基于频域广义旁瓣相消和维纳后置滤波的超声成像方法

技术特征：
1.一种基于频域广义旁瓣相消和维纳后置滤波的超声成像方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：s1：对阵元接收的采样信号进行延时处理，以获得超声回波信号；s2：选取适合超声回波信号的频域分段长度，同时利用短时傅里叶变换将超声回波信号转换为频域的窄带子信号，即子频带的超声回波数据；s3：对子频带的超声回波数据依次进行处理，得到子频带下的频域样本协方差矩阵；s4：根据广义旁瓣相消原理计算出各个子频带下的波束形成权值；s5：根据子频带下的频域广义旁瓣相消器的波束形成权值设计相应的维纳后置滤波器，求取维纳滤波器系数；s6：将子频带下的频域广义旁瓣相消器的波束形成权值与其后置滤波器系数相乘，得到最终的复合权矢量；s7：利用复合权矢量对频域下的回波数据进行加权求和，得到波束形成器的频域输出；s8：利用快速傅里叶逆变换将波束形成器的频域输出值转换为时域输出值，得出最终时域的波束形成输出并进行成像。2.根据权利要求l所述的基于频域广义旁瓣相消和维纳后置滤波的超声成像方法，其特征在于，步骤s2中，获取子频带的超声回波数据，具体包括以下步骤：s21：利用短时傅里叶变换对超声回波信号x(k)进行频域分割，过程如下式所示：其中，z(k)表示窗长和短时傅里叶变换点数均为64且无信号重叠的hanning窗，x(k)表示超声回波时域信号，s(m，ω)表示信号x(k)在时频域中的对应数值，m表示分段序号，ω表示在分段序号m下的频域序号，k表示采样时刻，k表示采样时刻总数，i表示虚数单位，e表示指数；s22：将每个传感器阵元的超声回波信号依次转换为若干个独立的等间隔窄带子信号，第n个孔径上的第m段窄带的子信号s
n
(m，ω)表达式为：s
n
(m，ω)＝[s
n
(m，1)，...，s
n
(m，w-1)，s
n
(m，w)|其中，m＝1，2，...，m，m表示第n个孔径信号一共被划分的段数；ω＝1，2，...，w，w表示各个窄子带信号的长度；m
×
w表示孔径信号在时域中的总长度，s
n
(m，ω)表示第n个孔径在时频点(m，ω)处的信号幅值。3.根据权利要求2所述的基于频域广义旁瓣相消和维纳后置滤波的超声成像方法，其特征在于，步骤s3中，得到子频带下的样本协方差矩阵，具体包括以下步骤：s31：提取每个时频点的阵列信息，时频点(m，ω)的阵列信号x(m，ω)表示为：x(m，ω)＝[s1(m，ω)，s2(m，ω)...，s
n
(m，ω)]s32：对各个时频点阵列信号进行子阵划分，并基于子阵划分之后的阵列信号进行构造频域样本协方差矩阵r(m，ω)：其中，x
l
(m，ω)＝[s
l
(m，ω)，s
l 1
(m，ω)，...，s
l l-1
(m，ω)]表示第l个子阵的频域前向平滑向量，并且l＝(1，2，...，n-l 1)，n表示超声阵列总长度，l表示子阵列长度；x
l
(m，ω)
h
为x
l
(m，ω)的共轭转置；s33：对频域样本协方差矩阵r(m，ω)进行对角加载处理，得到对角加载后的协方差矩阵表达式：其中，β＝trace(r(m，ω))
·
δ，trace(r(m，ω))为信号的等效功率，trace(
·
)是求矩阵迹的函数，δ为空间噪声与信号功率之比，r0为单位矩阵。4.根据权利要求3所述的基于频域广义旁瓣相消和维纳后置滤波的超声成像方法，其特征在于，步骤s4具体包括：根据广义旁瓣相消原理计算出各个时频点(m，ω)下的波束形成权值，表达式为：w
fds-gsc
(m，ω)＝w
sq
(m，ω)-bw
sa
(m，ω)其中，w
fds-gsc
(m，ω)表示子频带广义旁瓣相消器在时频点(m，ω)的波束形成权值，w
sq
(m，ω)为子频带广义旁瓣相消器在时频点(m，ω)的主支路的非自适应权矢量，w
sa
(m，ω)为子频带广义旁瓣相消器在时频点(m，ω)辅助支路的自适应权矢量；其中，w
sq
与w
sa
的关系为：其中，b
h
为阻塞矩阵b的共轭转置，为对角加载后的频域估计样本协方差矩阵，(
·
)-1
表示矩阵求逆运算。5.根据权利要求1所述的基于频域广义旁瓣相消和维纳后置滤波的超声成像方法，其特征在于，步骤s5具体包括：将子频带下的广义旁瓣相消器的输出作为时频点(m，ω)期望信号的估计值，设计相应的维纳后置滤波器，得到基于子频带广义旁瓣相消器的频域维纳后置滤波器系数h
fdsgsc-wiener
，表达式为：其中，w
fds-gsc
为子频带广义旁瓣相消器的波束形成权值，为w
fds-gsc
的共轭转置，s
n
(m，ω)为时频点(m，ω)下第n个孔径的超声频域信号，为s
n
(m，ω)的共轭转置。6.根据权利要求1所述的基于频域广义旁瓣相消和维纳后置滤波的超声成像方法，其特征在于，步骤s6具体包括：将子频带广义旁瓣相消器的波束形成权值与其后置滤波器权值相乘，得到最终的复合权值w
fdsgsc-wiener
，表达式为：w
fdsgsc-wiener
＝h
fdsgsc-wiener
w
fds-gsc
其中，w
fdsgsc-wiener
表示频域广义旁瓣相消器结合维纳后置滤波器的复合权值；h
fdsgsc-wiener
表示基于频域的广义旁瓣相消器的频域维纳后置滤波器系数，w
fds-gsc
表示子频带广义旁瓣相消器的波束形成权值。7.根据权利要求1所述的基于频域广义旁瓣相消和维纳后置滤波的超声成像方法，其特征在于，步骤s7中，得到波束形成器的频域输出的表达式为：
其中，y
fdsgsc-wiener
(m，ω)表示融合维纳后置滤波器的子频带超声广义旁瓣相消波束形成器在时频域点(m，ω)的频域输出值，w
fdsgsc-wiener
表示频域广义旁瓣相消器结合维纳后置滤波器的复合权值，表示w
fdsgsc-wiener
的共轭转置；x
l
(m，ω)表示第l个子阵在时频域点(m，ω)上的频域数据；n表示超声阵列总长度，l表示子阵列长度。8.根据权利要求1所述的基于频域广义旁瓣相消和维纳后置滤波的超声成像方法，其特征在于，步骤s8中，得到最终时域波束形成输出的表达式为：其中，y
fdsgsc-wiener
(k)表示融合维纳后置滤波器的子频带超声广义旁瓣相消波束形成器在采样时刻k下的时域输出值；istft(
·
)表示短时傅里叶逆变换，y
fdsgsc-wiener
(m，ω)表示融合维纳后置滤波器的子频带超声广义旁瓣相消波束形成器在时频域点(m，ω)的频域输出值。

技术总结
本发明涉及一种基于频域广义旁瓣相消和维纳后置滤波的超声成像方法，属于超声成像技术领域；该方法包括：对采样信号进行延时处理，获得超声回波信号，并将其转换为子频带的超声回波数据，再进行空时平滑和对角加载处理，得到子频带下的频域样本协方差矩阵；根据广义旁瓣相消原理计算出各个子频带下的波束形成权值；根据波束形成权值设计相应的维纳后置滤波器，求取维纳滤波器系数；将波束形成权值与其后置滤波器系数相乘，得到最终的复合权矢量，然后对频域下的回波数据加权求和，得到波束形成器的频域输出；将波束形成器的频域输出值转换到时域，并进行后续成像处理；本发明能够显著提高超声图像的成像分辨率和对比度。著提高超声图像的成像分辨率和对比度。著提高超声图像的成像分辨率和对比度。


技术研发人员：李锡涛 王平 李倩文 李剑 沈悦 武超 阎鑫龙 陈靖翰 曾静雅
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2022/6/21