[發明專利]一種基于頻域分段的高分辨率最小方差超聲成像方法

有效

• 申請號: 201910757165.6
• 申請日: 2019-08-15
• 公開（公告）號: CN110501423B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 王平;杜婷婷;王林泓;孔露;李錫濤;柳學功;孔美婭;田訓;梁家祺;王慧悅
• 申請（專利權）人: 重慶大學;重慶電子工程職業學院;重慶慕士塔格能源管理有限公司
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/02;G01N29/06;G01N29/44;G06F17/15
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

1.一種基于頻域分段的高分辨率最小方差超聲成像方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

S1：對超聲陣元接收的回波信號進行放大、AD轉換和延時處理，以獲得超聲回波數據；得到延時處理之后的信號x(τ)＝[x₁(τ),x₂(τ),...x_N(τ)]，x₁(τ)～x_N(τ)分別表示各陣元接收的回波信號，N表示超聲陣元數，τ表示為對應深度的采樣時刻；

S2：根據短時傅里葉變換(Short-time Fourier Transform，STFT)中的自適應窗函數的最大集中度測量準則，選取適合超聲回波信號的最優窗函數；根據STFT中的自適應窗函數的最大集中度測量準則，選取適合超聲回波信號的最優窗函數，具體包括以下步驟：

S21：采用基于超聲回波信號x(τ)的自適應窗函數的STFT結果S(k,ω)為：

其中，ω＝0,1,...,W-1，W是窄帶子信號的長度，z_j(k,ω)是需要求取的自適應窗函數，j(k,ω)是用于確定窗函數的時刻k和頻率ω的索引函數，i是虛數變量；

S22：根據STFT的最大集中度測量準則選擇適用于超聲回波信號的最優窗函數，最大集中度測量準則表示為：

其中，j_MC(k,ω)應用最大集中度測量準則確定窗函數時刻k和頻率ω的索引函數，argmax是對集合范圍內求最大值函數，Θω是包含矩形窗、三角窗、布爾曼窗、漢明窗和漢寧窗的窗函數集合；C_p(k,ω)是最大集中度測量值；S_p(τ,q)是超聲信號x(τ)使用自適應窗函數p的STFT結果；q表示對應子頻帶的采樣頻率，D(k,ω)獨立于時刻變量k，是頻率變量ω的低通加權函數：

其中，z_p(τ-k)是選擇自Θω窗函數集合的自適應窗函數；

S3：依據S2所選窗函數，對各陣元的超聲回波信號進行STFT頻域分段處理，獲得等間距的窄帶子信號；具體包括以下步驟：

S31：超聲回波信號x(τ)通過STFT實現的窄帶頻域分段如下式所示：

其中，z(τ)是通過步驟S2選取的窗長和短時傅里葉變換點數均為64，無信號重疊的漢寧窗；

S32：通過STFT，將每個傳感器陣元的超聲回波信號轉換為若干個獨立的等間隔窄帶子信號，第n個陣元上的第m個窄帶的子信號S_n(m,ω)表達式為：

S_n(m,ω)＝[S_n(W·(m-1)+1),...,S_n(W·(m-1)+W-1),S_n(W·m)]

其中，m＝1,2,...,M，M是窗函數的長度，等同于分段窄帶數；ω是窄帶子信號頻率變量，ω＝1,2,...,W，W是窄帶子信號的長度；

S4：利用STFT的共軛對稱性，前一半窄帶子信號經過共軛對稱處理生成另一半窄帶信號；

S5：利用窗函數無信號重疊特性，對同一陣元的窄帶子信號按窗函數滑動順序進行重構，生成各陣元新的頻域信號；

S6：將接收陣列依次劃分為一個具有重疊陣元的子陣，然后對相應接收子陣的頻域信號進行前后向平滑和對角加載處理，以獲得頻域的樣本協方差矩陣；

S7：根據線性約束最小方差原則，計算得出頻域分段最小方差波束形成權值；

S8：利用快速傅里葉逆變換對頻域分段最小方差波束形成權值進行處理，得出最終時域自適應波束形成信號。

2.根據權利要求1所述的一種基于頻域分段的高分辨率最小方差超聲成像方法，其特征在于：在步驟S4中，利用STFT的共軛對稱性，前一半窄帶子信號經過共軛對稱處理生成另一半窄帶信號，經過共軛對稱處理后的窄帶子信號S_n(m,ω)的維度簡化為：

其中，fix(·)是取整函數，length(·)是求取信號長度的函數。