超声层析成像并行收发与解调方法技术

本发明专利技术涉及一种超声层析成像并行收发与解调方法，设传感器阵列由N个超声传感器组成，激励信号的序列长度为L，称发射信号的超声传感器为发射端，接收信号的超声传感器为接收端，包括下列步骤：使用Kasami序列生成N个长度为L相互正交的伪随机正交序列；调制载波信号；根据调制滤波后的信号生成激励信号，所有发射端同时激励，每个接收端接收到的是所有其它N

【技术实现步骤摘要】
超声层析成像并行收发与解调方法


[0001]本专利技术属于超声层析成像
，是一种用于获取超声层析成像投影数据的并行收发与解调方法。

技术介绍

[0002]超声过程层析成像采用独立探头阵列从多个角度向被测截面内的流体发射超声波，获取超声传播路径(投影)内的声衰减与传播时间来反演流体分布。相比于其他层析成像技术，超声过程层析成像具有传播模式丰富、不受流体矿化度影响、无辐射等优势，能在管道外壁上以“即夹即用(Clamp
‑
on)”的传感器安装形式获取密闭管道内流体结构及相含率、流速等分布参数，具有广阔的应用前景。
[0003]超层析成像系统主要包括以下三部分：超声传感器阵列；信号激励与数据采集系统；图像重建软件。超声传感器阵列由多个单晶元探头组成，超声传感器发射端通过逆压电效应将电压信号转换为声信号形成激励声源信号，超声传感器接收端将收到的声信号通过压电效应转换为电信号；信号激励与数据采集系统的功能为超声传感器激励控制，记录、转换、解调传感器接收到的电压信号，传统超声层析成像采用的是通过时序控制对不同位置的超声传感器进行循环激励；图像重建软件将从接收信号中解调得到的渡越时间或信号衰减，通过图像重建方法得到被测场域介质分布估计。
[0004]传统超声层析成像方法采用一发多收、循环激励方案，尽管已经有了精度高、方向性好等优点，但循环激励测量周期较长，系统实时性仍有改进空间，在满足更高速图像重建的要求时具有一定的局限性。

技术实现思路

[0005]本专利技术为提高超声层析成像系统实时性，提出一种用于获取超声层析成像投影数据的并行收发与解调方法。该方法采用“码分复用”的思想，使用Kasami伪随机正交序列(简称Kasami序列)对声源信号进行调制。在利用正交调制信号对所有传感器的并行激励后，超声信号在接收端形成混叠信号。通过对混叠接收信号进行相关解调，依据互相关分析法和自相关法功率谱密度估计分别提取各个声源信号分量对应多路渡越时间和信号衰减信息。相比于超声层析成像原先使用的循环激励方案，该方法加快系统对多路信号渡越时间(TOF)和信号幅值衰减的测量，在一个收发周期内就能获得重建一帧截面图像的全部信息，提高系统测量速度与时间分辨率。技术方案如下：
[0006]一种超声层析成像并行收发与解调方法，所采用的超声层析成像系统，利用超声传感器阵列进行被测场域的层析成像，设传感器阵列由N个超声传感器组成，激励信号的序列长度为L，称发射信号的超声传感器为发射端，接收信号的超声传感器为接收端，包括下列步骤：
[0007]步骤一：使用Kasami序列生成N个长度为L相互正交的伪随机正交序列；
[0008]步骤二：调制载波信号，调制滤波后的信号具有自相关性；
[0009]步骤三：根据调制滤波后的信号生成激励信号，所有发射端同时激励，每个接收端接收到的是所有其它N
‑
1个发射端发射的声源信号和接收端局部噪声的叠加，方法为：
[0010]从N
‑
1个发射端发射的声源信号中指定一路信号作为参考信号，记做x
k
(t)，不同发射端发射的声源信号x
i
(t)相互正交，且接收端噪声n
j
(t)与x
i
(t)不相关，参考信号x
k
(t)与接收信号y
j
(t)的互相关函数由下式表示：
[0011][0012]式中，l为互相关函数自变量，表示y
j
(t)与x
k
(t)的互相关函数值，α
k,j
(t)为x
k
(t)到j号接收端的衰减系数，表示x
k
(t)与x
k
(l
‑
Δt
k,j
)的互相关函数值；
[0013]确定互相关最大值处对应时间，定位的最大值所对应的时间，解调参考信号x
k
(t)的渡越时间Δt
k,j
；
[0014]步骤四：解调渡越时间：从N
‑
1个发射端发射的声源信号中指定一路信号作为参考信号，不同发射端发射的声源信号相互正交，根据参考信号与各个接收信号的互相关函数，解调参考信号的渡越时间；
[0015]步骤五：解调信号衰减，方法如下：
[0016]截取y
j
(t)在渡越时间Δt
k,j
后长度为L的序列记为r
k,j
(t)，r
k,j
(t)由α
k,j
(t)*x
k
(t)和与x
k
(t)正交的序列组成；求取参考信号x
k
(t)的自相关函数和x
k
(t)与r
k,j
(t)的互相关函数
[0017]计算和的傅里叶变换，参考信号x
k
(t)的功率谱密度表示如下：
[0018][0019]式中，表示参考信号x
k
(t)的功率谱密度，e
(
·
)
表示分别以自然对数和(
·
)为底和指数的幂指数；
[0020]x
k
(t)在接收端j的接收信号y
k,j
(t)的功率谱密度表示如下：
[0021][0022]式中，表示接收信号y
j
(t)的功率谱密度，A
k,j
(f)为α
k,j
(t)傅里叶变换后的结果；
[0023]通过计算得出信号从k号发射端到j号接收端在路径上的衰减谱10lg(A
k,j
(f))；
[0024]步骤六：依据超声层析成像原理，利用提取的衰减谱计算超声波在传播路径上的平均衰减系数，实现被测场域的图像重建。
[0025]进一步地，步骤二的方法为：使用所述N个伪随机正交序列分别调制固定频率的载波；使用带通滤波器对调制后的载波进行平滑并控制其带宽，调制滤波后的信号具有自相关性。
[0026]本专利技术为提高超声层析成像系统实时性，提出一种超声层析成像并行收发与解调方法。使用Kasami序列生成声源信号并利用自相关检测原理计算自相关最大值，进而根据最大值所处时间节点确定信号从不同发射端到接收端的渡越时间。利用功率谱密度不包含信号的相位信息等优点，依据维纳
‑
辛钦定理，通过计算参考信号自相关函数和接收信号与参考信号互相关函数的傅里叶变换得到参考信号和接收信号的功率谱密度，进而对比得出信号的衰减谱。使用所提出的方法相对于循环激励方案，测量速度和时间分辨率有显著改善。
附图说明
[0027]以下附图描述了本专利技术所选择的实施例，均为实例性附图而非穷举或限制性，其中：
[0028]图1为16探头超声层析成像系统被测截面投影线网络示意图；
[0029]图2为本专利技术方法解调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声层析成像并行收发与解调方法，所采用的超声层析成像系统，利用超声传感器阵列进行被测场域的层析成像，设传感器阵列由N个超声传感器组成，激励信号的序列长度为L，称发射信号的超声传感器为发射端，接收信号的超声传感器为接收端，包括下列步骤：步骤一：使用Kasami序列生成N个长度为L相互正交的伪随机正交序列；步骤二：调制载波信号，调制滤波后的信号具有自相关性；步骤三：根据调制滤波后的信号生成激励信号，所有发射端同时激励，每个接收端接收到的是所有其它N
‑
1个发射端发射的声源信号和接收端局部噪声的叠加，方法为：从N
‑
1个发射端发射的声源信号中指定一路信号作为参考信号，记做x
k
(t)，不同发射端发射的声源信号x
i
(t)相互正交，且接收端噪声n
j
(t)与x
i
(t)不相关，参考信号x
k
(t)与接收信号y
j
(t)的互相关函数由下式表示：式中，l为互相关函数自变量，表示y
j
(t)与x
k
(t)的互相关函数值，α
k,j
(t)为x
k
(t)到j号接收端的衰减系数，表示x
k
(t)与x
k
(l
‑
Δt
k,j
)的互相关函数值；确定互相关最大值处对应时间，定位的最大值所对应的时间，解调参考信号x
k
(t)的渡越时间Δt
k,j
；步骤四：解调渡越时间：从N
‑
1个发射端发射的声源信号中指定一路信号作为参考信号，不同发射端发射的声源信号相互正...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭超，李庆泽，鲍勇，董峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：