CN101858972B

CN101858972B - 基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法和装置

Info

Publication number: CN101858972B
Application number: CN2010101336577A
Authority: CN
Inventors: 孟国海
Original assignee: Shenzhen Landwind Industry Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Landwind Industry Co Ltd
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: US20110237950A1; CN101858972A

Abstract

一种基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法和装置。该装置利用了计算延时的参数中需要实时计算和不需要实时计算的参数分离，与波束序号相关的参数以及无关参数的分离，设计出只用简单切换即可适用不同类型探头的实时延时计算单元。该计算单元采用流水线设计，M个波束的延时参数以流水线方式在该计算单元中算出，然后对同一路回波数据存储单元进行读取，以实现各波束的延时。大大减少了FPGA中资源的消耗。本发明通过直接计算以获得高的延时精度。为了解决硬件资源的过多占用问题，本发明采用了流水线设计，使得M个波束共用延时参数计算单元，从而大大减少了硬件资源的消耗。

Description

基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法和装置

技术领域

本发明涉及一种多波束合成方法和装置，尤其涉及一种基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法和装置。

背景技术

现代超声成像由于大量采用雷达中的先进技术以及数字信号处理和图像处理技术而使得超声成像的质量大幅度提高。但是很多技术的采用都会以牺牲扫描速度为代价。比如空间复合成像技术，需要多帧不同角度扫描的图像合成最终的图像；反相组织谐波技术需要叠加两帧不同发射脉冲极性得到的图像获得组织的谐波图像；合成孔径技术更是需要多帧图像的叠加来实现发射和接收的逐点聚焦。现代彩超由于需要很高的发射脉冲频率来提取血流信号，因此使得获得二维B超图像的时间大大减少，也会导致帧频明显降低。由于临床上观察人体内的器官运动需要快速的图像更新，帧频的大幅度降低将使得B超图像无法应用于心脏诊断。

多波束技术可以弥补这些技术导致的B超图像帧频降低。比起常规的扫描方式，多波束技术可以在一次脉冲发射过程中同时形成M条接受回波(M通常是2到16)，因此使得帧频提高了M倍。但是，实现多波束技术却是一个技术难题。单波束合成为了技术上的可实现性以及成本考虑，都采用预先存储聚焦参数的做法实现接收的动态聚焦。这样对于常规的应用，如单元芯片中包含16通道，采样频率40MHz，深度25厘米的情况，存储所有扫描线的聚焦参数需要大约400k字节以上的存储空间。如果考虑到奇偶线的差别，存储空间要到800k以上。如果按照重复单波束的方案实现多波束，比如四波束，存储所有的聚焦参数需要外挂2M字节的存储器。同时对FPGA的资源需求也会由于成几倍的增加而无法实现。本发明的意义在于采用了流水线作业方式实时计算波束合成所需要的信号延时，需要存储的聚焦参数只是很少的和孔径相关以及和扫描线方向相关的参数。这样每一路回波信号，假设一次合成4个波束，只需要大约160个字节来存储所有聚焦参数。考虑到沿扫描线设置64个变权点的加权值，每一个加权值一个字节，对于16个通道加权参数需要1k字节的存储量，这样对于一路回波同时合成四路波束，需要存储的参数只有1184个字节。256条扫描线需要存储的数据为296k字节。

由于多波束技术对于提高B超图像的帧频和图像质量有着至关重要的意义，引起了超声成像领域的广泛的关注，产生了很多设计方案和专利。在众多的有关波束合成专利中，可以根据聚焦延时参数是事先计算好存储的还是实时计算的大致分为两类。早期的单波束合成阶段，大都采用存储事先算好的延时参数的方法。为了减少参数占用存储器的数量，基本上都是采用存储初值和增量相结合的方法。延时的初值通常做为粗延时(即延时以采样时钟周期为单位)，而精度高于一个采样时钟周期的延时用增量‘0’和‘1’来表示，细延时的单位通常取一个采样周期的四分之一到八分之一。这样每一个通道在不同深度的焦点处的延时参数实际上就是1个bit的数据流。但是，由于实现动态聚焦的焦点数目可以达到一千甚至几千个，所以对于存储器的容量要求仍然很大。为了减少对于存储器容量要求和FPGA资源占用，多波束技术中广泛采用对延时参数进行实时计算以及分时复用技术。

美国专利US5905692(公开日期：1999年5月18日，对应中国专利98812777.6，公开日期：2001年2月7日)给出的方案提出了采用分时复用的方式实现多波束合成，但是，该专利没有涉及如何产生延时参数。

美国专利US6123671(公开日期：1998年12月31日)给出一种基于CORDIC算法的实时延时参数和变迹系数计算装置。该装置计算延时参数是基于阵元的x，z坐标以及焦点的x，z坐标。因此可以适用于任意形状的探头。但是，由于需要同时存储阵元坐标和焦点坐标，需要的存储量同样很大，如果计算每一焦点坐标又会使得计算过于复杂，占用FPGA资源过多。该方案还对同一芯片上的所有16个通道分时复用延时计算装置，因而，只能达到每通道2.5MHz的计算频率。这对某些应用精度偏低。

美国专利US7508737B1(公开日期：2009年3月24日)给出一种多个接收通道分时复用同一个延时控制的方案，其采用低通滤波器实现插值运算，可以把插值运算放在各路信号求和之后实现，因此可以有效节约硬件资源。但是，该专利没有给出延时参数的实现方法。

美国专利US5469851(公开日期：1995年11月28日)给出了一种分时复用的相控阵数字多波束合成器方案。该方案中把延时输出分为两组，主延时和邻延时。邻延时可以基于主延时进行推算，从而简化了设计。其延时的实现是用双口RAM，和写计数器、读计数器来实现的。读计数器根据延时控制进行停拍操作，实现延时变化。延时分为粗延时和细延时。细延时通过选择不同的滤波系数用6阶低通滤波器实现。其延时参数的计算由另一个专利US5522391给出，该专利采用递推算法计算每一焦点处的延时。递推算法最大问题是容易引入累计误差。

专利200610021344.6(公开日期：2008年1月2日)和

200610168851.2(公开日期：2008年6月11日)给出一种聚焦参数的实时计算方法和装置，该延时参数算法内部包含有后级向前级的反馈，因此，延时参数的计算无法实现流水线作业和分时复用。

对于延时参数的实时计算，大致有三类算法。一类是直接计算，主要是根据阵元坐标和焦点坐标来计算声程，从而导出延时参数。第二类是采用近似算法，目的是克服直接计算必须的开方运算，为了计算量的原因，一般也只能取一阶近似或二阶近似。第三类是采用递推算法，从一个已知的焦点延时推算下一个焦点延时。这三类算法中第一类需要较多的硬件资源，对硬件速度要求也比较高。但是，随着FPGA的发展，已经越来越不是问题。第二类算法采用近似计算往往精度有限，不能满足聚焦精度的要求。第三类算法计算量最小，但是会产生累计误差，随着焦点位置加深，误差的积累，将会使得聚焦精度严重恶化。

目前被广泛使用的数字波束合成技术，主要是采用预存储计算好的延时参数的方法实现各接收通道信号的延时。该方法结构简单，但是需要在FPGA外挂较大的RAM。对于单波束系统，这是一个合适的方案。但是，当用于多波束系统时，会因为外挂RAM的容量太大，更新RAM内容需要太长时间等问题而变得不适用。因此，在多波束系统的设计中，实时计算延时参数被广泛采用。实时计算延时参数需要的硬件资源多，尤其是考虑到不同几何形状的探头，设计方案将会变得非常复杂。

图1所示是一个典型的数字化波束合成超声成像系统框图。在控制单元80的控制下，发射单元30产生具有聚焦延时的一组脉冲到换能器阵列10。换能器阵列10把电脉冲信号转化为各阵元具有不同相位的超声脉冲。声脉冲按照预定相位安排在前进方向一点汇聚，形成聚焦波束。换能器阵列10发射的聚焦波束经过人体组织的反射，再由换能器阵列10形成接收电信号。通常换能器阵列具有128或更多的换能器阵元，而接受的物理通道往往小于换能器阵元数。阵元切换单元20对接收信号进行分组切换。被阵元切换选中的一组阵元经过20中的收/发开关，以抑制发射脉冲的进入，防止模拟通道的堵塞。然后送往模拟前端和ADC模块21。在模块21中，接收的一组回波通过前置放大、时间增益(TGC)放大最后进行模数转换(ADC)。被数字化后的超声回波信号被送入波束合成单元40，波束合成单元的作用是对每一路回波信号动态的进行延时，经过延时的信号进行相加运算，将一组接收回波合成为一个波束称之为一路扫描信号。由于是动态聚焦，波束合成单元40要对每一个回波样点计算延时量。因此波束合成单元需要外挂RAM存储聚焦参数。经过波束合成后的一路扫描信号通过信号处理和图像处理单元50，然后再通过数字扫描转换单元60，形成光栅图像。最后在控制器的控制下，经过总线控制器和计算机总线将超声图像信号送往计算机进行进一步的处理和显示。

图2和图3给出现有的波束合成单元原理框图，其中图2为一路回波的延时电路，图3是N路回波的波束合成电路。经过模拟前端和ADC后的第i路回波在写入控制逻辑42控制下，由写地址计数器43产生线性的写入地址。回波信号i被连续的写入双口RAM 41中。读地址计数器46在开始时刻被置入一个初始计数值，称为粗延时。粗延时代表第一个被读出的回波数据相对于写入地址的偏移量，也是用采样时钟周期表示的第i路延时量的整数部分。第i路信号延时量的小数部分也称为细延时，也即小于一个采样时钟周期的部分由插值电路45完成。其利用整数部分延时对应的读出数据和下一个数据插值得出两者中间的数据。插值系数由读控制器47给出。每当细延时积累够一个整延时单位时，意味着读出地址计数器要停止计数一次，称为停拍。停拍的控制由读控制器47根据延时参数产生器44发出的延时参数决定。由于延时是需要时刻动态调整的，因此，延时参数产生器44必须动态的从数据总线获得数据，并将各路需要的延时参数分发到各路的读控制器和写控制器。

经过延时控制的各路回波送入图3的求和单元进行最后的波束合成。求和单元48是多路信号加法器。

以上的波束合成单元的特点是将延时参数事先算好进行存储，然后在超声回波处理过程中动态的读出这些参数并直接控制写计数器和读计数器以及插值运算单元。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可适用于不同几何形状探头，硬件资源占用又可以接受的实时延时参数计算方法和装置。考虑到探头的类型不同，本发明给出了一种通用延时计算装置。该装置巧妙的利用了计算延时的参数中需要实时计算和不需要实时计算的参数分离，与波束序号相关的参数以及无关参数的分离，设计出了只用简单切换即可适用不同类型探头的实时延时计算单元。该计算单元采用流水线设计，M个波束的延时参数以流水线方式在该计算单元中算出，然后对同一路回波数据存储单元进行读取，以实现各波束的延时。大大减少了FPGA中资源的消耗。本发明通过直接计算以获得高的延时精度。为了解决硬件资源的过多占用问题，本发明采用了流水线设计，使得M个波束共用延时参数计算单元，从而大大减少了硬件资源的消耗。本发明的一个特点是，将需要实时计算的部分和不需要实时计算的部分分离，尽量将不需要实时计算的部分归入输入参数，以减少实时计算工作量。另一个特点是，将和波束序号有关的部分与波束序号无关的部分分离，通过两个开关的切换使得延时参数单元可以应用于凸阵探头、线阵探头以及相控阵探头。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法，其至少有一个多波束合成装置，一个多波束合成装置接受一个通道的超声回波，同时为M个不同扫描角度或扫描位置的波束产生相应的信号延时，一个通道的超声回波有M个不同扫描角度或扫描位置的波束，其包括以下步骤：

A.每一个多波束合成装置分别将接收到的回波信号转换成数字信号；

B.每一个多波束合成装置分别将转换后的回波数字信号线性的写入RAM；

c.根据当前通道对应的阵元参数以及焦点位置参数分时计算出同一通道内M路波束的延时参数，再换算成RAM的读出地址；

D.在一次写周期的时间内，按照计算出的读出地址轮流从RAM中读出经过延时的回波数据，产生M路延时信号输出；

E.将同一通道内产生的M路延时信号输出分时的通过一个插值单元和一个加权单元，进行细延时和变迹操作，

F.将所有多波束合成装置产生的第一个波束叠加为第一合成波束，

将所有多波束合成装置产生的第二个波束叠加为第二合成波束，

……

将所有多波束合成装置产生的第M个波束叠加为第M合成波束，

上述操作分时的在同一个求和单元流水线式完成；

G.输出的M路波束信号仍然以分时复用的方式传往下一级求和单元或进行信号处理和图像处理。

所述步骤C的延时参数计算公式为：

延时表示为：

这里c是声速，在人体组织中近似为1540m/s；

延时换算成采样脉冲单位：

凸阵探头：

线阵探头：

相控阵探头：

其中：τ_i为延时参数；n_i为采样脉冲单位的延时参数；F_s为采样频率；θ_r为接收线和发射线的夹角；第i个阵元的极坐标为(θ_i，R)；在接收线上的焦点为F，其焦距为L；l_i为从阵元i到焦点F的声程；x_i为第i个阵元的坐标；x_r为扫描线坐标；θ_r为扫描线与发射线的夹角。

本发明将输入参数分为：

d)和探头以及阵元在孔径中的位置有关的参数，也即通道相关参数，这里记为X；

e)和扫描线方位角(凸阵探头、相控阵探头)或扫描线位置(线阵探头)有关的参数，也即波束相关参数，这里记为Y；

f)需要实时处理的参数，即焦点的焦距，这里记为L；

通道相关的参数X和实时参数L为公共计算部分，预先计算好后存贮起来；在公共计算部分的计算输出基础上，根据输入的和波束相关参数Y，计算和波束相关的参数。

所述步骤A还包括通过隔直处理，滤除无用的低频分量。

所述的RAM读出频率是写入频率的M倍。

一种基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法的多波束合成装置，其包括模拟前端，所述模拟前端接受回波信号，所述模拟前端后依次连接有模数转换模块、隔直处理模块、写入控制模块、RAM、流水线方式的插值和加权单元以及流水线方式的通道求和单元，其还包括流水线方式的实时延时参数计算单元，所述流水线方式的实时延时计算单元轮流接受M个波束的输入参数，并计算出对应的延时参数，再换算成双端口RAM的读出地址，所述流水线方式的实时延时计算单元后依次连接有地址计算单元、行波计数器、读出控制模块，所述读出控制模块分别连接控制所述RAM和所述流水线方式的插值和加权单元，控制回波信号的读出。

所述流水线方式的实时延时计算单元分为公共计算部分A，和波束相关的计算部分B，两部分组成；A部分处理通道相关的参数X和实时参数L；B部分在A部分的计算输出基础上，根据输入的和波束相关参数Y，计算和波束相关的部分；

所述流水线方式的实时延时计算单元有控制信号C1和C2，所述输入参数X、Y根据探头种类不同按照下面表格进行配置：

探头	X	Y	C1	C2
					凸阵	R	2Rcos(θ_i-θ_r)	0	0
线阵	0	(Xi-Xr)	1	1
					相控阵	X_i	2X_icos(90°-θ_r)	0	1

本发明RAM的一种优选方案为：所述RAM为双端口RAM，所述双端口RAM读出频率是写入频率的M倍，对于波束数目为M的多波束合成系统中，对应每一个写入数据，实时地址计算单元都会根据实时延时参数计算单元的M个输出计算出M个对应读出地址，并从双口RAM中按照这些地址读出M个数据。

本发明RAM的另一种优选方案为：所述RAM为三端口RAM，所述三端口RAM读出频率是写入频率的M倍，对于波束数目为2×M的多波束合成系统中，对应每一个写入数据，实时地址计算单元都会根据实时延时参数计算单元的2×M个输出计算出2×M个对应读出地址，并分别从三端口RAM的两个读出端口中按照这些地址读出2×M个数据。

本发明提供的方法和方案完全采用流水线方式工作，巧妙的通过模式控制和输入参数配置，使得延时参数设计单元可以适用于凸阵、线阵和相控阵探头。

附图说明

图1为现有技术数字化波束合成超声成像系统示意图；

图2为现有技术一路回波信号的动态延时电路示意图；

图3为现有技术N路经过动态延时的回波叠加示意图；

图4为本发明延时参数实时计算的波束合成方案示意图；

图5为本发明多波束合成的叠加方案示意图；

图6为本发明分时复用的多波束合成方案示意图；

图7为本发明凸阵探头延时计算的几何图形示意图；

图8为本发明线阵探头延时计算的几何图形示意图；

图9为本发明相控阵探头延时计算的几何图形示意图；

图10为本发明延时参数计算单元示意图；

图11为本发明采用并行方式的四波束延时参数计算单元示意图；

图12为本发明采用流水线方式的四波束延时参数计算单元示意图；

图13为本发明延时计算单元的四波束合成器示意图；

图14为本发明实时延时参数计算的多波束系统框图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

图4和图5给出了本发明所采用的波束合成方案。在图4中由收/发开关出来的回波信号先经过模拟前端200和模数转换器300变成数字信号。然后通过隔直处理单元400，滤除低频分量，写入控制单元500将回波信号线性的写入双端口RAM 501，重要的区别在于，在图4中增加了延时参数计算单元600。延时计算单元根据当前通道对应的阵元参数以及焦点位置参数实时计算出延时量，用来控制读出操作以及插值运算。对于M路的波束合成，M路的延时参数分时的由延时参数计算单元600计算出来，然后轮流从双口RAM 501中读出经过延时的回波数据，回波数据可以通过1-4的分配器分别送给四个插值单元和加权单元，进行细延时以及变迹(apodization)操作。每一路回波经过延时控制电路后都产生M路的延时信号输出。在图4中以典型的4路输出给出实例。每一路回波的四路输出分别送给图5中的求和单元901、902、903、904。延时回波i-1表示第i路回波的第一个波束，延时回波i-2表示第i路回波的第二个波束，以此类推。将所有路回波的第一个波束叠加，产生出第一个合成波束。将所有路回波的第二个波束叠加，产生出第二个合成波束。以此类推。

图4和图5中双口RAM出来的数据分为四路，只是为了便于说明多波束概念。实际实现时，更好的选择是将插值和加权以及各路回波求和部分全部采用分时复用，以最大限度的减少硬件资源占用，如图6所示。图6与图4的不同在于在多路延时回波信号从双口RAM 501读出后，不再分为四路分别处理，而是分时的通过一个插值单元701和加权单元801，最后的波束求和也是通过一个公共的求和单元901完成。

以上方案最重要的是实现延时计算单元。下面的描述主要围绕如何实现延时参数的实时计算。图7给出凸阵换能器延时参数计算的几何示意图。图中发射线(也即发射波束的中心线)居于孔径中心，多波束接收的不同就是接收线(接收波束的中心线)不一定和发射线重合。这里假定接收线和发射线的夹角是θ_r，第i个阵元的极坐标为(θ_i，R)。在接收线上的焦点为F，其焦距为L。根据余弦定理，下面的公式给出从阵元i到焦点F的声程计算公式：

l_{i} = \sqrt{{(R + L)}^{2} + R^{2} - 2 (R + L) R \cos (θ_{i} - θ_{r})}

延时表示为：

这里c是声速，在人体组织中近似为1540m/s；

延时换算成采样脉冲单位：

计算延时主要就是计算l_i。在计算l_i的公式里，包含三类参数：

1.探头有关参数：R，θ_i{i＝1：N；N为孔径中阵元个数}。

2.扫描线参数：θ_r。在凸阵和相控阵换能器中θ_r是扫描角度。

3.焦点参数：L。L可以写成i×ΔL。ΔL：焦点间距。波

束合成过程中这是需要实时处理的部分。

对于线阵探头和相控阵探头其计算延时的几何图形分别示于图8和图9中。其计算声程的公式如下：

线阵探头：

相控阵探头：

上述两个公式中和阵元相关的参数是x_i，与扫描线相关的参数分别是x_r和θ_r，和焦点位置有关的是焦距L。为了减少计算量，所有与焦距L无关的量都需要事先计算出来进行存储。与扫描线有关的量是区别多个波束的参数，需要分时输入到延时计算单元，以实现延时计算单元的分时复用。按照这样的思路设计出来的通用延时计算单元示于图10中。图10示出的电路结构可以用来计算凸阵探头、线阵探头以及相控阵探头的声程l_i。图10中的输入参数L仍然对应焦距。输入参数X，Y根据探头种类不同有不同的形式。表1给出了针对不同探头的输入参数形式。

表1：不同探头的输入参数形式

探头	X	Y	C1	C2	备注
						凸阵	R	2Rcos(θ_i-θ_r)	0	0	K1＝(L+K2)，K2＝X
线阵	0	(Xi-Xr)	1	1	K1＝-1，K2＝0
						相控阵	Xi	2X_icos(90″-θ_r)	0	1	K 1＝(L+K2)，K2＝0

C1和C2是两个控制信号，用来选择图10中的两个2-1多路器，多路器状态不同，其输出值K1和k2所代表的量不同，如表1中所示。也因此改变了电路的形式，使之可以用来计算凸阵、线阵和相控阵探头的延时参数。图10中的“T”表示一个时钟周期的延时。加入延时是为了满足流水线作业的需要。所以，图10中的方案不论用于何种配置，都可以采用流水线方式工作，以便支持不同波束或不同通道的分时复用。表1中的所有输入量的单位都是长度，因此实际计算要量化为脉冲单位，也即以脉冲周期数作为单位。具体算法是将所有输入量乘上量化因子F_s/c。这里F_s是采样频率，c是声速。为了保证计算精度，所有的量都保留3位二进制小数。

图10中的延时参数计算单元分为两个部分，A部分601是同一回波的多个波束的公共计算部分，B部分602是和具体波束对应的计算部分。只有输入参数Y是和回波的方位角(对于凸阵和相控阵扫描)或回波位置(线阵扫描)相关的参数。因此，在考虑流水线工作方式时，只有Y需要在不同波束之间进行切换。图11和图12分别给出了四波束延时参数计算按照并行方式和流水线工作方式实现的框图。

图11中只有一个公共部分601，四个波束的延时参数输出分别对应着模块602、603、604和605。四个波束方位角相关的参数Y1、Y2、Y3和Y4分别输入给601、602、603和604。

图12中有一个公共部分601和一个波束计算部分602，和波束有关的参数Y1、Y2、Y3和Y4通过多路器606输入给模块602。多路器选择信号Y-SEL的切换频率是输入参数L变化的4倍。时钟信号CK和Y-SEL具有同样的频率。这样可以对于每一个焦距值，分别对四路波束计算延时参数。

图13给出了一个应用图12的四波束合成器的框图。在该图中，行波计数器100对采样脉冲进行计数，记录了超声波行进的路程，所以称做行波计数器。行波技术器的输出作为双口RAM200的写入地址。由于双口RAM的容量只要容纳写入和读出的最大地址差就够了，所以一般双口RAM的容量只需取256到512。写入地址和读出地址当计数到头时自动折叠到起始点，相当于一个环形存储队列。这里我们取RAM的深度为512，因此双口RAM200的写地址只需要连接行波计数器100的低9位。输入的回波数据rf_datai按照写入地址连续的写入双口RAM200。行波计数器的输出L，作为深度的表示同时打入到延时参数计算单元300。延时单元在打入脉冲L_load作用下，将表示焦距的量L打入，L_load的频率为延时参数计算单元的时钟calc_clk的四分之一。也即在同一个焦距L下，分别对四个波束的延时计算一次。延时计算单元的输入参数mod是控制命令，其给出图12中的控制线C1和C2。输出参数X只和通道有关系，不随波束的切换而改变。与波束有关的输出参数Y对于四个波束分别标记为Y1、Y2、Y3和Y4。在4-1多路器310的控制下进行切换。由行波计数器100输出的波束选择信号beam_sel控制参数的选择。在参数Y1-Y4轮流输入的过程中，延时参数计算单元300以流水线方式计算每一个波束的延时参数，延时参数被轮流打入后面的寄存器组330，各寄存器分别表示为delay1-delay4。2-4译码器320译码beam_sel，产生的四路控制输出对delay1-delay4进行选择。delay1-delay4的值被最后一个打入脉冲的下降沿锁存到锁存器340，目的是为了保持delay1-delay4的值在一个焦距变化周期内保持不变。delay1-delay4的值输入地址计算单元350，结合焦距L计算出对应的RAM读地址。在一个写入周期内，地址计算单元350必须分别对每一个波束计算读地址一次并从双口RAM中读出一个数据。因此，读出脉冲rd_clk的频率是写入脉冲wr_clk的四倍。如果wr_clk是40MHz，则rd_clk是160MHz。从双口RAM 200读出的数据被轮流打入寄存器210到240。由于插值的需要，还保留了历史数据在寄存器250到280中。保留的历史数据不限于只有两级。根据插值算法的阶数不同，可以保留多级。比如6阶插值，要保留6个连续的输出数据。读出的数据通过4-1多路器400输出到流水线方式的插值和加权单元500。插值加权单元的插值系数由地址计算单元350提供。加权数据wt可以计算得到，也可以事先计算好，存储在外存储器中，接受过程中实时从外存储器读入。由于加权值的变化不需要很快，比如25cm的扫描线改变64次，因此，保存加权值并不会占用太多存储资源。从插值加权计算单元500出来的数据已经是经过延时的并且分时复用的四波束回波数据。将此数据送往以流水线方式工作的求和单元600，和其他N-1个单元的输出一起求和，最后得到分时复用的四波束数据输出。

图14给出了一个基于延时参数实时计算的四波束合成B超系统框图。图中的阵列换能器10为128阵元。波束合成器60一共有64个通道。发射电路50在控制器70的控制下对特定的一组阵元(称为激活阵元)发射具有延时的脉冲信号，以实现聚焦发射。激活阵元的回波信号经过模拟开关20的选通送往T/R开关30。T/R开关30的作用是隔离发射的高压信号避免造成后面的放大电路饱和阻塞。经过T/R开关30的模拟信号送往模拟前端电路40进行放大和处理，模拟前端包括了前置放大器、时间增益控制放大器(TGC)和ADC电路。经过放大的信号转换为数字信号送往波束合成器60。波束合成器是一个包含了64路如图13所示的电路结构。波束合成器60将64路输入信号进行延时。每一路输出四路经过延时的波束数据，四路数据以时分多路的形式送往求和单元61。求和单元61以流水线方式对四路波束数据进行合成。其输出为时分多路的四个合成后的波束数据。该数据流经过分配器(DEMUX)80分支为四路。分别送往四路正交解调单元81到84和信号处理单元85到89。最后形成的四条扫描线送给数字扫描转换器(DSC)90。数字扫描转换器90将扫描线数据转换为具有直角坐标的光栅数据，并通过读写控制器91送往图像缓冲存储器92。在控制器70的控制下，通知上位计算机73通过PCI总线读取图像数据并显示。控制数据也通过PCI总线下传到控制器70。用于聚焦延时计算的参数被存放在参数存储器71。在每次扫描开始前，控制器70将所有参数送往各个波束合成通道，并发出控制时序控制整个波束合成的进行。以图14中的实例，可以在保持图像线密度不减少的条件下，将B超系统的帧频提高4倍。这将大大提高B超对于人体内运动器官如心脏的成像质量。

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims

1.一种基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法，其至少有一个多波束合成装置，一个多波束合成装置接受一个通道的超声回波，一个通道的超声回波有M个不同扫描角度或扫描位置的波束，其特征在于包括以下步骤：

B.每一个多波束合成装置分别将转换后的回波数字信号线性的写入双端口RAM或三端口RAM；

......

上述操作分时的在同一个求和单元流水线式完成；

2.根据权利要求1所述的基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法，其特征在于，所述步骤C的延时参数计算公式为：

延时表示为：

τ_{i} = \frac{(L - l_{i})}{c}

这里c是声速，在人体组织中近似为1540m/s；

延时换算成采样脉冲单位：

n_{i} = \frac{(L - l_{i})}{c} F_{s}

凸阵探头：

l_{i} = \sqrt{{(R + L)}^{2} + R^{2} - 2 (R + L) R \cos (θ_{i} - θ_{r})}

线阵探头：

l_{i} = \sqrt{L^{2} + {(x_{i} - x_{r})}^{2}}

相控阵探头：

其中：τ_i为延时参数；n_i为采样脉冲单位的延时参数；F_s为采样频率；θ_r为接收线和发射线的夹角；第i个阵元的极坐标为(θ_i，R)；在接收线上的焦点为F，其焦距为L；l_i为从阵元i到焦点F的声程；x_i为第i个阵元的坐标；x_r为扫描线坐标。

3.根据权利要求2所述的基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法，其特征在于将输入参数分为：

a)和探头以及阵元在孔径中的位置有关的参数，也即通道相关参数，这里记为X；

b)和扫描线方位角或扫描线位置有关的参数，也即波束相关参数，这里记为Y；

c)需要实时处理的参数，即焦点的焦距，这里记为L；

4.根据权利要求1所述的基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法，其特征在于：所述步骤A还包括通过隔直处理，滤除无用的低频分量。

5.根据权利要求1所述的基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法，其特征在于：所述的双端口RAM或三端口RAM的读出频率是写入频率的M倍。

6.一种实现权利要求1-5任意一项所述方法的基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成装置，其特征在于：其包括模拟前端，所述模拟前端接受回波信号，所述模拟前端后顺序连接有模数转换模块、隔直处理模块、写入控制模块、双端口RAM或三端口RAM、流水线方式的插值和加权单元以及流水线方式的通道求和单元，其还包括流水线方式的实时延时参数计算单元，所述流水线方式的实时延时计算单元轮流接受M个波束的输入参数，并计算出对应的延时参数，再换算成RAM的读出地址，所述流水线方式的实时延时计算单元后顺序连接有地址计算单元、行波计数器、读出控制模块，所述读出控制模块分别连接控制所述RAM和所述流水线方式的插值和加权单元，控制回波信号的读出。

7.根据权利要求6所述的基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成装置，其特征在于：所述流水线方式的实时延时计算单元分为公共计算部分A，和波束相关的计算部分B，两部分组成；A部分处理通道相关的参数X和实时参数L；B部分在A部分的计算输出基础上，根据输入的和波束相关参数Y，计算和波束相关的部分；

探头 X Y C1 C2 凸阵 R 2Rcos(θ_i-θ_r) 0 0

线阵 0 (Xi-Xr) 1 1 相控阵 X_i 2X_icos(90°-θ_r) 0 1

其中：θ_r为接收线和发射线的夹角；第i个阵元的极坐标为(θ_i，R)；x_i为第i个阵元的坐标；x_r为扫描线坐标。

8.根据权利要求6所述的基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成装置，其特征在于：所述RAM为双端口RAM，所述双端口RAM读出频率是写入频率的M倍，对于波束数目为M的多波束合成系统中，对应每一个写入数据，实时地址计算单元都会根据实时延时参数计算单元的M个输出计算出M个对应读出地址，并从双口RAM中按照这些地址读出M个数据。

9.根据权利要求6所述的基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成装置，其特征在于：所述RAM为三端口RAM，所述三端口RAM为一个写入端口，二个读出端口，读出频率是写入频率的M倍，在波束数目为2×M的多波束合成系统中，对应每一个写入数据，实时地址计算单元都会根据实时延时参数计算单元的2×M个输出计算出2×M个对应读出地址，读出控制从二个输出端口分别读出M个数据，总共产生2×M个延时信号输出。