多倾角发射分组互相关降噪的超快超声脑功能成像方法研究

小血流信号的检出是长期困扰超声多普勒成像的重要问题，提升该成像技术的检测灵敏度，开发鲁棒的降噪和伪影抑制方法具有重要的研究价值。近年来，基于多角度平面波相干复合发展而来的超快超声多普勒血流成像突破了传统聚焦超声成像的帧率瓶颈，可实现高灵敏度的微血流成像。而且平面波成像模式的发展也对超声降噪算法提出了新的需求。利用平面波发射条件下不同角度回波的血流信号的强相干性，有望实现降噪和伪影抑制。本研究探讨了角度分组互相关方法及其降噪在功能超声成像中的应用：首先将多角度平面波回波信号分为两个子组，信号经杂波滤除后对两子组数据进行时域互相关运算，从而获得降噪后的血流功率多普勒图像(PD)。大鼠脑血流成像和功能成像实验结果表明：本文提出的角度分组互相关降噪方法可提升血流图像信噪比约17～22 dB,有效抑制了图像中的非相干伪影，显著提升了超快超声脑功能成像的灵敏度。     

基于频率分集逆合成孔径雷达的多重信号分类目标成像算法

将频率分集的思想应用在逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar,ISAR)成像中,通过单频信号合成宽带信号,可解决系统发射接收宽带信号复杂的问题.但窄带的合成可视为宽带信号的稀疏采样,由此带来了旁瓣提高等难点.提出一种基于频率分集ISAR体制的多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)目标成像算法,该算法将合成阵列接收的回波信号协方差矩阵进行特征值分解,得到信号子空间与噪声子空间,然后根据二者的正交性构建谱函数对目标位置进行估计,得到目标的超分辨二维像.将MUSIC算法与后向投影(back projection,BP)算法做了对比,仿真结果表明:在有较强噪声环境下,前者仍能有较好的成像效果,证明本文方法的应用可有效解决频率稀疏带来的高旁瓣问题.     

直接数据特征值分解的相干源DOA估计

提出一种基于均匀圆阵单次快拍数据的相干信源波达方向(direction of arrival,DOA)估计方法——直接数据特征值分解(direct data eigenvalue decomposition,DD-EVD)法. 算法通过模式空间转换将均匀圆阵虚拟为均匀线阵,再直接利用波束空间的快拍数据,构造一个Toeplitz矩阵,并对矩阵按阵列流形分解. 理论推导证明,矩阵的秩得到恢复,只与入射信号个数有关. 对该矩阵进行特征值分解可得到正确的信号子空间和噪声子空间,进而完成相干信源DOA估计. 算法使用单次快拍数据构造矩阵,适合非平稳信号参数的估计,同时不需要快拍累计和相关运算,降低了计算复杂度. 仿真结果验证了算法的有效性.      

基于参数化稀疏表征高速目标ISAR成像方法

针对高速运动目标逆合成孔径雷达(ISAR)成像问题,提出一种基于参数化稀疏表征的高速目标ISAR成像方法.首先,对高速运动目标回波信号特点进行分析,构造包含目标未知速度的参数化感知矩阵,建立回波信号稀疏模型.其次,采用自适应寻优算法,同时获得优化的感知矩阵及目标运动速度,基于压缩感知理论,在稀疏采样条件下重构目标ISAR像.相较于已有方法,所提方法可避免ISAR成像中复杂的运动补偿处理,并具有较低的运算复杂度和较好的鲁棒性.仿真实验验证了理论分析与所提成像方法的正确性和有效性.     

基于MCC-PAST算法的直扩信号PN码序列盲估计

针对在脉冲噪声环境下的直接序列扩频信号的伪随机(PN)码盲估计问题,提出了一种利用最大熵准则投影逼近子空间(MCC-PAST)算法和滑窗技术相结合的PN码盲估计方法。该方法利用最大熵准则,实现了在脉冲噪声背景下对扩频信号的特征进行稳定快速的追踪。通过对迭代过程中的特征子空间进行梯度估计,实现了可变遗忘因子(VFF)的自适应更新,使得权值的收敛精度和收敛速度得到了同时的优化。算法数据存储量小,复杂度低,易于硬件实现和实时数据处理。仿真结果表明,在脉冲噪声环境下该方法对PN序列估计的正确率和稳定性优于传统方法。     

基于子空间投影的SFGPR压缩感知成像算法

针对传统压缩感知SFGPR成像重建算法在强杂波测量环境中往往会失效的问题,提出一种基于子空间投影杂波抑制技术的SFGPR压缩感知成像重建算法.该算法首先在每个天线测量位置通过压缩感知测量模型重建所有的频域原始均匀采样数据,然后采用子空间投影杂波抑制技术滤除较强的地面回波,最后结合稀疏重建算法对地下目标图像进行压缩感知重建.实验数据处理结果验证了所提方法的有效性和准确性.     

基于稀疏采样的调频率估计与多目标ISAR成像

针对目前多目标成像中关于信号调频斜率估计的算法存在着采样频率过大,以及短时条件下精度不高的问题,结合压缩感知理论,提出了一种基于稀疏采样的回波信号调频率估计与多目标ISAR成像方法。首先,根据目标回波信号的特点构造超完备稀疏基,将信号投影到该稀疏基上,利用高斯随机矩阵对分解后的信号进行欠采样,采用FOCUSS稀疏重构算法,精确提取出信号的调频斜率;然后,利用估计出的调频斜率对多目标回波信号中各个目标的回波分量进行分离和补偿;最后,基于稀疏采样对各个单目标分别进行成像。仿真实验验证了该方法的可行性和有效性。     

结合子空间投影的幅度相位估计波束形成算法

在医学超声成像中,幅度相位估计(APES)波束形成算法能够更稳健地估算期望信号幅度,但其以牺牲较少量分辨率为代价.针对此问题,提出基于幅度相位估计并融合子空间投影技术的自适应波束形成算法.首先通过幅度相位估计算法初步计算加权向量,然后将加权向量向回波信号的期望信号子空间投影,以此来抑制噪声和干扰,改善成像的分辨率和对比度.经仿真分析,所提出的子空间投影与幅度相位相融合的算法在成像的分辨率、对比度和稳健性方面均优于原始的幅度相位估计算法.     

低复杂度的MIMO-OFDM系统自适应调制方案

以最小化发射总功率为目标,提出了一种低复杂度的MIMO-OFDM无线通信系统的自适应调制方案.在发射端,基于已知信道状态信息,应用奇异值分解将空分复用信道转化为并行的子信道,并将表征信道增益的信道矩阵特征值用于子信道自适应调制优化设计中.针对MQAM调制,采用变步长的贪婪算法得到优化的子信道比特加载及功率分配方案.仿真结果表明,所提出的简化算法与一种近似最优的自适应调制算法性能接近,但复杂度降低了30%以上.     

基于协方差拟合旋转不变子空间信号参数估计算法的高分辨到达角估计

为进行高分辨到达角(DOA)估计的同时避免稀疏类算法的不足,提出了协方差拟合旋转不变子空间信号参数估计(ESPRIT)算法.首先将协方差拟合准则转换成半正定规划问题,利用凸优化进行求解,得到更接近理论值的信号协方差矩阵;然后对估计的信号协方差矩阵进行特征分解,利用信号子空间和噪声子空间特征值的差异估计信源个数;最后利用子空间旋转不变性反解出未知DOA.仿真实验从DOA估计精度、分辨率等方面验证了该算法的有效性,较传统ESPRIT算法具有更高的DOA估计分辨率并且受相干信源影响小;与稀疏类算法相比,不依赖先验信息以及避免了网格失配问题.     

基于子空间拟合的 UWB 稀疏信道盲估计

针对 TH-PPM 超宽带系统,利用信道的稀疏性,提出一种基于子空间拟合的稀疏信道盲估计算法.该算法首先利用接收信号的均值循环卷积特性,估计出信道的频域响应,接着利用子空间拟合算法确定出非零抽头系数的位置,最后再采用最小二乘算法完成对非零系数值的估计,避免了无谓的零抽头估计,改善了算法性能.该算法以码片周期采样,且仅需要作一些简单的信号处理如重叠相加、离散傅立叶变换等,因此运算量较小.仿真表明,与没有利用信道稀疏性的一阶盲算法相比具有更优的均方误差和误比特率性能.     

时域相关法超声检测二维血流速度分布

研究了跟踪血流速度的时域相关方法,对连续周期回声信号作相关运算可得到血流一维速度分布,采用滑动时窗分段相关法可检测多个散射元移动时的速度分布,声束线性扫描得到二维血流速度剖面,检测精度和分辨力高于Ｄｏｐｐｌｅｒ频域法．     

空间稀疏角域以及多普勒域下的DOA估计

提出可在稀疏角域以及多普勒域下对天线阵列信号向量进行接收和分析的方法,讨论在多普勒频域范围内的DOA估计问题,并在有效的频带范围内提取信号冲激响应较大的值. 在稀疏DOA的恢复过程中采用的是L2,0估计算法,并在多路天线频谱感知的架构下充分利用DOA所固有的稀疏特性,对其进行稀疏恢复. 对于在测试环境中不可避免的噪声问题,分析三种不同噪声分布下的DOA估计误差问题. 仿真结果显示频域范围内的L2,0-DOA估计算法具有较低的计算复杂度和较高的准确度,并且算法对噪声不敏感,鲁棒性较高.     

基于虚拟仪器的超声Doppler管道低流速测量

传统的超声Doppler流量计在管道流量测量中会遇到无法判断流速方向和低流速测量困难等问题。该文基于虚拟仪器平台,将Doppler信号解调到15kHz的中心频率,并运用Zoom-FFT算法对其进行高精度选带频谱分析,然后进行加权平均频率估计,得到被测流体的平均流速及方向,实现了一个新的超声Doppler流量测量系统。超声波探头外夹安装在充满流体介质的不锈钢管道上进行流量测量,实验结果表明该系统不仅可以正确分辨流速方向,还能测量低达0.02m/s的流速,在判断流速方向和低流速测量上比传统超声Doppler流量计更为有效。     

均匀圆形阵列的联合二维角度-频率估计

研究均匀圆形阵列的联合二维角度-频率估计问题.基于数据矩阵的重新排列、信号子空间的实数化处理、复数移不变方程以及联合特征值估计,推导出联合估计参数的ESPRIT类算法,该算法将参数估计问题转化为3个具有实特征值的实数矩阵的联合特征值估计问题.通过同时对角化算法估计矩阵的联合特征值,获得了参数联合估计的强可辨识性,即允许信号参数在任何一维任意重复,并可以使估计参数实现自动配对.理论分析和仿真证明了所提算法的有效性.     

基于平移不变离散小波的多普勒血流信号杂波抑制

针对由血管壁和慢速运动组织产生的杂波会严重影响超声多普勒低速血流成分频谱估计的准确性问题，根据超声多普勒血流信号及杂波的特征，提出基于平移不变离散小波变换的抑制杂波方法，分别对仿真和实际超声颈动脉血流信号进行实验，并与高通滤波和离散小波变换方法进行比较，结果表明：经过平移不变离散小波变换方法抑制杂波后，信号的声谱图质量及性能指标均有明显改善，其中低速血流相对误差仅为4．86％，与高通滤波方法的相对误差10．28％和离散小波方法的相对误差7．26％相比，相对误差分别减小了5．42％和2．4％，低速血流成分频谱估计的准确性得到了提高。     

机载多普勒雷达模糊回波模拟源的研究

建立了机载脉冲多普勒（PD）雷达模糊回波模拟源的仿真模型,分析了其工作原理和回波的统计特性,利用先内插后抽样的方法实现了回波数据的速度模糊和频域杂波模糊。通过设置模型参数,可模拟产生多种工作环境下的雷达模糊回波数据,并可通过PCI－7200高速数字接口析板输出。     

FMCW SAR快速运动目标检测与成像

调频连续波(frequency modulated continuous wave,FMCW)合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)特有的工作模式使得其回波信号相对脉冲SAR具有不同的形式。推导了FMCW SAR系统下运动目标的回波模型。提出了一种基于Hough变换的快速运动目标检测方法和Hough变换与分数阶傅里叶变换(fractional Fourier transform,FrFT)变换相结合的运动目标参数估计方法;利用该方法补偿FMCW系统引入的附加距离走动后,运动目标的成像效果明显提高。多点运动目标仿真数据处理验证了该方法对目标检测与成像的准确性和有效性。     

预处理子空间迭代法

研究了计算大型稀疏对称矩阵的若干个最大或最小特征值的问题．首先引入求解大型对称特征值问题的预处理技术，给出了改善后的算法及相应的算法收敛分析．而求解特征值问题的子空间迭代法，当矩阵的特征值的分布范围较大时，其收敛速度会受到限制．为了加速子空间迭代法的收敛速度，对每次迭代所得的残余矩阵直接进行预处理以改善矩阵特征值的分布而加速收敛．讨论了预处理技术对子空间迭代法的应用，从而给出了预处理子空间迭代法．最后给出了数值例子，结果表明预处理子空间迭代法比子空间迭代法优越，不仅收敛速度快，并且减少了计算量和计算时间．