一种融合动态孔径的压缩感知超声波束合成方法技术

本发明专利技术公布了一种融合动态孔径的压缩感知超声波束合成方法；该方法首先采用delta矩阵作为压缩感知理论在超声波束合成系统中的测量矩阵，然后选用余弦变换矩阵作为压缩感知理论的稀疏矩阵，将动态孔径技术与压缩感知理论的测量矩阵进行有机融合，实现融合动态孔径的压缩感知超声波束合成方法；本发明专利技术可以减少高采样率给超声成像系统数据采样、传输、存储带来的负担，使获得高纵向分辨的超声图像成为可能；并且动态孔径技术的引入也进一步增大了超声回波信号的稀疏性，减少了采样数据量，提高了近场区域超声图像的横向分辨率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超声成像
，具体涉及一种融合动态孔径的压缩感知超声波束合成方法。
技术介绍
在超声成像系统中，为了提高超声图像的纵向分辨率一般通过提高系统的采样率来实现。但高采样率会给超声硬件系统的数据采集、存储和传输带来巨大负担。压缩感知理论(Compressive sensing,CS)指出，当信号本身或者在某个变换域上具备稀疏性时，可以通过求解最优化问题从少量采样数据中重构信号的全部信息。超声成像系统中，孔径越大时，波束合成的主瓣将越窄，旁瓣也将越低。但在近场区，孔径越大，波束的扩散角也越大，成像分辨率越差。合理有效的动态孔径控制技术，可以降低近场接收通道的冗余数据，增强超声回波信号的稀疏性。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的是提供一种融合动态孔径的压缩感知超声波束合成方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的，一种融合动态孔径的压缩感知超声波束合成方法，包括如下步骤：1)根据公式计算聚焦点在深度Fk下开启的阵元数Nk，在相应深度下开启靠近中心阵元的Nk个阵元，其中bk表示Fk处对应的波束宽度，表示超声探头i号阵元的响应复振幅，表示i号阵元波束合成时在计算点与焦点间的超声波相位差，k＝1,2,3,…,m表示聚焦点的序数；2)将delta矩阵作为压缩感知测量矩阵，并通过其内部的‘0’、‘1’实现超声回波信号的非均匀采样控制，得到低维超声压缩感知测量信号y；3)选取N×N维的稀疏矩阵，N表示超声回波信号的采样长度；4)根据超声成像系统实际测量的超声回波信号，确定实际非均匀测量时超声回波信号的数学模型y＝ΘS+e，Θ＝ΦΨ，其中，y∈CM×1是实际非均匀采样的超声回波信号，Θ∈CM×N(M<<N)是感知矩阵，Φ∈CM×N是测量矩阵，Ψ∈CN×N是稀疏矩阵，S∈CN×1为超声回波信号的稀疏信号，e∈CN×1为噪声项；5)通过求解最优化问题得到超声回波信号的稀疏表示，其中μ为测量矩阵Φ的互相关系数，l1表示1范数，然后通过稀疏矩阵Ψ得到高维超声信号的重构信号x^=ΨS^;]]>6)对重构的超声回波信号进行波束合成、得到超声波束合成信号。由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下的优点：本专利技术公布了一种融合动态孔径的压缩感知超声波束合成方法；该方法首先采用delta矩阵作为压缩感知理论在超声成像系统中的测量矩阵，然后选用余弦变换矩阵(DCT)作为压缩感知理论的稀疏矩阵，实现压缩感知理论在超声成像系统中的应用，在此基础上，本方法将动态孔径技术与压缩感知理论的测量矩阵相融合，实现了融合动态孔径的压缩感知超声波束合成算法。本专利技术可以减少高采样率给超声成像系统数据采样、传输、存储带来的沉重负担，使获得高采样率下高纵向分辨的超声图像成为可能；另外，动态孔径的融入也进一步增大了超声回波信号的稀疏性，减少了采样数据量，提高了近场区域超声图像的横向分辨率。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述，其中：图1为本专利技术一种融合动态孔径的压缩感知超声波束合成方法流程图；图2给出了动态孔径技术孔径大小随探测深度变化的原理示意图；图3给出了基于delta矩阵的压缩感知采样示意图；图4(a)、(b)分别给出了压缩感知随机采样全孔径和动态孔径阵元控制方法示意图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本专利技术，而不是为了限制本专利技术的保护范围。本专利技术提供一种融合动态孔径的压缩感知超声波束合成方法，针对传统高采样率下的超声波束合成算法进行了改进，包括如下步骤：(1)根据公式计算聚焦点在深度Fk下开启的阵元数Nk；将探测深度Fk转换成超声回波信号对应的采样点序数Sk；通过实时监测超声回波信号的采样点数，当采样点数n等于Sk时，增大靠近中心阵元的开启数，其中bk表示Fk处对应的波束宽度，表示超声探头i号阵元的响应复振幅，表示i号阵元波束合成时在计算点与焦点间的超声波相位差，k＝1,2,3,…,m表示聚焦点的序数；(2)根据给定的压缩率p，选取M×N维delta矩阵作为压缩感知超声成像系统的测量矩阵，其中M＝p·N；然后开启delta矩阵中元素“1”对应采样信号下的所有动态孔径阵元，关闭delta矩阵中元素“0”对应的采样信号下的所有阵元。(3)计算基于Nyquist采样定理的传统采样方式下的高维超声回波信号x，采样长度N，设计N×N维变换矩阵Ψ作为稀疏矩阵，具体变换方法按下式进行：ψ=2N1212...12cos12Nπcos32Nπ...cos2N-12Nπ............cosN-12Nπcos3(N-1)2Nπcos(2N-1)(N-1)2Nπ]]>Ψ是一个正交矩阵，ΨT是Ψ的转置矩阵，且有ΨT·Ψ＝E，E为单位矩阵。(4)建立理想情况下压缩感知测量信号y的数学模型y1＝φx＝φΨS＝ΘS；并在压缩感知测量信号y1中添加噪声项e，建立实际非均匀测量时测量信号y的数学模型y＝ΘS+e；其中y∈CM×1是实际非均匀采样的超声回波信号，Θ∈CM×N(M<<N)是感知矩阵，Φ∈CM×N是测量矩阵，Ψ∈CN×N是稀疏矩阵，S∈CN×1为超声回波信号的稀疏信号，e∈CN×1为噪声项；(5)通过求解最优化问题得到超声回波信号的稀疏表示其中μ为测量矩阵Φ的互相关系数，l1表示1范数，然后通过稀疏矩阵Ψ得到高维超声信号的重构信号x^=ΨS^;]]>其中μ为测量矩阵Φ的互相关系数，按下式计算：其中，为测量矩阵Φ的列向量，上式中表示内积后取模，i，j表示1～N的整数。然后通过稀疏矩阵Ψ得到原始超声回波信号的精确或者近似重构信号其中(6)对重构的超声回波信号按下式进行延时叠加波束合成，得到延时叠加后的超声波束合成信号；SDAS(n)=Σi=0N1-1x^i[n-(rc+τn)·fs]]]>其中SDAS(n)为超声波束合成信号，i表示阵元序数，n表示采样点数，N1表示聚焦的超声阵元总数，r表示聚焦点与传感器阵列坐标原点间的距离，c表示超声波波速，τi表示相对传感器阵列中间阵元对第i号阵元所施加的聚焦延时，fs表示AD转换器的采样率。图1是融合动态孔径的压缩感知超声波束合成算法流程图，在对超声回波信号压缩感知采样阶段应用动态孔径技术，将动态孔径技术与压缩感知理论中的测量矩阵进行了有机融合，然后对非均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种融合动态孔径的压缩感知超声波束合成方法，其特征在于，包括如下步骤：1)根据公式计算聚焦点在深度Fk下开启的阵元数Nk，在相应深度下开启靠近中心阵元的Nk个阵元，其中bk表示Fk处对应的波束宽度，表示超声探头i号阵元的响应复振幅，表示i号阵元波束合成时在计算点与焦点间的超声波相位差，k＝1,2,3,…,m表示聚焦点的序数；2)将delta矩阵作为压缩感知测量矩阵，并通过其内部的‘0’、‘1’实现超声回波信号的非均匀采样控制，得到低维超声压缩感知测量信号y1；3)选取N×N维的稀疏矩阵，N表示超声回波信号的采样长度；4)根据超声成像系统实际测量的超声回波信号，确定实际非均匀测量时超声回波信号的数学模型y＝ΘS+e，Θ＝ΦΨ，其中，y∈CM×1是实际非均匀采样的超声回波信号，Θ∈CM×N(M<<N)是感知矩阵，Φ∈CM×N是测量矩阵，Ψ∈CN×N是稀疏矩阵，S∈CN×1为超声回波信号的稀疏信号，e∈CN×1为噪声项；5)通过求解最优化问题得到超声回波信号的稀疏表示，其中μ为测量矩阵Φ的互相关系数，l1表示1范数，然后通过稀疏矩阵Ψ得到高维超声信号的重构信号x^=ΨS^;]]>6)对重构的超声回波信号进行波束合成、得到超声波束合成信号。...

【技术特征摘要】
1.一种融合动态孔径的压缩感知超声波束合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据公式计算聚焦点在深度Fk下开启的阵元数Nk，
在相应深度下开启靠近中心阵元的Nk个阵元，其中bk表示Fk处对应的波束宽度，表示超
声探头i号阵元的响应复振幅，表示i号阵元波束合成时在计算点与焦点间的超声波相位
差，k＝1,2,3,…,m表示聚焦点的序数；
2)将delta矩阵作为压缩感知测量矩阵，并通过其内部的‘0’、‘1’实现超声回波信号的非均匀
采样控制，得到低维超声压缩感知测量信号y1；
3)选取N×N维的稀疏矩阵，N表示超声回波信号的采样长度；
4)根据超声成像系统实际测量的超声回波信号，确定实际非均匀测量时超声回波信号的数学
模型y＝ΘS+e，Θ＝ΦΨ，其中，y∈CM×1是实际非均匀采样的超声回波信号，Θ∈CM×N(M<<N)
是感知矩阵，Φ∈CM×N是测量矩阵，Ψ∈CN×N是稀疏矩阵，S∈CN×1为超声回波信号的稀疏
信号，e∈CN×1为噪声项；
5)通过求解最优化问题得到超声回波信号的稀疏表示，其中μ为
测量矩阵Φ的互相关系数，l1表示1范数，然后通过稀疏矩阵Ψ得到高维超声信号的重构信
号x^=ΨS^;]]>6)对重构的超声回波信号进行波束合成、得到超声波束合成信号。
2.根据权利要求1所述的融合动态孔径的压缩感知超声波束合成算法，其特征在于：所述
步骤1)具体包括以下子步骤：
11)根据公式计算聚焦点在深度Fk下开启的阵元数Nk；
12)根据公式将探测深度Fk转换成超声回波信号对应的采样点序数Sk，其中fs为

\tAD转换器的采样率，c为超声波的传播速度1540米/秒。
13)通过实时监测超声回波信号的采样点数，当采样点数n等于Sk时，将靠近中心阵元的开
启数增大至Nk。
3.根据权利要求1所述的融合动态孔径的压缩感知超声波束合成算法，其特征在于：所述
步骤2)中具体包括以下子步骤：
21)根据给定的压缩率p，选取M×N维delta矩阵作为压缩感知超声成像系统的测量矩阵，
其中M＝p·N；
22)开启delta矩阵中元素“1”对应采样信号下的所有动态孔径阵元，关闭delta矩阵中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，李娜，王思奇，程娜，龚志辉，潘震，杜炜，李刚健，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85