一种基于切比雪夫多项式的复合窗变迹超声波束形成方法技术

本发明专利技术涉及一种基于切比雪夫多项式的复合窗变迹超声波束形成方法，属于超声成像技术领域。该方法首先对超声阵列接收到的回波信号进行处理，得到所需要的超声阵列回波信号；然后输入不同切比雪夫参数分别构造两个切比雪夫窗函数；再将两个切比雪夫窗函数按一定权重进行叠加，得到复合变迹窗，并用复合窗对超声阵列回波信号进行加权；根据近场和远场各自的成像效果分别调整近场窗和远场窗的切比雪夫参数，直到符合预期要求，然后进行后续波束形成和最终成像；该方法能够根据探测深度自行调节谱加权的旁瓣抑制能力，能在近场有效抑制伪像，并改善远场分辨率，从而提高超声成像的整体质量。体质量。体质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于切比雪夫多项式的复合窗变迹超声波束形成方法


[0001]本专利技术属于超声成像
，涉及一种基于切比雪夫多项式的复合窗变迹超声波束形成方法。

技术介绍

[0002]超声成像是一种广泛应用在医学和工业领域的无损检测手段，而延时叠加波束形成器因其结构简单、易于实现的优势，被广泛应用在市面上的超声成像仪器当中。但是传统延时叠加方法得到的波束存在旁瓣水平较高的缺陷，旁瓣是产生伪像的主要原因，较高的旁瓣水平降低了超声成像质量。
[0003]抑制旁瓣的技术途径是采用幅度变迹，其实现方法是对接收阵元采用谱加权技术，谱加权技术利用傅里叶变换的性质来改变旁瓣。常见的传统幅度变迹采用的窗函数有三角窗、汉宁窗、海明窗等，都能有效抑制旁瓣高度，防止伪像的产生。然而幅度变迹的引入会带来新的问题，即主波束宽度的增大，尤其在远场成像时，主波束宽度增大所造成的横向分辨率的下降极大地降低了最终成像质量。同时由于超声衰减的存在，远场成像对变迹窗伪像抑制能力的要求没有近场成像这么高，横向分辨率才是影响远场成像质量的主要因素。因此，有学者提出将探测区域按深度分段，不同分段采用不同窗函数的变迹法来改善远场分辨率。但是传统的窗函数难以灵活改变自身旁瓣抑制能力，与分段变迹法无法较好适配，只能将现有的窗函数填入分段中测试成像效果，再从中选择一个效果相对较好的作为该段的窗函数。目前还缺少对于不同分段窗函数的构造与选择的系统性方法。
[0004]切比雪夫窗是由多尔夫提出的一种原本应用于雷达阵列定位的变迹窗，它的构造过程基于切比雪夫多项式的性质，且被证明该窗口能得到给定旁瓣高度下最小的主瓣宽度。但是和其他窗函数一样，切比雪夫窗仍存在主波束宽度和旁瓣高度之间的矛盾，即低旁瓣高度会伴随着较大的主瓣宽度。将切比雪夫窗引入到超声成像后，由于超声聚焦环节的存在，实际得到的回波响应和理论上的波束方向图存在偏差，需要通过规范的方法进行调整修正。
[0005]综上所述，急需专利技术一种能够在近场有效抑制伪像的同时，远场又能保持较高横向分辨率的高效波束形成算法，以提高整体超声成像质量。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于切比雪夫多项式的复合窗变迹超声波束形成方法。该方法能够根据探测深度自行调节谱加权的旁瓣抑制能力，能在近场有效抑制伪像，在远场改善分辨率，从而提高超声成像的整体质量。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种基于切比雪夫多项式的复合窗变迹超声波束形成方法，该方法包括以下步骤：
[0009]S1：对超声阵元接收的回波信号进行放大、AD转换和延时聚焦处理，以获得超声阵
列回波数据x(k)，x(k)表示为x(k)＝[x1(k),x2(k),
…
,x
N
(k)]，其中N表示超声阵列的阵元个数，k表示为对应采样深度d的采样时刻；
[0010]S2：根据切比雪夫多项式性质，输入不同切比雪夫参数A
S
‑
near
和A
S
‑
far
，分别构造两个切比雪夫窗函数w
near
，w
far
；
[0011]S3：将两个切比雪夫窗按一定权重进行叠加，叠加权值随探测深度变化，得到复合变迹窗w
comp
(d)，其中d表示探测深度，并用复合窗对x(k)变迹后，进行波束形成与成像；
[0012]S4：根据近场成像效果调整近场窗w
near
的切比雪夫参数直到符合预期；
[0013]S5：根据远场成像效果调整远场窗w
far
的切比雪夫参数直到符合预期；
[0014]S6：完成复合窗调整，进行波束形成与最终成像。
[0015]可选的，在所述S2中，根据切比雪夫多项式性质，输入不同切比雪夫参数A
S
‑
near
和A
S
‑
far
，分别构造两个切比雪夫窗函数w
near
，w
far
，具体包括以下步骤：
[0016]S21：输入切比雪夫参数A
S
，单位为dB；定义主波束最大值和旁瓣水平的比值为R，则有：
[0017][0018]S22：构造(N
‑
1)阶切比雪夫多项式T
N
‑1(α)，其表达式为：
[0019][0020]其中，N为超声探头接收阵元个数；
[0021]S23：根据多项式性质，主波束最大值和旁瓣水平的比值等于T
N
‑1(α0)的值，其中α0>1，解得α0的值，并对其进行尺度变换，得到ω：
[0022][0023]则波束方向图B(ψ)在ψ空间表示为：
[0024][0025]其中，因子1/R用于归一化波束方向图，ψ为空间变量，使得B(0)＝1；
[0026]S24：找到波束方向图的原零点ψ
po
，其位置为：
[0027][0028]其在α空间表示为：
[0029][0030]变换尺度到ω空间，得到：
[0031][0032]最终得到在ψ空间的零点ψ
p
：
[0033][0034]S25：构造一个N
×
N的阵列流形矩阵V(ψ)其表达式为：
[0035]V(ψ)＝［ν(0) ν(ψ1) ... ν(ψ
p
) ... ν(ψ
N
‑1)][0036]其中，ν(ψ)表示阵列流形向量，表达式为：
[0037][0038]则最终切比雪夫参数A
S
对应切比雪夫窗的权值为：
[0039]w＝[V
H
(ψ)]‑1·
[1 0 ... 0]T
[0040]S26：按照上述步骤输入不同切比雪夫参数A
S
‑
near
和A
S
‑
far
，分别构造两个切比雪夫窗函数w
near
，w
far
，在参数选择上需要满足A
S
‑
near
<A
S
‑
far
，具体数值将在后面步骤进行调整。
[0041]可选的，在所述S3中，将两个切比雪夫窗按一定权重进行叠加，叠加权值随探测深度变化，得到复合变迹窗w
comp
(d)，并用复合窗对x(k)变迹后进行波束形成，具体包括以下步骤：
[0042]S31：将两个切比雪夫窗按一定比例进行复合，得到复合变迹窗w
comp
(d)，其表达式为：
[0043][0044]其中，d
max
和d
min
分别表示探测区域的最大和最小深度；
[0045本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于切比雪夫多项式的复合窗变迹超声波束形成方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：对超声阵元接收的回波信号进行放大、AD转换和延时聚焦处理，以获得超声阵列回波数据x(k)，x(k)表示为x(k)＝[x1(k),x2(k),
…
,x
N
(k)]，其中N表示超声阵列的阵元个数，k表示为对应采样深度d的采样时刻；S2：根据切比雪夫多项式性质，输入不同切比雪夫参数A
S
‑
near
和A
S
‑
far
，分别构造两个切比雪夫窗函数w
near
，w
far
；S3：将两个切比雪夫窗按一定权重进行叠加，叠加权值随探测深度变化，得到复合变迹窗w
comp
(d)，其中d表示探测深度，并用复合窗对x(k)变迹后，进行波束形成与成像；S4：根据近场成像效果调整近场窗w
near
的切比雪夫参数直到符合预期；S5：根据远场成像效果调整远场窗w
far
的切比雪夫参数直到符合预期；S6：完成复合窗调整，进行波束形成与最终成像。2.根据权利要求1所述的一种基于切比雪夫多项式的复合窗变迹超声波束形成方法，其特征在于：在所述S2中，根据切比雪夫多项式性质，输入不同切比雪夫参数A
S
‑
near
和A
S
‑
far
，分别构造两个切比雪夫窗函数w
near
，w
far
，具体包括以下步骤：S21：输入切比雪夫参数A
S
，单位为dB；定义主波束最大值和旁瓣水平的比值为R，则有：S22：构造(N
‑
1)阶切比雪夫多项式T
N
‑1(α)，其表达式为：其中，N为超声探头接收阵元个数；S23：根据多项式性质，主波束最大值和旁瓣水平的比值等于T
N
‑1(α0)的值，其中α0>1，解得α0的值，并对其进行尺度变换，得到ω：则波束方向图B(ψ)在ψ空间表示为：其中，因子1/R用于归一化波束方向图，ψ为空间变量，使得B(0)＝1；S24：找到波束方向图的原零点ψ
po
，其位置为：其在α空间表示为：变换尺度到ω空间，得到：
最终得到在ψ空间的零点ψ
p
：S25：构造一个N
×
N的阵列流形矩阵V(ψ)其表达式为：其中，ν(ψ)表示阵列流形向量，表达式为：则最终切比雪夫参数A
S
对应切比雪夫窗的权值为：S26：按照上述步骤输入不同切比雪夫参数A
S
‑
near
和A
S
‑
far
，分别构造两个切比雪夫窗函数w
near
，w
far
，在参数选择上需要满足A
S
‑
near
<A
S
‑
far
，具体数值将在后面步骤进行调整。3.根据权利要求1所述的一种基于切比雪夫多项式的复合窗变迹超声波束形成方法，其特征在于：在所述S3中，将两个切比雪夫窗按一定权重进行叠加，叠加权值随探测深度变化，得到复合变迹窗w
comp
(d)，并用复合窗对x(k)变迹后进行波束形成，具体包括以下步骤：S31：将两个切比雪夫窗按一定比例进行复合，得到复合变迹窗w
comp
(d)，其表达式为：其中，d
max
和d
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，梁家祺，王慧悦，何理，柳学功，周瑜，李锡涛，何峰宇，武超，阎鑫龙，陈靖翰，
申请(专利权)人：重庆惠电谷能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：