一种超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理方法及装置

摘要

本发明实施例公开了一种超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理方法及装置，该方法包括：对接收的超声回波信号进行波束合成，获取合成信号；对所述合成信号进行频谱搬移，获取频谱搬移信号；对所述频谱搬移信号进行低通滤波，获取低频分量信号；对所述低频分量信号进行K倍降采样，获取降采样后信号，所述K为大于2的整数；对所述降采样信号进行脉冲压缩和取模运算，获取用于成像的扫描线数据；采用本发明的方法及装置，可有效减小脉冲压缩环节的运算量，进而提高整个超声回波信号处理环节的运算效率。

说明书

技术领域

本发明涉及超声成像技术领域，特别是涉及一种超声回波信号的脉冲压缩与正交解 调处理方法及装置。

背景技术

在传统的超声成像中，发射脉冲一般采用短脉冲信号，但是受到医用超声安全剂量 的限制，所发射的超声波的能量均较弱，经人体组织衰减反射后，所得到的超声回波信 号较弱，成像效果较差。

目前，为了提高超声成像的质量，一般采用编码激励技术。所谓编码激励技术，是 指在超声波的发射模式下对发射信号进行编码激励，在接收模块下，对超声回波信号进 行处理，以提取有用信号并去除噪声干扰。采用编码激励技术，可有效提高超声成像的 信噪比、信号穿透力和纵向分辨率等，从而有效提高超声成像的质量。在现有技术中， 一般采用如下方法，对超声编码回波信号进行处理：首先对接收的编码回波信号进行波 束合成，然后进行脉冲压缩、频谱搬移和低通滤波，再然后进行K倍降采样和取模，即 可获得用于成像的扫描线数据。

但是，由于上述脉冲压缩环节置于K倍降采样环节之前，这将大大增加脉冲压缩环 节的运算量，从而增加整个超声回波信号处理环节的运算量，大幅度降低了成像系统的 实时性。

发明内容

本发明实施例中提供了一种超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理方法及装置， 以减小脉冲压缩环节的运算量，进而减小整个超声回波信号处理环节的工作量。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

一种超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理方法，包括：

对接收的超声回波信号进行波束合成，获取波束合成信号；

对所述波束合成信号进行频谱搬移，获取频谱搬移信号；

对所述频谱搬移信号进行低通滤波，获取低频分量信号；

对所述低频分量信号进行K倍降采样，获取采样信号,所述K为大于2的整数；

对所述降采样信号进行脉冲压缩，获取脉冲压缩信号；

对所述脉冲压缩信号进行取模运算，获取用于成像的扫描线数据。

优选的，所述频谱搬移信号包括第一频谱搬移信号和第二频谱搬移信号，所述对波 束合成信号进行频谱搬移，获取频谱搬移信号，包括：

将所述波束合成信号r[n]分别与cos[2πf₀n]和-sin[2πf₀n]相乘，以获取所述第一频谱 搬移信号和第二频谱搬移信号；所述f₀为所述波束合成信号的中心频率，所述n为整数。

优选的，所述低频分量信号包括第一低频分量信号和第二低频分量信号，所述对频 谱搬移信号进行低通滤波，获取低频分量信号，包括：

对所述第一频谱搬移信号进行低通滤波，以获取所述第一低频分量信号I[n]；

对所述第二频谱搬移信号进行低通滤波，以获取所述第二低频分量信号Q[n]。

优选的，所述采样信号包括第一采样信号和第二采样信号，所述对低频分量信号进 行K倍降采样，获取采样信号，包括：

对所述I[n]进行K倍降采样，以获取所述第一采样信号I_K[n]；

对所述Q[n]进行K倍降采样，以获取所述第二采样信号Q_K[n]。

优选的，所述对采样信号进行脉冲压缩，获取脉冲压缩信号，包括：

利用公式I′_Kc[n]+jQ′_Kc[n]＝(I_K[n]+jQ_K[n])*(c_BK[n])对所述采样信号的同相分量I_K[n]和正交分 量Q_K[n]进行脉冲压缩，获取脉冲压缩信号的同相分量I′_Kc[n]和正交分量Q′_Kc[n]；所述c_BK[n]为 脉冲压缩滤波函数，所述所述I_BK[n]为脉冲压缩滤波器 的同相分量，所述Q_BK[n]为脉冲压缩滤波器的正交分量，所述LPF表示低通滤波，所述↓K 表示K倍降采样，所述c[n]表示脉冲压缩滤波函数。

一种超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理装置，包括：

波束合成模块，用于对接收的超声回波信号进行波束合成，获取波束合成信号；

频谱搬移模块，用于对所述波束合成信号进行频谱搬移，获取频谱搬移信号；

低通滤波模块，用于对所述频谱搬移信号进行低通滤波，获取低频分量信号；

降采样模块，用于对所述低频分量信号进行K倍降采样，获取采样信号，所述K 为大于2的整数；

脉冲压缩模块，用于对所述采样信号进行脉冲压缩，获取脉冲压缩信号；

取模运算模块，用于对所述脉冲压缩信号进行取模运算，获取成像的扫描线数据。

优选的，所述频谱搬移信号包括第一频谱搬移信号和第二频谱搬移信号，所述频谱 搬移模块包括：

第一频谱搬移单元，用于将所述波束合成信号r[n]与cos[2πf₀n]相乘，以获取所述第 一频谱搬移信号，所述f₀为所述波束合成信号的中心频率，所述n为整数；

第二频谱搬移单元，用于将所述波束合成信号r[n]与-sin[2πf₀n]相乘，以获取所述 第二频谱搬移信号。

优选的，所述低频分量信号包括第一低频分量信号和第二低频分量信号，所述低通 滤波模块，包括：

第一低通滤波单元，用于对所述第一频谱搬移信号进行低通滤波，以获取所述第一 低频分量信号I[n]；

第二低通滤波单元，用于对所述第二频谱搬移信号进行低通滤波，以获取所述第二 低频分量信号Q[n]。

优选的，所述采样信号包括第一采样信号和第二采样信号，所述降采样模块，包括：

第一降采样单元，用于对所述I[n]进行K倍降采样，以获取所述第一采样信号I_K[n]；

第二降采样单元，用于对所述Q[n]进行K倍降采样，以获取所述第二采样信号 Q_K[n]。

优选的，所述脉冲压缩模块，包括：

脉冲压缩单元，用于利用公式I′_Kc[n]+jQ′_Kc[n]＝(I_K[n]+jQ_K[n])*(c_BK[n])对所述采样信号的同 相分量I_K[n]和正交分量Q_K[n]进行脉冲压缩，获得压缩信号的同相分量I′_Kc[n]和正交分量 Q′_Kc[n]；所述c_BK[n]为复基带压缩滤波函数，所述所述I_BK[n] 为压缩滤波器的同相分量，所述Q_BK[n]为压缩滤波器的正交分量，所述LPF表示低通滤波， 所述↓K表示K倍降采样，所述c[n]表示传统脉冲压缩滤波函数。

本发明的有益效果包括：假设采样点个数为N，压缩滤波系数为M，采用现有技术 中的超声回波信号的脉冲压缩和正交解调处理方法，脉冲压缩环节的运算量为N·M次乘 法运算，而由于本发明的K倍降采样环节置于脉冲压缩环节之前，因此采样点个数变为 N/K，压缩滤波系数变为M/K，脉冲压缩环节的运算量变为4N·M/K²次乘法运算(4表 示需进行4次卷积运算)，K为大于2的整数，因此可见，采用本发明的方法及装置，可 减小脉冲压缩环节的运算量，进而减小了整个超声回波信号处理环节的运算量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有 技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而 言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的超声回波信号的脉冲压缩和正交解调处理方法的一流程 示意图；

图2为本发明实施例提供的超声回波信号的脉冲压缩和正交解调处理方法的另一流 程示意图；

图3为传统的超声回波信号的脉冲压缩和正交解调处理方法的一流程示意图；

图4为本发明实施例提供的超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理装置的一结构 示意图；

图5为本发明实施例提供的超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理装置的另一结 构示意图；

图6为本发明实施例提供的超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理装置的又一结 构示意图；

图7为本发明实施例提供的超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理装置的另一结 构示意图；

图8为本发明实施例提供的超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理装置的又一结 构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理方法及装置，以减 小脉冲压缩环节的运算量，从而减小整个超声回波信号处理环节的运算量。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施 例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实 施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领 域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本 发明保护的范围。

首先对本发明实施例的超声回波信号的脉冲压缩和正交解调处理方法进行说明，如 图1所示，至少包括以下步骤：

S11：对接收的超声回波信号进行波束合成，获取波束合成信号；

S12：对所述波束合成信号进行频谱搬移，获取频谱搬移信号；

S13：对所述频谱搬移信号进行低通滤波，获取低频分量信号；

其中，所述低频分量信号的特性与超声波束合成信号的特性一致；

S14：对所述低频分量信号进行K倍降采样，获取采样信号，所述K为大于2的整 数；

S15：对所述采样信号进行脉冲压缩，获取脉冲压缩信号；

S16：对所述脉冲压缩信号进行取模运算，获取成像的超声扫描线数据。

在本发明实施例中，假设采样点个数为N，压缩滤波系数为M，采用现有技术中的 超声回波信号的脉冲压缩和正交解调处理方法，脉冲压缩环节的运算量为N·M次乘法运 算，而由于本发明的K倍降采样环节置于脉冲压缩环节之前，因此采样点个数变为N/K, 压缩滤波系数变为M/K，脉冲压缩环节的运算量变为4N·M/K²次乘法运算(4表示需进 行4次卷积运算)，K为大于2的整数，因此可见，采用本发明的处理方法，可减小脉冲 压缩环节的运算量，进而减小了整个超声回波信号处理环节的运算量。

在本发明的另一可行实施例中，对超声回波信号的脉冲压缩与正交解调整个处理过 程，如图2所示：

其中，所述频谱搬移信号包括第一频谱搬移信号和第二频谱搬移信号，上述所有实 施例中的步骤S12可具体为：

将所述波束合成信号r[n]分别与cos[2πf₀n]和-sin[2πf₀n]相乘，以获取第一频谱搬移 信号和第二频谱搬移信号；所述f₀表示所述合成信号的中心频率，所述n为整数。

其中，所述低频分量信号包括第一低频分量信号和第二低频分量信号，上述所有实 施例中的步骤S13可具体为：

对所述第一频谱搬移信号进行低通滤波，以获取第一低频分量信号I[n]；

对所述第二频谱搬移信号进行低通滤波，以获取第二低频分量信号Q[n]；

其中，所述采样信号包括第一采样信号和第二采样信号，上述所有实施例中的步骤 S14可具体为：

对所述I[n]进行K倍降采样，以获取第一采样信号I_K[n]；

对所述Q[n]进行K倍降采样，以获取第二采样信号Q_K[n]。

在本发明实施例中，采样频率通常大于4f₀。

在本发明实施例中，上述所有实施例中的步骤S15可具体包括：

利用公式I′_Kc[n]+jQ′_Kc[n]＝(I_K[n]+jQ_K[n])*(c_BK[n])对所述采样信号的同相分量I_K[n]和正交分 量Q_K[n]进行脉冲压缩，获得压缩信号的同相分量I′_Kc[n]和正交分量Q′_Kc[n]；所述c_BK[n]为复基 带压缩滤波函数，所述所述I_BK[n]为压缩滤波器的同相 分量，所述Q_BK[n]为压缩滤波器的正交分量，所述LPF表示低通滤波，所述↓K表示K倍 降采样，所述c[n]表示传统脉冲压缩滤波函数。

由于$\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Kc}}^{\prime }\left[n\right]+j{Q}_{\mathrm{Kc}}^{\prime }\left[n\right]=\left(I_K\right[n]+j{Q}_K[n\left]\right)*\left(c_{\mathrm{BK}}\right[n\left]\right)\\ =\left(I_K\right[n]+j{Q}_K[n\left]\right)*\left(I_{\mathrm{BK}}\right[n]+j{Q}_{\mathrm{BK}}[n\left]\right)\\ =\left(I_K\right[n]*I_{\mathrm{BK}}[n]-Q_K[n]*Q_{\mathrm{BK}}[n\left]\right)+j\left(I_K\right[n]*Q_{\mathrm{BK}}[n]+Q_K[n]*I_{\mathrm{BK}}[n\left]\right)\end{array}\right),$可见，在本发明实施例中， 脉冲压缩需要4次卷积运算，而输入信号(I_K[n]和Q_K[n])以及压缩滤波系数c_BK[n]已进行了K 倍降采样，此时脉冲压缩的运算总量降为原脉冲压缩运算总量的K²/4倍。由于在实际应 用中，采样因子K总大于2，采用本发明的方法，脉冲压缩的运算量将小于现有技术中 脉冲压缩的运算量，且成平方律变化。但在实际应用中，K不能一味增大，否则成像效 果也会逐渐下降。根据采样定理，降采样率最大为f_s/2f₀＝10倍。

在现有技术中，对超声回波信号的整个处理过程，可如图3所示，可见， (公式1)，r[n]代表超声回波信号的数字量，c[n]为传统 脉冲压缩滤波函数。

根据离散卷积定义$x\left[n\right]*y\left[n\right]=\underset{i=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}x\left[i\right]·y[n-i],$可得

$\left(\begin{array}{c}\left(r\right[n]·e^{-j2\pi f_{0}n})*\left(c\right[n]·e^{-j2\pi f_{0}n})\\ =\underset{i=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}r\left[i\right]e^{-j2\pi f_{0}i}·c[n-i]e^{-j2\pi f_0(n-i)}\\ =\underset{i=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}r\left[i\right]·c[n-i]·e^{-j2\pi f_0(i+n-i)}\\ =\left(\underset{i=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}r\right[i\left]c\right[n-i\left]\right)·e^{-j2\pi f_{0}n}\\ =\left(r\right[n]*c[n\left]\right)·e^{-j2\pi f_{0}n}\end{array}\right)$  (公式2)

将公式2代入公式1中可得：

$\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Kc}}+j{Q}_{\mathrm{Kc}}\\ =\mathrm{LPF}{[\left(r\right[n]·e^{-j2\pi f_{0}n})*\left(c\right[n]·e^{-j2\pi f_{0}n})]}_{\downarrow K}\\ \approx \mathrm{LPF}{\left(r\right[n]·e^{-j2\pi f_{0}n})}_{\downarrow K}*\mathrm{LPF}{\left(c\right[n]·e^{-j2\pi f_{0}n})}_{\downarrow K}\\ =(I_K+{\mathrm{jQ}}_K)*(I_{\mathrm{BK}}+j{Q}_{\mathrm{BK}})\\ =I_{\mathrm{Kc}}^{\prime }+j{Q}_{\mathrm{Kc}}^{\prime }\end{array}\right)$

由上可见，本发明的处理方法与传统的处理方法相比，误差只产生在低通滤波环节 与卷积环节，其它环节都是等效的。因此，本发明的方法与传统方法所生在的扫描线数 据相当，即成像效果相当，但本发明的运算量远低于传统方法。

需要说明的是，本发明的方法不仅完整地保留编码信号各项特性，克服了传统超声 成像在图像信噪比、纵向分辨率等方面缺陷，同时极大地降低了编码激励技术的运算复 杂度，并且还能通过改变降采样因子K对运算量动态调整。因此，本发明方法可以有效 降低滤波器阶数，降低超声硬件系统的成本，对于提高超声系统的实时性具有重要的参 考价值。

通过以上的方法实施例的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借 助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者 是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出 贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中， 包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等) 执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：只读存储 器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

与上述方法相对应的，本发明还提出了一种超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处 理装置，如图4所示，至少包括：

波束合成模块41，用于对接收的超声回波信号进行波束合成，获取波束合成信号；

频谱搬移模块42，用于对所述波束合成信号进行频谱搬移，获取频谱搬移信号；

低通滤波模块43，用于对所述频谱搬移信号进行低通滤波，获取低频分量信号；

降采样模块44，用于对所述低频分量信号进行K倍降采样，获取采样信号；

脉冲压缩模块45，用于对所述采样信号进行脉冲压缩，获取脉冲压缩信号；

取模运算模块46，用于对所述脉冲压缩信号进行取模运算，获取成像的扫描线数据。

假设采样点个数为N，压缩滤波系数为M，采用现有技术中的超声回波信号的脉冲 压缩和正交解调处理方法，脉冲压缩环节的运算量为N·M次乘法运算，而由于本发明的 K倍降采样环节置于脉冲压缩环节之前，因此采样点个数变为N/K，压缩滤波系数变为 M/K，脉冲压缩环节的运算量变为4N·M/K²次乘法运算(4表示需进行4次卷积运算)， K为大于2的整数，因此可见，采用本发明的装置，可减小脉冲压缩环节的运算量，进 而减小了整个超声回波信号处理环节的运算量。

在本发明的其它可行实施例中，上述所有实施例中的频谱搬移信号包括第一频谱搬 移信号和第二频谱搬移信号，如图5所示，频谱搬移模块42包括：

第一频谱搬移单元51，用于将所述合成信号r[n]与cos[2πf₀n]相乘，以获取第一频 谱搬移信号，所述f₀表示所述合成信号的中心频率，所述n为整数；

第二频谱搬移单元52，用于将所述合成信号r[n]与-sin[2πf₀n]相乘，以获取第二频 谱搬移信号。

在本发明的其它可行实施例中，所述低频分量信号包括第一低频分量信号和第二低 频分量信号，如图6所示，低通滤波模块43，包括：

第一低通滤波单元61，用于对所述第一频谱搬移信号进行低通滤波，以获取第一低 频分量信号I[n]；

第二低通滤波单元62，用于对所述第二频谱搬移信号进行低通滤波，以获取第二低 频分量信号Q[n]。

在本发明的其它可行实施例中，所述采样信号包括第一采样信号和第二采样信号， 如图7所示，降采样模块44，包括：

第一降采样单元71，用于对所述I[n]进行K倍降采样，以获取第一采样信号I_K[n]；

第二降采样单元72，用于对所述Q[n]进行K倍降采样，以获取第二采样信号Q_K[n]。

在本发明的其它可行实施例中，如图8所示，脉冲压缩模块45，包括：

脉冲压缩单元81，用于利用公式I′_Kc[n]+jQ′_Kc[n]＝(I_K[n]+jQ_K[n])*(c_BK[n])对所述采样信号的 同相分量I_K[n]和正交分量Q_K[n]进行脉冲压缩，获得压缩信号的同相分量I′_Kc[n]和正交分量 Q′_Kc[n]；所述c_BK[n]为脉冲压缩滤波函数，所述所述I_BK[n] 为压缩滤波器的同相分量，所述Q_BK[n]为压缩滤波器的正交分量，所述LPF表示低通滤波， 所述↓K表示K倍降采样，所述c[n]表示传统脉冲压缩滤波函数。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个 实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之 间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体 意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅 包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、 物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的 要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一 般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发 明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点 相一致的最宽的范围。