基于序贯回归方法的多阵元合成孔径聚焦波束形成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于序贯回归方法的多阵元合成孔径聚焦波束形成方法，该发明专利技术方法利用多阵元合成孔径聚焦波束形成和最小均方误差准则，通过期望信号与自适应系统的输出作差得到输出误差，并将这个误差引入到序贯回归方法中，再用序贯回归方法的输出作为线性传感器阵列各通道的权值，对多阵元合成孔径聚焦波束形成的子阵与子阵阵元分别进行动态幅度遍迹，有效减少了波束形成的主瓣宽度和旁瓣幅度，提高了成像质量。

Beamforming method for multi element synthetic aperture focusing based on sequential regression method

The invention discloses a method for forming a sequential regression method of multi array synthetic aperture focusing beam based on the method using multi array synthetic aperture focusing beamforming and minimum mean square error criterion, differential output error through the output desired signal and adaptive system, and the error is introduced into sequential regression method then, the output of each channel as a sequential regression linear sensor array weights, on the formation of multi array synthetic aperture focusing beam array and sub array were all over the track dynamic amplitude reduces, beam forming the main lobe and side lobe amplitude, improve the image quality.

【技术实现步骤摘要】
基于序贯回归方法的多阵元合成孔径聚焦波束形成方法
本专利技术涉及合成孔径波束形成领域，特别是一种基于序贯回归方法的多阵元合成孔径聚焦波束形成方法。
技术介绍
合成孔径聚焦成像相比于传统的波束形成技术，其优势在于合成孔径聚焦每次发射、接收只有一个阵元，大大简化了电路；同时可以实现发射和接收的双向聚焦(见文献：P.Karwat,Z.Klimonda,M.Lewandowski.A.Nowicki.Imagingqualityoftheclassicalbeamforming,SAFTandplanewaveimaging-Experimentalresults[A].2012IEEEInternationalUltrasonicsSymposium[C].NewYork：IEEETrans，2012：1-4.)。但是其缺点也很明显，合成孔径聚焦采用单阵元换能器，但是单阵元换能器具有扫描频率低、成像信噪比差的缺点，同时，合成孔径聚焦的副瓣等级限制了它的性能(见文献：MokKunJeong,SungJaeKwon.Anovelsidelobeestimationmethodinmedicalultrasoundimagingsystems[A].UltrasonicsSymposium(IUS),2015IEEEInternational[C].NewYork：IEEETrans,2015：1-4.)。为进一步提高成像质量，一些改进的方法被提出来了。针对合成孔径聚焦技术信噪比低的特点，提出多阵元合成孔径聚焦的方法，提高了成像质量和分辨率(见文献：杜英华，祁欣.多阵元合成孔径聚焦波束形成研究[J].纳米技术与精密工程.2014，12(3)：162-166)。C.J.Martín-Arguedas等提出一种加速多阵元合成孔径聚焦成像的方法，减少了计算量(见文献：C.J.Martín-Arguedas，O.Martínez-Graullera，D.Romero-Laorden，L.Gómez-Ullate.Methodandarchitecturetoacceleratemulti-elementsyntheticapertureimaging[J].DigitalSignalProcessing.2013，23(4)：1288-1295)。岳海林提出一些改进发射、接收模式的方法：如合成接收孔径(SRA)、合成发射孔径(STA)等(见文献：岳海林.超声合成聚焦信号噪声抑制与相位校正技术研究[D].四川：西南交通大学，2015：7-20)。JonathanReeg等提出空减影成像(NullSubtractionImaging，NSI)的方法，降低旁瓣、提高横向分辨率(见文献：JonathanReeg，MichaelL.Oelze.ImprovinglateralresolutioninultrasonicImagingbyutilizingnullsinthebeampattern[J].UltrasonicsSymposium(IUS),2015IEEEInternational[C].NewYork：IEEETrans，2015：1-4)。Y.Tasinkevych等提出对合成发射孔径进行变迹加权的方法，提高成像质量(见文献：Y.Tasinkevych，Z.Klimonda，M.Lewandowski，A.Nowicki，P.A.Lewin.Modifiedmulti-elementsynthetictransmitaperturemethodforultrasoundImaging：Atissuephantomstudy[J].Ultrasonics.2013，53(2)：570-57)。李荣兴引入空间平滑对角加载Capon自适应波束形成方法，实现真正的动态幅度变迹(见文献：李荣兴.波束形成自适应波束形成方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013：52-55)。刘广在李荣兴的研究基础上引入相干因数和平面波的概念，进一步提高了成像质量(见文献：刘广.合成孔径波束形成中波束合成方法研究[D].河北：燕山大学，2015：41-48)。上述方法没有有效解决波束主瓣宽度宽、旁瓣幅度大的问题，影响了成像分辨率和对比度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于序贯回归方法的多阵元合成孔径聚焦波束形成方法，该方法利用自适应序贯回归方法代替传统的Hanning窗对接收信号进行幅度变迹，降低了主瓣宽度，压制了旁瓣幅度，提高了成像分辨率和对比度。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术提出的一种基于序贯回归方法的多阵元合成孔径聚焦波束形成方法，包括如下步骤：步骤1、将一个阵元个数为N的线性传感器阵列分割成长度为L的子阵，子阵的个数为M，发射、接收使用相同的阵列；步骤2、对于空间中的一点P，激励超声阵列发射单一频率的超声平面波信号s(t)，经过接收阵列得到接收信号其中，t表示连续的时间参量，r表示P点到阵列中心点的参考声程，c表示声速，θ表示P点与阵列中心点的连线和扫描线垂直平面的夹角，τn(θ)表示第n个子阵的发射延时，其中，1≤n≤M，τi,n(θ)表示第n个子阵中第i个阵元的接收延时，其中，1≤i≤L，不计参考声程r对波束形成的影响，则将p(t,r,θ)改写为p(t,θ)＝s(t-τn(θ)-τi,n(θ))，p(t,θ)表示t时刻θ方位上的接收信号；步骤3、将步骤2所述的接收信号p(t,θ)表示为p(t,θ)＝s(t)s(-τn(θ))s(-τi,n(θ))，由于s(t)为单一频率的平面波信号，p(t,θ)只与θ有关，即p(t,θ)＝p(θ)＝s(-τn(θ))s(-τi,n(θ))，其中，s(-τn(θ))表示第n个子阵接收信号，s(-τi,n(θ))表示第n个子阵中第i个阵元的接收信号；步骤4、将所述步骤3中s(-τn(θ))写成向量形式s(θ)＝[s(-τ1(θ)),s(-τ2(θ)),…,s(-τM(θ))]T，其中，上标T表示转置，s(θ)表示阵列接收信号，考虑噪声noise的影响后得到的接收信号为y(θ)＝[s(-τ1(θ)),s(-τ2(θ)),…,s(-τM(θ))]T+noise，其中，noise为一组与子阵个数一致的高斯噪声，对每个子阵设置一组权向量W1，利用幅度遍迹得到遍迹信号l1(θ)，其中，W1＝[W1,1,W1,2,…,W1,M]；W1,n表示第n个子阵的1次迭代权值，将s(θ)与l1(θ)作差得序贯回归方法的约束误差ε1(θ)＝s(θ)-l1(θ)，利用最小方差准则与迭代方法获得子阵优化权向量Wk+1＝[Wk+1,1,Wk+1,2,…,Wk+1,M]，Wk+1,n表示第n个子阵的k+1次迭代权值，利用子阵优化权向量进行幅度遍迹得到子阵的第k+1迭代的遍迹信号lk+1(θ)；步骤5、将所述步骤3中s(-τi,n(θ))写成向量形式sn(θ)＝[s(-τ1,n(θ)),s(-τ2,n(θ)),…,s(-τL,n(θ))]，考虑noise′的影响后所得到的接收信号为yn(θ)＝[s(-τ1,n(θ)),s(-τ2,n(θ)),…,s(-τL,n(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于序贯回归方法的多阵元合成孔径聚焦波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、将一个阵元个数为N的线性传感器阵列分割成长度为L的子阵，子阵的个数为M，发射、接收使用相同的阵列；步骤2、对于空间中的一点P，激励超声阵列发射单一频率的超声平面波信号s(t)，经过接收阵列得到接收信号

【技术特征摘要】
1.一种基于序贯回归方法的多阵元合成孔径聚焦波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、将一个阵元个数为N的线性传感器阵列分割成长度为L的子阵，子阵的个数为M，发射、接收使用相同的阵列；步骤2、对于空间中的一点P，激励超声阵列发射单一频率的超声平面波信号s(t)，经过接收阵列得到接收信号其中，t表示连续的时间参量，r表示P点到阵列中心点的参考声程，c表示声速，θ表示P点与阵列中心点的连线和扫描线垂直平面的夹角，τn(θ)表示第n个子阵的发射延时，其中，1≤n≤M，τi,n(θ)表示第n个子阵中第i个阵元的接收延时，其中，1≤i≤L，不计参考声程r对波束形成的影响，则将p(t,r,θ)改写为p(t,θ)＝s(t-τn(θ)-τi,n(θ))，p(t,θ)表示t时刻θ方位上的接收信号；步骤3、将步骤2所述的接收信号p(t,θ)表示为p(t,θ)＝s(t)s(-τn(θ))s(-τi,n(θ))，由于s(t)为单一频率的平面波信号，p(t,θ)只与θ有关，即p(t,θ)＝p(θ)＝s(-τn(θ))s(-τi,n(θ))，其中，s(-τn(θ))表示第n个子阵接收信号，s(-τi,n(θ))表示第n个子阵中第i个阵元的接收信号；步骤4、将所述步骤3中s(-τn(θ))写成向量形式s(θ)＝[s(-τ1(θ)),s(-τ2(θ)),…,s(-τM(θ))]T，其中，上标T表示转置，s(θ)表示阵列接收信号，考虑噪声noise的影响后得到的接收信号为y(θ)＝[s(-τ1(θ)),s(-τ2(θ)),…,s(-τM(θ))]T+noise，其中，noise为一组与子阵个数一致的高斯噪声，对每个子阵设置一组权向量W1，利用幅度遍迹得到遍迹信号l1(θ)，其中，W1＝[W1,1,W1,2,…,W1,M]；W1,n表示第n个子阵的1次迭代权值，将s(θ)与l1(θ)作差得序贯回归方法的约束误差ε1(θ)＝s(θ)-l1(θ)，利用最小方差准则与迭代方法获得子阵优化权向量Wk+1＝[Wk+1,1,Wk+1,2,…,Wk+1,M]，Wk+1,n表示第n个子阵的k+1次迭代权值，利用子阵优化权向量进行幅度遍迹得到子阵的第k+1迭代的遍迹信号lk+1(θ)；步骤5、将所述步骤3中s(-τi,n(θ))写成向量形式sn(θ)＝[s(-τ1,n(θ)),s(-τ2,n(θ)),…,s(-τL,n(θ))]，考虑noise′的影响后所得到的接收信号为yn(θ)＝[s(-τ1,n(θ)),s(-τ2,n(θ)),…,s(-τL,n(θ))]+noise′，其中，sn(θ)表示第n个子阵接收信号，noise′为一组与子阵阵元个数一致的高斯噪声，利用最小均方误差准则、迭代方法以及幅...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭业才，季晓星，宋峣，禹胜林，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32