專利名稱：一種基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法。
背景技術(shù)：
在醫(yī)學(xué)超聲成像中，來自非信源方向上的回波信號引入了廣泛的圖像雜波，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降。目前，一般采用傳統(tǒng)延時(shí)疊加方法(DAQ減弱非信源方向上信號的干擾，提高信源方向上信號的強(qiáng)度。該方法對不同通道接收到的數(shù)據(jù)施以不同的延時(shí)，再將其相加， 得到期望聚焦點(diǎn)的幅值。DAS算法簡單，易實(shí)現(xiàn)，但其空間分辨率較低，成像對比度較差，對方向向量誤差敏感。為了減小旁瓣信號對成像對比度的影響，人們通常采用幅度變跡技術(shù)， 對不同的陣元施加不同的加權(quán)值(通常為Harming或Blackman函數(shù))。幅度變跡雖然壓制了旁瓣，但代價(jià)卻是增加了主瓣寬度，降低了成像的空間分辨率。產(chǎn)生問題的根源在于，用于幅度變跡的加權(quán)值都是固定的，同空間中散射點(diǎn)的分布以及接收到的數(shù)據(jù)是無關(guān)的。由此，引出了人們對自適應(yīng)波束形成的研究，希望根據(jù)接收的數(shù)據(jù)計(jì)算出動態(tài)的加權(quán)值，從而達(dá)到提高成像空間分辨率的目的。目前最常用的自適應(yīng)波束形成算法是最小方差波束形成算法(MV)。該方法是由Capon在1969年提出來的，基本思想是在無失真約束條件下在指定方位或頻率上獲得最小方差，進(jìn)而推導(dǎo)出最優(yōu)權(quán)向量。雖然Capon自適應(yīng)波束形成算法對于提高圖像的分辨率有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但是算法的穩(wěn)健性不如傳統(tǒng)的延時(shí)疊加算法，如果聚焦方向不夠精確，成像效果會嚴(yán)重下降，而且不能顯著提高圖像的對比度。綜上所述，急需發(fā)明一種能夠同時(shí)提高圖像對比度、分辨率，降低方向誤差敏感度，并且穩(wěn)健性好的波束形成算法，以全面提高超聲圖像的整體質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種能夠同時(shí)提高圖像對比度、分辨率以及波束形成算法的穩(wěn)健性，解決對方向誤差比較敏感的問題，有效克服了傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成算法穩(wěn)健性低，不能顯著提高圖像對比度等問題，全面提高了超聲圖像的整體質(zhì)量。本發(fā)明的目的是提出一種基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法；本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的一種基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法，包括以下步驟Sl 接收傳感器陣列的采樣信號；S2 對采樣信號進(jìn)行前后向平滑處理，得到樣本協(xié)方差矩陣估計(jì)；S3 對樣本協(xié)方差矩陣估計(jì)進(jìn)行對角加載，得到空間協(xié)方差矩陣估計(jì)；S4 將空間協(xié)方差矩陣估計(jì)與方向向量結(jié)合，計(jì)算得到自適應(yīng)波束形成權(quán)值；S5 對空間協(xié)方差矩陣估計(jì)進(jìn)行特征分解，構(gòu)造信號子空間；S6:將自適應(yīng)波束形成權(quán)值投影到信號子空間中，得到新的自適應(yīng)波束形成權(quán)值；S7 將新的自適應(yīng)波束形成權(quán)值對采樣信號數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，得到自適應(yīng)波束信號。進(jìn)一歩，所述步驟2中進(jìn)行前后向平滑處理前還包括對采樣信號進(jìn)行聚焦延時(shí)處 理，得到聚焦延時(shí)后的信號x(k)；所述信息x(k)表示為x(k) = [X1 (k),x2(k),... ,xM(k)], 其中，M表示傳感器陣列的陣元個(gè)數(shù)；進(jìn)一歩，所述步驟2中進(jìn)行前后向平滑處理，具體包括以下步驟S21 把M個(gè)陣元的數(shù)據(jù)分為陣元數(shù)目為L的子陣，分別計(jì)算各個(gè)子陣的相關(guān)矩陣， 然后根據(jù)以下公式來計(jì)算，得到前向協(xié)方差矩陣估計(jì)為及(ん)，
權(quán)利要求
1.一種基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于包括以下步驟51接收傳感器陣列的采樣信號；52對采樣信號進(jìn)行前后向平滑處理，得到樣本協(xié)方差矩陣估計(jì)；53對樣本協(xié)方差矩陣估計(jì)進(jìn)行對角加載，得到空間協(xié)方差矩陣估計(jì)；54將空間協(xié)方差矩陣估計(jì)與方向向量結(jié)合，計(jì)算得到自適應(yīng)波束形成權(quán)值；55對空間協(xié)方差矩陣估計(jì)進(jìn)行特征分解，構(gòu)造信號子空間；56將自適應(yīng)波束形成權(quán)值投影到信號子空間中，得到新的自適應(yīng)波束形成權(quán)值；57將新的自適應(yīng)波束形成權(quán)值對采樣信號數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，得到自適應(yīng)波束信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于 所述步驟2中進(jìn)行前后向平滑處理前還包括對采樣信號進(jìn)行聚焦延時(shí)處理，得到聚焦延時(shí)后的信號x(k)；所述信息x(k)表示為x(k) = [Xl(k)，&(k)，...，&(k)]，其中，M表示傳感器陣列的陣元個(gè)數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于 所述步驟2中進(jìn)行前后向平滑處理，得到樣本協(xié)方差矩陣估計(jì)，具體包括以下步驟521把M個(gè)陣元的數(shù)據(jù)分為陣元數(shù)目為L的子陣，分別計(jì)算各個(gè)子陣的相關(guān)矩陣，然后根據(jù)以下公式來計(jì)算，得到前向協(xié)方差矩陣估計(jì)為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于 所述步驟S3中，通過下列公式對前后向協(xié)方差矩陣進(jìn)行對角加載得到對角加載后的前后向協(xié)方差矩陣估計(jì)iu,Rdl = Rfb + γ ,其中，χ =Δ為算法加入的空間噪聲與信號功率比，trace^ik)為信號等效功率，I表示單位矩陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于 所述步驟S4中，通過以下公式來計(jì)算自適應(yīng)波束形成權(quán)值
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于 所述步驟S5中，通過以下公式對進(jìn)行特征分解可得
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于所述步驟S6中新的自適應(yīng)波束形成權(quán)值通過以下公式來計(jì)算= ESE^，其中，W1表示將自適應(yīng)波束形成權(quán)值投影到由協(xié)方差矩陣特征空間構(gòu)造的信號子空間 Es后的自適應(yīng)波束形成權(quán)值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于 所述步驟S7中，將投影后的自適應(yīng)波束形成權(quán)值對所述的聚焦延時(shí)后的采樣信號通過以下公式進(jìn)行加權(quán)求和，計(jì)算得到自適應(yīng)波束信號
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于 所述子陣陣元數(shù)目L的取值為M/2。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5中任一項(xiàng)所述的基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法，其特征在于所述對角加載因子Y中Δ的值取為1/100L，所述方向向量a為全1的矢量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于特征空間的前后向自適應(yīng)波束形成方法，涉及醫(yī)學(xué)超聲成像技術(shù)領(lǐng)域，首先對接收陣元的多路采樣信號進(jìn)行聚焦延時(shí)處理和前后向平滑處理，得到樣本協(xié)方差矩陣估計(jì)，并對其進(jìn)行對角加載后與方向向量結(jié)合，計(jì)算得到自適應(yīng)波束形成權(quán)值；然后將對角加載后的前后向協(xié)方差矩陣估計(jì)進(jìn)行特征分解，構(gòu)造信號子空間，將自適應(yīng)波束形成權(quán)值投影到該信號子空間中，得到新的自適應(yīng)波束形成權(quán)值；最后將新的自適應(yīng)波束形成權(quán)值對經(jīng)過前向平滑處理的多路數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，從而得到一路自適應(yīng)波束信號；它解決了現(xiàn)有的自適應(yīng)波束形成算法在提高圖像分辨率、對比度以及對方向誤差敏感等問題，全面提高了超聲成像的整體質(zhì)量。
文檔編號A61B8/00GK102499712SQ20111030364
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者何為, 張莉, 熊蘭, 王平, 范文政, 許琴, 鄒強(qiáng)鑫, 高陽 申請人:重慶大學(xué)