【技術實現步驟摘要】
基于頻域分割正交投影的合成孔徑最小方差超聲成像方法
[0001]本專利技術屬于超聲成像
，涉及一種基于頻域分割正交投影的合成孔徑最小方差超聲成像方法。
技術介紹
[0002]延時疊加算法(Delay And Sum，DAS)是超聲成像中應用最為廣泛的、最簡單的波束形成技術，它首先根據陣列陣元與探測目標幾何位置關系對接收回波進行延時量的計算，然后對延時后的數據對齊疊加。傳統DAS算法復雜度低，成像速度快，但由于其采用固定窗函數加權導致主瓣寬度增加，分辨率較低。
[0003]近年來，為了提高波束形成算法的對比度和分辨率，自適應算法被應用于超聲成像領域。其中，最小方差(Minimum Variance,MV)波束形成算法是目前使用最為廣泛的自適應算法。該方法在基于保持期望方向增益不變的前提下，使陣列輸出能量達到最小，從而進行空域濾波。通過動態計算聚焦延時信號的加權矢量，對信號進行加權求和，可以提高圖像分辨率，然而該算法的缺點是穩健性大幅度下降，易造成期望信號相消，這在信噪比較低的情況下對圖像質量有較大影響，并且在對比度上存在明顯不足。
[0004]因此，在最小方差算法的基礎上算法分辨率、對比度和魯棒性都還有很大的提升空間。后續學者利用短時傅里葉變換方法將超聲信號引入頻域進行處理，提出頻域分割最小方差波束形成算法(Minimum Variance Based on Frequency Domain Segmentation,FDSMV)，雖然一定程度上改善了算法分辨率，但是頻域類算法性能仍然存在進一步提...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種基于頻域分割正交投影的合成孔徑最小方差超聲成像方法，其特征在于：包括以下步驟：S1：在合成孔徑成像模式下對超聲陣元接收的采樣信號進行延時處理，以獲得超聲回波信號；S2：選取適合超聲回波信號的頻域分段長度，同時利用短時傅里葉變換將超聲回波信號轉換為頻域的子頻帶信號；S3：對超聲回波的子頻帶信號依次進行子陣空間平滑、對角加載處理，得到子頻帶下的樣本協方差矩陣；S4：對子頻帶下的各個時頻點樣本協方差矩陣進行特征空間分解，得到當前子頻帶下的時頻信號子空間；S5：引入與頻域方向向量最強相關的特征矢量進行空間補償，得到時頻正交投影子空間；S6：依據最小方差波束形成器原理計算出各個子頻帶下的波束形成器輸出權值；S7：將子頻帶最小方差波束形成器權值投影到時頻正交投影子空間中，得到頻域正交投影最小方差波束形成器的頻域權值，進而得到波束形成器的頻域輸出；S8：利用快速傅里葉逆變換將所述波束形成器的頻域輸出值轉換為時域輸出值，依次得到低分辨率圖像，再將每次獲得的低分辨率圖像進行合成，獲得最終的高分辨率成像結果。2.根據權利要求1所述的基于頻域分割正交投影的合成孔徑最小方差超聲成像方法，其特征在于：所述步驟S2具體包括以下步驟：S21：利用短時傅里葉變換對超聲回波信號x(k)進行頻域分割，過程如下式所示：其中，x(k)表示超聲回波時域信號，x(k)表示為x(k)＝[x1(k),x2(k),
…
,x
N
(k)]，其中N表示超聲陣列的陣元個數，x1(k)表示1號陣元的回波信號，k表示為對應采樣深度的采樣時刻；z(k)表示窗長和短時傅里葉變換點數均為64且無信號重疊的hanning窗，S(h,ω)表示x(k)信號在時頻域中的對應數值，h表示時間序號，ω表示在分段序號h下的頻域序號，i表示虛數單位，e表示自然常數，約等于2.71828；S22：基于步驟S21，將每個傳感器陣元的超聲回波信號依次轉換為若干個獨立的等間隔子頻帶信號，第n個孔徑上的第m段窄帶的子信號SP
n(m)
表達式為：SP
n(m)
＝[S
n
(m,1),S
n
(m,2),...,S
n
(m,ω),...,S
n
(m,W
?
1),S
n
(m,W)]其中，m＝1,2,
…
,M，M表示該孔徑信號一共被劃分的段數；ω表示在分段序號m下的頻域序號，ω＝1,2,
…
,W，W是各個子頻帶信號的長度；M
×
W表示孔徑信號在時域中的總長度，S
n
(m,ω)表示第n個孔徑在時頻域中的點(m,ω)處的信號幅值。3.根據權利要求1所述的基于頻域分割正交投影的合成孔徑最小方差超聲成像方法，其特征在于：步驟S3具體包括以下步驟：S31：提取每個時頻點的陣列信息，時頻點(m,ω)的陣列信號XS(m,ω)表示為：XS(m,ω)＝[S1(m,ω),S2(m,ω)
…
,S
N
(m,ω)]S32：對各個時頻點陣列信息進行子陣劃分，并基于子陣劃分之后的陣列信息構造頻域
樣本協方差矩陣RS(m,ω)：其中XS
l
(m,ω)＝[S
l
(m,ω),S
l+1
(m,ω),...,S
l+L
?1(m,ω)]表示第l個子陣的頻域前向平滑向量，l＝1,2,
…
,N
?
L+1，N表示超聲陣列的總長度，L表示超聲陣列的子陣長度，XS
l
(m,ω)
H
為XS
l
(m,ω)的共軛轉置；S33：對頻域樣本協方差矩陣RS(m,ω)進行對角加載處理，得到對角加載后的協方差矩陣如下：其中，η＝trace(RS(m,ω))
·
α，trace(RS(m,ω))為信號的等效功率，trace(
·
)是求矩陣跡的函數，η為空間噪聲與信號功率之比，I為單位矩陣。4.根據權利要求1所述的基于頻域分割正交投影的合成孔徑最小方差超聲成像方法，其特征在于：步驟S4中，通過下式得到當前子頻帶下的時頻信號子空間：其中，FE
s
(m,w)＝[fe1,fe2,...fe
i
,...,fe
γ
]和FE
n
(m,w)＝[fe
γ+1
,fe
γ+2
,...fe
i
,...,fe
L
]分別表示時頻點(m,ω)處的回波頻域樣本協方差矩陣的信號子空間和噪聲子空間，fe
i
為頻域樣本協方差矩陣的特征向量；λ
i
表示頻域樣本協方差矩陣的特征值，FΛ
s
(m,w)＝[λ1,λ2,...,λ
i
,...,λ
γ
]表示信號子空...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李錫濤，王平，李倩文，羅大海，周洪斌，沈悅，陳靖翰，何理，王利華，武超，閻鑫龍，曾靜雅，梁家祺，王慧悅，
申請(專利權)人：重慶草街航運電力開發有限公司重慶慕士塔格能源管理有限公司，
類型：發明
國別省市：
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