确保激励频率和采样频率满足特定关系，即总采样时间等于总激励信号周期时间。通过这种方式，等效采样频率显著提高，满足高频信号采样的要求。
2. 硬件系统设计
硬件系统设计包括STM32F407最小系统电路、外部SRAM电路、电源电路、超声波发射接收电路、限幅电路、模拟乘法器电路、可编程放大器电路、采样电路和触摸显示电路。STM32F407微处理器是系统的核心，负责生成激励脉冲、采集和存储回波信号，并通过噪声降低算法和移动正弦拟合算法测量物体厚度。模拟乘法器电路用于将超声波回波信号自乘，将交流信号转换为脉动直流信号，便于后续的FFT粗略估计和信号采样。
3. 软件系统设计
软件系统设计包括采样重建、噪声降低、FFT粗略估计、移动正弦拟合和厚度计算等步骤。系统首先通过FFT算法粗略估计回波信号的低频频率，然后通过移动正弦拟合算法精确提取相位信息，最终计算工件的厚度。
4. 实验验证
研究对45钢超声波测试块进行了厚度测量实验，测量范围从1毫米到50毫米。实验结果表明，对于3毫米到20毫米的厚度，测量误差为±0.01毫米；对于1毫米到50毫米的厚度，测量误差为±0.05毫米。

主要结果
1. 采样重建效果
通过改进的采样重建技术，等效采样频率显著提高，能够满足高频信号采样的要求。实验表明，采样重建后的信号能够有效恢复超声波回波信号的特征，为后续的厚度测量提供了可靠的数据基础。
2. 厚度测量精度
实验结果表明，本研究的测量方法在3毫米到20毫米范围内的测量误差为±0.01毫米，在1毫米到50毫米范围内的测量误差为±0.05毫米，显著优于传统的峰值检测、包络检测和希尔伯特自相关等方法。
3. 系统性能
系统具有快速测量速度，单次测量时间约为40毫秒。通过合理的采样频率和采样点数设置，系统能够测量更大范围的厚度，并通过多次采样累积提高了回波信号的信噪比。

结论
本研究提出了一种基于采样重建和相位特征提取的超声波厚度测量方法，克服了现有系统对高频采样器的依赖和回波信号特征提取困难的局限性。通过改进的采样重建技术和移动正弦拟合算法，实现了高精度的厚度测量。实验结果表明，该方法在3毫米到20毫米范围内的测量误差为±0.01毫米，在1毫米到50毫米范围内的测量误差为±0.05毫米，且系统具有快速测量速度和低成本的特点。该方法在航空航天、核工业等领域具有广泛的应用前景。

研究亮点
1. 改进的采样重建技术
通过改进的采样重建技术，显著提高了等效采样频率，克服了高频信号采样的限制。
2. 移动正弦拟合算法
结合FFT粗略估计和移动正弦拟合算法，实现了高精度的相位提取和厚度测量。
3. 低成本与高精度
该方法仅需使用STM32F407微处理器的低频AD采样功能，无需额外的高频AD转换芯片，显著降低了系统成本，同时保持了高测量精度。

其他有价值的内容
本研究还提出了基于小波多分辨率阈值法的噪声降低方法，有效提高了回波信号的信噪比。此外，通过模拟乘法器电路将超声波回波信号自乘，进一步提高了信号采样的精度和效率。这些创新点为超声波厚度测量技术的发展提供了新的思路和方法。