專利名稱：基于數(shù)字波形相位差的超聲相控發(fā)射細延時控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超聲相控陣技術，尤其是超聲相控陣的發(fā)射延時技術。
技術背景超聲相控陣系統(tǒng)中的關鍵數(shù)字技術主要是指波束的時空控制，采用先進 的數(shù)字電子技術和微計算機技術，對發(fā)射/接收狀態(tài)的相控波束進行精確控 制，以獲得最佳的波束特性。這些關^^數(shù)字技術有相控延時、動態(tài)聚焦、動 態(tài)孔徑、動態(tài)變跡、編碼發(fā)射、聲束形成等。超聲相控陣系統(tǒng)使用陣列換能器，并通過調(diào)整各陣元發(fā)射/接收信號的相 位延遲，可以控制合成波陣面的曲率、指向、孔徑等，達到波束聚焦、偏轉(zhuǎn)、 波束形成等多種相控效果，形成清晰的成像?？梢哉f，相控延時是相控陣技 術的核心，是多種相控效果的基礎。過去在超聲成像設備如醫(yī)用B超中， 一般使用模擬延遲線來實現(xiàn)相位延 遲，比如由LC網(wǎng)絡組成多抽頭延遲線直接對模擬信號進行延遲，用電子開關 來分段切換以獲得不同的延遲量。這種延遲方式有兩大缺點,n:①延遲量 不能精細可調(diào)，只能實現(xiàn)分段聚焦，當聚焦點很多時需要龐大的LC網(wǎng)絡和電 子開關矩陣；②由于是模擬延遲方式，電氣^t難以穩(wěn)定，延時量會發(fā)生溫 漂、時漂，波形容易被噪聲干擾。新的發(fā)展方向^數(shù)字延時來代替原來的模擬延時。數(shù)字延時的精度高、 控制方便、穩(wěn)定性好，可以大大提高相控陣超聲成像質(zhì)量。數(shù)字延時的實現(xiàn)可以分成粗延時和細延時，粗延時一般基于采樣時鐘計 數(shù)，延時值為采樣周期的整數(shù)倍，而采樣周期通常為幾十ns以上。細延時量 為采樣周期的小數(shù)倍， 一般應&!llOns以內(nèi)的延時分辨率。實現(xiàn)數(shù)字粗延時比較簡單，但是實現(xiàn)細延時比較困難。目前有幾種方法實現(xiàn)細延時 一種是流水線式采樣延遲聚焦，其延時分辨率一般大于10ns。 另一種方法是對采樣數(shù)據(jù)做時域內(nèi)插，獲得N倍密集的輸出序列從而減小量化 延時，這需要很高的運算量和存儲器支持，延時量化誤差仍然不夠小。還有 人采用坐標變換的CORDIC算法來實現(xiàn)采樣序列的相位旋轉(zhuǎn)。有人提出基于多 速率數(shù)字信號處理技術的多相濾波方法，可以實現(xiàn)5ns,細延時，并且可以 把動態(tài)變跡技術等一起考慮。還有人提出基于FIR濾波的延時方法，延時精度 可達到5ns以內(nèi)。發(fā)明內(nèi)容解決問題超聲相控陣技術的核心在于相位差(延時)的控制，多項相控 效果都以相控延時為基礎。比如，聲束的動態(tài)聚焦、偏轉(zhuǎn)，數(shù)字聲束形成等都 有賴于相控延時的實現(xiàn)，相控延時的精度直接影響到超聲相控陣系統(tǒng)的整體性 能，本發(fā)明設計了一種新穎的相位細調(diào)的方法，充分利用波形激勵方式的優(yōu)點， 采用數(shù)字波形相位差的方法實現(xiàn)相控發(fā)射細延時，來提高相控發(fā)射延時分辨率。技術方案為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明特提出以下技術方案充分利用波形激勵方式的優(yōu)點，采用數(shù)字波形相位差的方法實現(xiàn)相控發(fā)射 細延時。所謂數(shù)字波形相位差，就是不同通道的波形SRAM中存儲的同頻率數(shù)字 化波形之間的相位差。數(shù)字化波形數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成模擬激勵信號，而數(shù) 字波形相位差也就轉(zhuǎn)換為才莫擬激勵信號的相位差。技術效果提高相控發(fā)射延時分辨率，容易想到的是采用更高的延時計數(shù) 頻率。但由于受硬件速度的限制，要超過100MHz (延時分辨率為10ns)就很困 難了。采用數(shù)字波形相位差的方法實現(xiàn)相位細調(diào)，可以得到更高的延時分辨率。 理論分析和實驗證明，采用數(shù)字波形相位差的方法實5M目位細調(diào)，相位差分辨 率可達到1. 41° ，可以實現(xiàn)對應于3. 094MHz激勵頻率下的1. 25ns延時分辨率。 從而可以顯著地抑制旁瓣，提高聲束的橫向和縱向分辨力，改善成像清晰度。
具體實施方式
如圖1 (b)所示，兩個通道存儲的是同頻但不同相的正弦波數(shù)據(jù)。D/A時 鐘均為66朋z，發(fā)射延時值相同，即同時開始讀取各自波形SRAM中的數(shù)據(jù)進行 D/A轉(zhuǎn)換。但是在同一時刻下，從各自波形S國中讀出的數(shù)據(jù)卻是不一樣的， 具有一定數(shù)字相位差，這個相位差的分辨率由下述的數(shù)字正弦表的長度決定。以上是從圖形的角度直覌描述了數(shù)字波形相位差的思路，下面進行數(shù)學表 達.相控發(fā)射時，第加個和第"個陣元在某時刻的相位可表示為(l)- =份丄+仗 (2)"o為激勵信號的角頻率，^和"分別表示兩個陣元通道以各自D/A發(fā)射起始時刻為原點的時間量，^和A表示各自的數(shù)字波形初始相位。式(l)減去式 (2)，得到兩通iUl射相位差K=肌("_"+^卿一0" (3) 當&=^=0時，兩通道的波形數(shù)據(jù)完全相同，沒有數(shù)字波形相位差.這時 僅有"。(t -o形成兩通道的發(fā)射相位差，發(fā)射相位差分辨率取決于^-"的分辨 率，"和"都是以發(fā)射延時計數(shù)時鐘周期為量化單位的，系統(tǒng)中發(fā)射延時計數(shù)時鐘即為66MHz的D/A時鐘，因而f—"的分辦率為l/66M=15ns，對應于3細z激勵信號下的16. 4°發(fā)射相位差，當^-A時，兩通道的波形數(shù)據(jù)具有數(shù)字波形相位差，這時"。"—0和 A)共同形成兩通道的發(fā)射相位差.若4和P，的分辦率優(yōu)于16.4° ，則發(fā)射相位差分辨率^決于^和(或)《。


圖1為相控發(fā)射細延時示意圖.圖中對比顯示了基于時鐘和數(shù)字相位的延 遲方法，其中(a)利用時鐘延時，波形數(shù)據(jù)無相位差，(b)波形數(shù)據(jù)具有相位差
權利要求
1、一種提高相控發(fā)射延時分辨率的技術，其特征是充分利用波形激勵方式的優(yōu)點，采用數(shù)字波形相位差的方法實現(xiàn)相控發(fā)射細延時。
2、 如權利要求1所述的數(shù)字波形相位差，就是不同通道的波形SRAM 中存儲的同頻率數(shù)字化波形之間的相位差。數(shù)字化波形數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成 模擬激勵信號，而數(shù)字波形相位差也就轉(zhuǎn)換為模擬激勵信號的相位差。
全文摘要
超聲相控陣技術的核心在于相位差(延時)的控制，多項相控效果都以相控延時為基礎。比如，聲束的動態(tài)聚焦、偏轉(zhuǎn)，數(shù)字聲束形成等都有賴于相控延時的實現(xiàn)，相控延時的精度直接影響到超聲相控陣系統(tǒng)的整體性能，本發(fā)明設計了一種新穎的相位細調(diào)的方法，充分利用波形激勵方式的優(yōu)點，采用數(shù)字波形相位差的方法實現(xiàn)相控發(fā)射細延時，來提高相控發(fā)射延時分辨率。所謂數(shù)字波形相位差，就是不同通道的波形SRAM中存儲的同頻率數(shù)字化波形之間的相位差。數(shù)字化波形數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成模擬激勵信號，而數(shù)字波形相位差也就轉(zhuǎn)換為模擬激勵信號的相位差。
文檔編號G01N29/32GK101403727SQ20081010576
公開日2009年4月8日 申請日期2008年4月30日 優(yōu)先權日2008年4月30日
發(fā)明者春 彭, 波 彭, 敏 王, 勇 香 申請人:碩德(北京)科技有限公司