使用加窗非线性频率调制调频的声学成像和测量制造技术

一种用于执行声学成像和测量的方法可以包括基于至少一个换能器的频率响应生成非线性频率调制(NLFM)调频波形。该方法还可以包括通过将窗函数应用于NLFM调频波形来生成变迹信号。该方法还可以包括利用变迹信号激励至少一个换能器。该方法还可以包括通过使用一个或多个匹配的滤波器来压缩接收到的信号。多个匹配的滤波器来压缩接收到的信号。多个匹配的滤波器来压缩接收到的信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用加窗非线性频率调制调频的声学成像和测量
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2021年3月4日提交的序列号为63/156,782的美国专利申请的优先权，该申请通过引用以其整体合并于此。


[0003]本公开总体上涉及声学成像领域，并且具体地涉及使用加窗非线性频率调制调频(chirp)来改善超声图像质量的方法和设备。

技术介绍

[0004]声学成像由于具有许多优点而被应用于包括医学成像和医学诊断在内的各个行业。例如，超声感测使用具有显著穿透深度的超声信号。此外，已知超声成像是一种有利的非侵入性成像形式，因为它基于非电离辐射。
[0005]超声成像系统的图像质量通常由成像参数(例如轴向分辨率)决定。轴向分辨率参数部分取决于超声换能器的带宽。一般来说，轴向分辨率与带宽成线性比例。在各种已知的超声成像方法和系统中，超声换能器的带宽对系统成像带宽施加基本限制。然而，PZT换能器的典型带宽常常为70％至80％相对带宽，这限制了最佳轴向分辨率，从而限制了使用各种已知超声方法和系统可实现的图像质量。因此，需要用于改善超声图像质量的方法和设备。

技术实现思路

[0006]在一些变型中，一种用于执行声学成像的方法可以包括基于至少一个换能器(例如，压电传感器、单晶材料传感器、压电微机械超声换能器(PMUT)、电容式微机械超声换能器(CMUT)传感器等)的频率响应来生成非线性频率调制(NLFM)调频波形。该方法还可以包括通过将窗函数(例如，高斯(Gaussian)窗函数或凯撒(Kaiser)窗函数)应用于NLFM调频波形来生成变迹信号。该方法还可以包括利用变迹信号激励至少一个换能器(例如，由多级电压发射器执行)。基于NLFM调频波形生成的信号可以引入具有幅度的至少一个旁瓣，而窗函数可以减小(例如，减小到零或消除)由NLFM调频波形引入的至少一个旁瓣的幅度。
[0007]在一些变型中，该方法还可以包括基于变迹信号发射声学信号。可以使用至少一个换能器来发射声学信号。所发射的声学信号可以具有比至少一个换能器的固有带宽更高的带宽(例如，120％)。
[0008]在一些变型中，该方法还可以包括接收响应于发射声学信号的一组回声信号。该方法还可以包括基于该组回声信号生成一组成像信号。可以由至少一个换能器接收该组回声信号并且生成该组成像信号。在一些实现方式中，可以通过使用至少一个光学传感器(例如，回音壁模式光学传感器、基于集成光子电路的光学传感器等)接收该组回声信号并且生成该组成像信号。当使用至少一个光学传感器时，生成该组成像信号还可以涉及：将该组回声信号转换成一组光学信号，以及基于该组光学信号生成该组成像信号。
[0009]在一些变型中，该方法还可以包括使用一个或多个相应的延迟单元来延迟该组成像信号中的一个或多个成像信号。来自一个或多个相应的延迟单元中的每个延迟单元可以基于与要由该延迟单元延迟的成像信号相关联的深度。该方法还可以包括对该组成像信号求和以产生输出信号。该方法还可以包括：在对该组成像信号求和之后，使用匹配滤波器将输出信号与NLFM调频波形相关联，以产生压缩的输出信号。该方法还可以包括：在对该组成像信号求和之前，使用相应的匹配滤波器将该组成像信号中的每一个与NLFM调频波形相关联以产生压缩的成像信号。对该组成像信号求和可以涉及使用加法器对压缩的成像信号求和以产生输出信号。
[0010]利用变迹信号激励至少一个换能器可以增加基于该组成像信号生成的超声图像的轴向分辨率、对比度分辨率和信噪比中的一项或多项。在一些变型中，NLFM调频波形或窗函数可以在执行声学成像之前被预先确定。另一方面，在一些变型中，NLFM调频波形或窗函数可以在执行声学成像时被动态地调整。
[0011]在一些变型中，NLFM调频波形可以基于非递减且连续的正函数来生成。NLFM调频波形的频率函数可以单调增加。该函数例如可以具有以下格式f(t)＝c atan(a(t
‑
b))+d，其中atan(
·
)是反正切函数，t是时间，a是缩放参数，b是平移控制参数，c是频率范围控制参数，并且d是初始最小频率参数。在一些变型中，NLFM调频波形可以基于多项式函数来生成。然而在一些其他变型中，NLFM调频波形可以基于查找表来生成。
[0012]在一些变型中，该方法可以包括在激励至少一个换能器之前放大变迹信号。发射孔径变迹可以减少声学束的旁瓣。孔径变迹可以通过针对单独的发射信道使用一组预设增益参数来实现。
[0013]在一些变型中，一种用于执行一个或多个声学测量(例如，距离)的方法可以包括基于至少一个换能器(例如，压电传感器、单晶材料传感器、压电微机械超声换能器(PMUT)、电容式微机械超声换能器(CMUT)传感器等)的频率响应来生成非线性频率调制(NLFM)调频波形。该方法还可以包括通过将窗函数(例如，高斯(Gaussian)窗函数或凯撒(Kaiser)窗函数)应用于NLFM调频波形来生成变迹信号。该方法还可以包括利用变迹信号激励至少一个换能器(例如，由多级电压发射器执行)。基于NLFM调频波形生成的信号可以引入具有幅度的至少一个旁瓣，而窗函数可以减小(例如，减小到零或消除)由NLFM调频波形引入的至少一个旁瓣的幅度。
[0014]在一些变型中，该方法还可以包括基于变迹信号发射声学信号。可以使用至少一个换能器来发射声学信号。所发射的声学信号可以具有比至少一个换能器的固有带宽更高的带宽(例如，120％)。
[0015]在一些变型中，该方法还可以包括接收响应于发射声学信号的一组接收到的声学信号。该方法还可以包括基于该组接收到的声学信号生成一组测量信号。可以由至少一个传感器(诸如与所激励的换能器不同(分离)的第二换能器)接收该组接收到的声学信号并且生成该组测量信号。在一些实现方式中，传感器可以是光学传感器，因为可以通过使用至少一个光学传感器(例如，回音壁模式光学传感器、基于集成光子电路的光学传感器等)接收该组接收到的声学信号并且生成该组测量信号。当使用至少一个光学传感器时，生成该组测量信号还可以涉及：将该组接收到的声学信号转换成一组光学信号，以及基于该组光学信号生成该组测量信号。
[0016]该方法可以包括使用相应的匹配滤波器将该组测量信号中的至少一个或每个测量信号与NLFM调频波形相关联以产生压缩的测量信号。
[0017]在一些变型中，NLFM调频波形或窗函数可以在执行声学测量之前被预先确定。另一方面，在一些变型中，NLFM调频波形或窗函数可以在执行声学测量时被动态地调整。
[0018]在一些变型中，NLFM调频波形可以基于非递减且连续的正函数来生成。NLFM调频波形的频率函数可以单调增加。该函数例如可以具有以下格式f(t)＝c atan(a(t
‑
b))+d，其中atan(
·
)是反正切函数，t是时间，a是缩放参数，b是平移控制参数，c是频率范围控制参数，并且d是初始最小频率参数。在一些变型中，NLFM调频本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于执行声学成像的方法，包括：基于至少一个换能器的频率响应生成非线性频率调制(NLFM)调频波形；通过将窗函数应用于所述NLFM调频波形来生成变迹信号；以及利用所述变迹信号激励所述至少一个换能器。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用所述至少一个换能器基于所述变迹信号发射声学信号。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所发射的声学信号具有比所述至少一个换能器的固有带宽更高的带宽。4.根据权利要求2所述的方法，还包括：接收响应于发射所述声学信号的多个回声信号；以及基于所述多个回声信号生成多个成像信号。5.根据权利要求4所述的方法，其中，接收所述多个回声信号并生成所述多个成像信号包括：使用所述至少一个换能器，接收至少一个回声信号并且生成成像信号。6.根据权利要求4所述的方法，其中，接收所述多个回声信号包括使用至少一个光学传感器接收至少一个回声信号，并且其中，生成所述多个成像信号包括：将所述至少一个回声信号转换成光学信号，并且基于所述光学信号生成所述多个成像信号。7.根据权利要求4所述的方法，还包括：使用一个或多个相应的延迟单元来延迟所述多个成像信号中的一个或多个成像信号；以及对所述多个成像信号求和以产生输出信号。8.根据权利要求7所述的方法，还包括：在对所述多个成像信号求和之后，使用匹配滤波器将所述输出信号与所述NLFM调频波形相关联，以产生压缩的输出信号。9.根据权利要求7所述的方法，还包括：在对所述多个成像信号求和之前，使用相应的匹配滤波器将所述多个成像信号中的每一个成像信号与所述NLFM调频波形相关联，以产生压缩的成像信号；并且其中，对所述多个成像信号求和包括使用加法器对所述压缩的成像信号求和以产生所述输出信号。10.根据权利要求7所述的方法，其中，每个延迟单元是基于与要由所述延迟单元延迟的成像信号相关联的深度的。11.根据权利要求4所述的方法，其中，利用所述变迹信号激励所述至少一个换能器增加了基于所述多个成像信号生成的超声图像的轴向分辨率、对比度分辨率和信噪比中的一项或多项。12.根据权利要求1所述的方法，其中，在执行所述声学成像之前所述NLFM调频波形和所述窗函数中的至少一者被预先确定。13.根据权利要求1所述的方法，其中，在执行所述声学成像时所述NLFM调频波形和所述窗函数中的至少一者被动态地调整。14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述NLFM调频波形是基于非递减且连续的正函
数生成的。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述函数是：f(t)＝c atan(a(t
‑
b))+d其中atan(
·
)是反正切函数，t是时间，a是缩放参数，b是平移控制参数，c是频率范围控制参数，并且d是初始最小频率参数。16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述NLFM调频波形是基于多项式函数生成的。17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述NLFM调频波形是基于查找表生成的。18.根据权利要求1所述的方法，还包括：在激励所述至少一个换能器之前放大所述变迹信号。19.根据权利要求1所述的方法，其中，激励所述至少一个换能器由多级电压发射器执行。20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述变迹信号是使用一组预设增益参数生成的。21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述NLFM调频波形的频率函数单调增加。22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述窗函数是高斯窗函数或凯撒窗函数。23.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个换能器包括压电传感器、单晶材料传感器、压电微机械超声换能器(PMUT)或电容式微机械超声换能器(CMUT)传感器。24.一种用于声学成像的装置，包括：至少一个换能器；非暂时性处理器可读介质，其存储表示要由第一计算设备的处理器执行的指令的代码，所述代码包括用于使所述处理器基于所述至少一个换能器的频率响应生成非线性频率调制(NLFM)调频波形的代码；以及发射器，被配置为：基于所述NLFM调频波形和窗函数生成变迹信号；以及利用所述变迹信号激励所述至少一个换能器。25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述至少一个换能器被配置为：基于所述变迹信号发射声学信号。26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述声学信号具有比所述至少一个换能器的固有带宽更高的带宽。27.根据权利要求25所述的装置，其中，所述至少一个换能器还被配置为：接收响应于发射所述声学信号的多个回声信号，以及基于所述多个回声信号生成多个成像信号。28.根据权利要求27所述的装置，其中，所述至少一个换能器被配置为接收至少一个回声信号并生成成像信号。29.根据权利要求27所述的装置，还包括：至少一个光学传感器，被配置为接收至少一个回声信号并且将所述至少一个回声信号转换成光学信号；以及至少一个光电检测器，被配置为基于所述光学信号生成所述多个成像信号。30.根据权利要求27所述的装置，还包括：一个或多个相应的延迟单元，被配置为延迟所述多个成像信号中的一个或多个相应的成像信号；以及
加法器，被配置为基于所述多个成像信号产生输出信号。31.根据权利要求30所述的装置，还包括匹配滤波器，所述匹配滤波器被配置为：在对所述多个成像信号求和之后，将所述输出信号与所述NLFM调频波形相关联。32.根据权利要求30所述的装置，还包括：多个匹配滤波器，被配置为将所述多个成像信号与所述NLFM调频波形相关联以产生压缩的成像信号，其中，所述加法器被配置为对所述压缩的成像信号求和以产生所述输出信号。33.根据权利要求31所述的装置，其中，所述非暂时性处理器可读介质还包括用于执行以下操作的代码：基于焦点深度值计算所述多个延迟单元的多个延迟值。34.根据权利要求30所述的装置，其中，利用所述变迹信号激励所述至少一个换能器增加了基于所述多个成像信号生成的超声图像的轴向分辨率、对比度分辨率和信噪比中的一项或多项。35.根据权利要求30所述的装置，其中，在执行所述声学成像之前所述NLFM调频波形和所述窗函数中的至少一者被预先确定。36.根据权利要求24所述的装置，其中，在执行所述声学成像时所述NLFM调频波形和所述窗函数中的至少一者被动态地调整。37.根据权利要求24所述的装置，其中，所述NLFM调频波形是基于非递减且连续的正函数生成的。38.根据权利要求37所述的装置，其中，所述函数是：f(t)＝c atan(a(t
‑
b))+d其中atan(
·
)是反正切函数，t指示时间，并且a、b、c和d指示一组预先确定的波形参数。39.根据权利要求24所述的装置，其中，所述NLFM调频波形是基于多项式函数生成的。40.根据权利要求24所述的装置，其中，所述NLFM调频波形是基于查找表生成的。41.根据权利要求24所述的装置，还包括放大器，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵丹华，
申请(专利权)人：深视超声科技公司，
类型：发明
国别省市：