基于FPGA的合成孔径超声成像波束合成设计

合成孔径超声成像,因其可以利用少量超声传感器得到高分辨率及高对比度超声图像而成为现代数字医学超声成像常采用的方法.传统合成孔径方法的复杂性限制了实时成像系统的成像速度.对比传统的定制目标区域及非均匀采样的成像方法,利用高速数字电路设计出了应用于多阵元合成孔径超声成像系统的均匀采样波束合成算法,并利用现场可编程门阵列(FPGA)技术进行硬件实现.使用Altera公司的CycloneⅡ系列EP2C8Q208C8芯片,利用同步动态随机存储器(SDRAM)存储回波数据,数据经延时叠加及加权处理后通过USB送入PC端成像.系统测试结果表明:采用流水线结构及并行数字电路,FPGA可以在高速时钟下完成合成孔径超声成像的波束合成算法,结果精确高效,可以运用于实时成像系统.     

超声成像系统中数字双波束合成技术研究与实现

以提高超声成像系统帧频为目标,研究了双波束合成技术及其硬件实现方法。首先,对其理论模型进行了声场建模与仿真,并针对仿真中发现的失真问题提出了改进方法。在此基础上,完成了双波束合成孔径超声成像系统的设计和调试。结果表明,采用双波束合成技术可以将帧频提高为原来的两倍。     

数字多波束逐点聚焦延时参数的压缩算法

针对数字多波束合成技术在超声成像领域应用中存在逐点聚焦延时参数的存储容量过大的问题,提出了一种四波束逐点聚焦延时参数的压缩存储与实时生成算法。首先将四波束的聚焦延时问题转换成单波束的聚焦延时问题,然后对转换后的单波束聚焦延时数据进行量化、压缩和存储。在聚焦时,将压缩存储的延时参数进行解压,实时生成四波束所需的延时参数。以8通道128阵元的平阵探头为例,对该算法进行了相关的数学推导和证明,并对其性能进行了分析讨论,验证了该算法的优越性。     

最小方差波束形成与基于最小方差相干系数融合的超声成像方法

在医学超声成像中,最小方差波束形成(MV)可以有效地提高图像的分辨率,但不能提高成像的对比度.针对最小方差波束形成的低对比度,提出一种最小方差波束形成与基于最小方差相干系数融合的成像方法.该方法利用最小方差波束形成的输出取代相干系数中相干部分的能量和,得到加权系数,然后利用该系数加权最小波束形成的结果.仿真成像结果表明:该方法在分辨率、对比度方面都优于传统的延时叠加波束形成法,最小方差波束形成法以及最小方差波束形成与相干系数融合的方法.     

超声成像系统的动态孔径控制方法

动态孔径控制技术是超声成像系统的一个重要环节,良好的动态孔径控制技术能够有效地改善图像质量.在深入分析超声信号的合成波束分布规律的基础上,提出一种能够消除聚焦波束扫描死区的动态孔径控制方法.该方法根据探头阵元数对探测区域进行均匀的区域分割,计算得到完全覆盖相邻两条扫描线之间区域的聚焦波束在该深度下所需的波束宽度,再根据不同探测深度的波束宽度反推该深度下所需的孔径大小.该方法不受探头参数特性改变,以及探测对象变化的影响,在超声成像系统具有普遍适用性.仿真成像表明:采用该动态孔径控制方法能够有效提高超声图像的整体质量.     

基于合成孔径聚焦的超声SH导波成像检测

超声水平剪切(shear horizontal,SH)导波成像检测旨在解决平板检测中检测距离增加时分辨力降低的问题。该文运用合成孔径聚焦原理,构建了16通道超声SH导波成像检测实验系统,通过分析阵列信号时频域特征揭示了声波与缺陷间相互作用的规律,对SH导波合成孔径聚焦成像算法进行了讨论,阐明了导波阵列信号时空域信息合成在聚焦成像中的应用。研究结果表明:合成孔径聚焦可用于超声SH导波成像检测,所成图像能够表征钢板中检测距离2 m以上、尺寸当量大于5 mm的缺陷信息,为深入开展工业在役大尺度结构板材的缺陷成像检测和结构健康监测提供了基础。     

基于分段动态变迹技术的超声成像方法

在超声成像系统中,单一幅度变迹技术只能在一定的距离范围内获得较好的成像分辨率,该距离范围外,分辨率明显降低。而使用分段动态变迹技术就可以弥补这一缺点,在研究多种单一幅度变迹函数的波束3dB等值线后,观察得到各函数最佳成像分辨率对应的距离范围。通过分段引入对应的变迹函数,从而得到了分段动态变迹技术的一种实现方法,然后绘出波束3dB等值线以及仿真成像。证明该方式的分段动态变迹技术相比单一幅度变迹技术能够改善缺点,提高图像质量。     

基于改进相干因子的延时乘累加平面波超声成像

针对超声回波信号高相关性特性,提出一种基于改进相干因子的延时乘累加(pCF-DMAS)波束形成算法并应用至平面波超声成像.该算法通过增强相干因子的相干性来计算回波信号的权值,然后进行乘累加运算.通过使用Field II进行超声点目标和囊肿目标的仿真实验,对成像结果进行分析验证了算法的有效性.仿真结果表明,算法具有优秀的横向分辨率,在p取0.7时具有所有对比算法中的最高对比度.综合点目标和囊肿目标的成像效果,给出算法的最优p值0.3.相比延时叠加和延时乘累加波束形成算法,所提算法的图像对比度CR分别提高了12.559,9.602dB.     

波束合成前解码算法的优化实现在超声波成像中的应用

为了解决波束合成前解码算法消耗硬件资源庞大的问题,在理论分析的基础上,以64通道的最长1000个点的Golay码系统为例,提出波束合成前解码算法在计算过程和逻辑设计2个层面的优化方法,并从工程实现的角度,给出了基于Quartus Ⅱ设计平台的数据结果,验证了方法的可行性和有效性.     

最小方差的延时乘累加医学超声波束形成算法

针对超声信号高度相关性的特点,提出了一种最小方差的延时乘累加波束形成(MVDMAS)算法.首先,该算法利用最小方差波束形成的思想,计算接收回波信号的权值,用来降低回波信号的旁瓣;然后,对加权处理后的回波信号进行组合乘累加运算,降低回波信号之间的相关性;最后,理论推导和实验仿真验证了算法的有效性.仿真实验结果表明,MVDMAS算法的成像对比度和分辨率均有一定提升,可有效地降低主瓣宽度、旁瓣高度和抑制斑点噪声.与延时叠加、最小方差和延时组合乘累加波束形成算法相比,综合评价指标CR和CNR分别提高了100.24%,33.91%,17.41%和30.61%,17.55%,11.36%.     

基于电声门图信号的可控超声喉动态成像系统

提出了一种利用单片机进行控制,结合电声门图仪和全数字化超声系统,共同完成声带振动特定相位观测的动态成像系统。该系统利用外围硬件电路对电声门图信号的特征相位点进行识别,并通过单片机对图像采集时刻进行精确的计算和控制,可以完成声带振动频率的测量、声带静态相位的持续观测和声带振动过程的动态慢放。通过搭建实验系统进行系统测试,验证了系统的可靠性和有效性,并最终实现了该动态成像系统对声带振动过程的实时观测。     

基于BB型对偶剖分的抛物方程有限体积元法

讨论了抛物方程基于三角形剖分和BB型对偶剖分的有限体积元法, 给出半离散及全离散有限体积元格式的最佳阶L²和H¹误 差估计.     

基于CIEF的全柱成像检测在生命分析中的应用

全柱成像检测(whole column imaging detection,WCID)是近年来发展起来的新型检测技术.它与毛细管等电聚焦(capillary isoelectric focusing,CIEF)的联用取得了很大的成功.CIEF-WCID联用技术综合了CIEF的高分辨和WCID的可提供更多信息的优势,已广泛应用在生物分子的分析和蛋白质与其配体相互作用的研究中.     

基于最小化系统功率的多小区蜂窝中继波束成形研究

为了减少小区间干扰给用户通信带来的不利影响,研究了多小区通信系统协作传输技术.提出了一种联合优化多小区基站和中继波束成形权重的迭代优化策略,在用户信干噪比限制下达到了最小化系统总功率的目标.利用半正定放松技术把上述优化问题转化为半正定规划问题,从而通过内点法得到最优解.仿真结果表明,提出的多小区基站和中继波束成形权重的迭代优化策略只需要有限的几次迭代就可达到最优的性能,并给出了在性能与基站天线和中继数目之间的折中,从而利用最少的系统资源,达到降低相邻小区用户干扰,保证用户的正常通信质量的目标.     

基于加权稀疏约束的稳健Capon波束成形性能比较

分析比较了几种加权稀疏约束的Capon自适应波束成形算法的性能,这些算法利用天线阵列增益的稀疏分布特性,存在抑制旁瓣,能降低干扰零陷,提高系统稳健性.通过仿真分析发现:相比于传统的Capon波束成形算法,稀疏Capon波束成形(SCCB)算法和加权稀疏Capon波束成形(WSCCB)算法的旁瓣和干扰零陷均有所降低,但是都存在着干扰零陷不准现象.     

基于波束形成的列车噪声源识别麦克风平面阵列性能仿真研究

麦克风阵列的几何结构形成了麦克风阵列工作时性能的基本限制,是影响噪声源识别系统性能的关键因素之一.对十字阵(37阵元)、六角阵(37阵元)、矩形阵(36阵元)在均匀加权时方向性、角度分辨率等性能进行仿真定量对比研究：十字阵具有最好的方向性为71.6 dB,六角阵具有最好的空间对称性且能抑制栅瓣;阵元数目变化时主瓣宽度的对比,表明阵元数大于100时增加阵元对改善角度分辨率作用不大;主瓣宽度与频率关系,显示随频率增加3种阵列输出信号畸变程度基本相同.     

基于非线性约束的可变对角加载自适应波束形成算法

提出了一种鲁棒波束形成算法。给出了一种基于可变角加载形式的方向图权向量形式，然后利用非线性约束条件对此权向量进行优化。新的算法可以在期望信号导引向量存在误差的情况下提供较好的输出SINR。仿真证明了新算法的有效性。