CN101403727A - 基于数字波形相位差的超声相控发射细延时控制方法 - Google Patents
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Abstract
超声相控阵技术的核心在于相位差(延时)的控制，多项相控效果都以相控延时为基础。比如，声束的动态聚焦、偏转，数字声束形成等都有赖于相控延时的实现，相控延时的精度直接影响到超声相控阵系统的整体性能，本发明设计了一种新颖的相位细调的方法，充分利用波形激励方式的优点，采用数字波形相位差的方法实现相控发射细延时，来提高相控发射延时分辨率。所谓数字波形相位差，就是不同通道的波形SRAM中存储的同频率数字化波形之间的相位差。数字化波形数据经D/A转换后变成模拟激励信号，而数字波形相位差也就转换为模拟激励信号的相位差。
Description
技术领域
本发明涉及超声相控阵技术，尤其是超声相控阵的发射延时技术。
背景技术
超声相控阵系统中的关键数字技术主要是指波束的时空控制，采用先进的数字电子技术和微计算机技术，对发射/接收状态的相控波束进行精确控制，以获得最佳的波束特性。这些关键数字技术有相控延时、动态聚焦、动态孔径、动态变迹、编码发射、声束形成等。
超声相控阵系统使用阵列换能器，并通过调整各阵元发射/接收信号的相位延迟，可以控制合成波阵面的曲率、指向、孔径等，达到波束聚焦、偏转、波束形成等多种相控效果，形成清晰的成像。可以说，相控延时是相控阵技术的核心，是多种相控效果的基础。
过去在超声成像设备如医用B超中，一般使用模拟延迟线来实现相位延迟，比如由LC网络组成多抽头延迟线直接对模拟信号进行延迟，用电子开关来分段切换以获得不同的延迟量。这种延迟方式有两大缺点[65-67]：①延迟量不能精细可调，只能实现分段聚焦，当聚焦点很多时需要庞大的LC网络和电子开关矩阵；②由于是模拟延迟方式，电气参数难以稳定，延时量会发生温漂、时漂，波形容易被噪声干扰。
新的发展方向是用数字延时来代替原来的模拟延时。数字延时的精度高、控制方便、稳定性好，可以大大提高相控阵超声成像质量。
数字延时的实现可以分成粗延时和细延时，粗延时一般基于采样时钟计数，延时值为采样周期的整数倍，而采样周期通常为几十ns以上。细延时量为采样周期的小数倍，一般应达到10ns以内的延时分辨率。
实现数字粗延时比较简单，但是实现细延时比较困难。目前有几种方法实现细延时：一种是流水线式采样延迟聚焦，其延时分辨率一般大于10ns。另一种方法是对采样数据做时域内插，获得N倍密集的输出序列从而减小量化延时，这需要很高的运算量和存储器支持，延时量化误差仍然不够小。还有人采用坐标变换的CORDIC算法来实现采样序列的相位旋转。有人提出基于多速率数字信号处理技术的多相滤波方法，可以实现5ns级精细延时，并且可以把动态变迹技术等一起考虑。还有人提出基于FIR滤波的延时方法，延时精度可达到5ns以内。
发明内容
解决问题：超声相控阵技术的核心在于相位差(延时)的控制，多项相控效果都以相控延时为基础。比如，声束的动态聚焦、偏转，数字声束形成等都有赖于相控延时的实现，相控延时的精度直接影响到超声相控阵系统的整体性能，本发明设计了一种新颖的相位细调的方法，充分利用波形激励方式的优点，采用数字波形相位差的方法实现相控发射细延时，来提高相控发射延时分辨率。
技术方案：为实现以上目的，本发明特提出以下技术方案：
充分利用波形激励方式的优点，采用数字波形相位差的方法实现相控发射细延时。所谓数字波形相位差，就是不同通道的波形SRAM中存储的同频率数字化波形之间的相位差。数字化波形数据经D/A转换后变成模拟激励信号，而数字波形相位差也就转换为模拟激励信号的相位差。
技术效果：提高相控发射延时分辨率，容易想到的是采用更高的延时计数频率。但由于受硬件速度的限制，要超过100MHz(延时分辨率为10ns)就很困难了。采用数字波形相位差的方法实现相位细调，可以得到更高的延时分辨率。理论分析和实验证明，采用数字波形相位差的方法实现相位细调，相位差分辨率可达到1.41°，可以实现对应于3.094MHz激励频率下的1.25ns延时分辨率。从而可以显著地抑制旁瓣，提高声束的横向和纵向分辨力，改善成像清晰度。
具体实施方式
如图1(b)所示，两个通道存储的是同频但不同相的正弦波数据。D/A时钟均为66MHz，发射延时值相同，即同时开始读取各自波形SRAM中的数据进行D/A转换。但是在同一时刻下，从各自波形SRAM中读出的数据却是不一样的，具有一定数字相位差，这个相位差的分辨率由下述的数字正弦表的长度决定。
以上是从图形的角度直观描述了数字波形相位差的思路，下面进行数学表达。相控发射时，第m个和第n个阵元在某时刻的相位可表示为：
φm＝ω0tm+θm (1)
φn＝ω0tn+θn (2)
ω0为激励信号的角频率，tm和tn分别表示两个阵元通道以各自D/A发射起始时刻为原点的时间量，θm和θn表示各自的数字波形初始相位。式(1)减去式(2)，得到两通道发射相位差
φm-φn＝ω0(tm-tn)+θm-θn (3)
当θm＝θn＝0时，两通道的波形数据完全相同，没有数字波形相位差。这时仅有ω0(tm-tn形成两通道的发射相位差，发射相位差分辨率取决于tm-tn的分辨率。tm和tn都是以发射延时计数时钟周期为量化单位的，系统中发射延时计数时钟即为66MHz的D/A时钟，因而tm-tn的分辨率为1/66M＝15ns，对应于3MHz激励信号下的16.4°发射相位差。
当θm≠θn时，两通道的波形数据具有数字波形相位差，这时ω0(tm-tn)和(θm-θn)共同形成两通道的发射相位差。若θm和θn的分辨率优于16.4°，则发射相位差分辨率就取决于θm和(或)θn。
附图说明
图1为相控发射细延时示意图。图中对比显示了基于时钟和数字相位的延迟方法，其中(a)利用时钟延时，波形数据无相位差，(b)波形数据具有相位差
Claims (2)
1、一种提高相控发射延时分辨率的技术，其特征是：充分利用波形激励方式的优点，采用数字波形相位差的方法实现相控发射细延时。
2、如权利要求1所述的数字波形相位差，就是不同通道的波形SRAM中存储的同频率数字化波形之间的相位差。数字化波形数据经D/A转换后变成模拟激励信号，而数字波形相位差也就转换为模拟激励信号的相位差。
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