CN105548373A - 一种准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法，该方法包括：由Golay？A码进行编码激励，通过软件算法对接收回波实现Golay？A→B码激励转换，从而得到Golay？A、B两次激励回波(形成正交互补Golay编码激励条件)，分别进行脉冲压缩，再进行矢量求和实现解码，实现准单次正交互补Golay编码激励技术，替代传统物理硬件上双次发射方案；本发明采用有效的噪声抑制-反卷积算法，通过FPGA(Field？Programmable？Gate？Array)实现序列Golay？A码激励到Golay？B码激励转换算法，达到准单次激励目的，改进了传统Golay？A、B码分次激励的方案，提高相控阵系统50％运行效率及大幅度提高信噪比(与编码长度L_c相关)，且在一些动态扫查过程中可避免由于两次发射导致位置变化使得接收波形不一致而影响解码效果问题，在实际工程中具有重要应用价值。

Description

一种准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法

技术领域

本发明涉及一种准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法。

背景技术

超声相控阵系统性能关键技术中，通过增强发射能量来提高仪器的穿透力、分辨力是工业无损探伤关键技术之一，如增大收发孔径、改善探头匹配电路、提高发射电压，但这使硬件系统变得复杂且可控性变差，直接影响到仪器的稳定、可靠性，而采用编码激励技术发射多个连续波间接增强发射能量(接收端对低电压的连续波进行能量聚合)能避免该问题产生。单次激励如YannisS.Avrithis等(1998)采用CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)伪随机编码激励超声系统，较传统单脉冲激励方式有更高图像采集率、横向分辨力和对比度；韩国JeongJS.学者(2013)使用Barker编码技术抑制高强度聚焦超声带来干扰达-40dB；美国Vanderbilt大学ByramB.等学者(2014)采用Chirp码调频模式，有效抑制超声多路径与波束形成的杂波；但上述解码效果不理想(产生水距离平旁瓣，不能还原成理想的回波信号)且发射电路复杂。双次激励如利福尼亚大学JinhyoungPark(2010)采用Golay码激励技术与6dB带宽放大器，实现10～110MHz频带内纹波在4dB内，体现卓越性能；中国科学技术大学(2010)用Chirp信号调制Golay互补码激励，增加医学超声透射深度与抗干扰能力；中国医学科学院(2014)用长度为4的Golay互补序列获得了更高的信噪比；理论上虽达到理想解码效果，但需两次发射，效率低、可靠性差。

本文基于优良正交互补Golay码分析编码激励原理，提出一种准单次激励解码技术，能达到理想的解码效果，改善传统Golay编解码技术：两次发射实现一次接收解码以牺牲脉冲重复频率PRF(PulseRecurrenceFrequency)50％的缺点，最后通过构建8位正交互补Golay码实施超声相控阵仪器收发系统控制方案，通过ModelSim仿真其性能，回波幅度增大约16倍，由FPGA(FieldProgrammableGateArray)验证其效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法，对传统A、B码分次激励的方案进行改进，提出准单次激励方案，该方法使得相控阵仪器基于Golay编码激励方式的扫查效率提高50％、避免两次发射、接收信号不一致带来的解码误差，且大幅度提高信噪比。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法，该方法包括：

a由GolayA码超声编码激励波形；

b回波通过噪声抑制-反卷积法对A码求反卷积、B码求卷积，同时得

到B码激励回波，形成准单次激励；

c分别对A、B码激励回波进行脉冲压缩，再矢量求和实现解码。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：对传统GolayA、B码分次激励方案进行改进，提出准单次激励方案，通过GolayA码实际激励一次，由软件算法实现GolayA→B码激励转换因子，通过解反卷积方式求解转换因子，考虑到实际应用情况，接收回波信号都携带噪声，提出了基于噪声抑制-反卷积模型，有效抑制噪声的放大。采用FPGA作为实现工具，能快速现实两次激励到准单次激励的转换，避免了物理硬件上以牺牲效率的Golay(A,B)两次激励技术，在超声相控阵仪器前端收发系统中具有重要的实际意义，从而提高其扫查效率50％与信噪比。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是一种准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法流程图；

图2是编码电路控制器组成原理框图；

图3是编码激励波形生产过程；

图4是GolayA→B激励转换离散差分方程方框图；

图5是准单次Golay码激励实际解码模型；

图6是码长L_c＝8、5MHz探头Golay(A、B)编码激励与解码ModelSim仿真图；

图7是准单次编码激励FPGA解码效果图。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出本发明的多个结构方式和制作方法。因此以下具体实施方式以及附图仅是本发明的技术方案的具体说明，而不应当视为本发明的全部或者视为本发明技术方案的限定或限制。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

图1是一种准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法流程图，包括：

步骤10由GolayA码编码激励的方案，实现步骤如下：

Golay码是由简单的数字符号1、-1组成，不能直接激励探头，必须由经符号→波形转换产生激励波形。图2为编码电路控制器组成原理框图，其主要步骤如下：

①基波生成模块，产生标准的双极性方波B_W(n)，周期为探头振荡周期T_P，与探头激励系统形成共振，能量输出最大化；

②码元经R倍内插保持器(R≥Δd_c)，Δd_c为探头一次激励振荡的时间长度，内插后得到G_R(n)，保证一个码元对应探头振荡周期时间；

③卷积调相，G_R(n)与基波进行卷积，得到激励探头波形P_W(n)(P_W(n)＝B_W(n)*G_R(n))(*表卷积)对基波进行相位调制，实现相位变换产生编码激励信号，如图3编码激励波形生产过程。

步骤20回波通过噪声抑制-反卷积法对GolayA码求反卷积、GolayB码求卷积，同时得到GolayB码激励回波，形成准单次激励，实现方法如下：

①设整个硬件系统的传递函数为h_d(n)，单脉冲激励信号e(n)，接收回波信号y(n)＝e(n)*h_d(n)，采用二元两相调制编码激励函数F[e(n)]，则输出y(n)＝F[e(n)]*h_d(n)，若形成理想编码激励，则有：

F[e(n)]*h_d(n)＝N_p·δ(n)*e(n)*h_d(n),L∈Z⁺(1)

②目前正交互补Golay码具有理想编码激励性质，设一对L_c长度的正交互补Golay(A、B)码其码元序列分别为二相序列a_n、b_n，令A＝{a_n}，a_n∈(+1，-1)，{n∈N|n≤L_c-1}和B＝{b_n}，b_n∈(+1，-1)，{n∈N|n≤L_c-1}，根据Golay码定义，则A、B序列满足：

{a_n}*{a_(-n)}+{b_n}*{b_(-n)}＝2L_c·δ(n)(2)

方便表示可用a_n代表A码编码函数，则其激励探头回波信号为：

$y_a=h_d\left(n\right)*a\left(n\right)=h_d*\[\underset{i=0}{\overset{L_c-1}{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_a\·\mathrm{\δ}(n-i\·{\mathrm{\Δd}}_c)\]---\left(3\right)$

③图4为GolayA→B激励转换离散差分方程方框图，由h_d(n)*a(n)计算h_d(n)*b(n)，可得到双次激励回波，为正确解码提供保证。B码激励转换因子b(n)*^-1a(n)(对A码求反卷积)，即

$y_b=h_d\left(n\right)*b\left(n\right)---\left(4\right)$

$\begin{array}{c}=h_d\left(n\right)*a\left(n\right)*b\left(n\right){*}^{-1}a\left(n\right)\\ =\[h_d\left(n\right)*a\left(n\right)*b\left(n\right)\]{*}^{-1}a\left(n\right)\\ =h_d\left(n\right)*\[\underset{i=0}{\overset{L_c-1}{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_a\·\mathrm{\δ}(n-i\·{\mathrm{\Δd}}_c)\]*\[\underset{i=0}{\overset{L_c-1}{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_b\·\mathrm{\δ}(n-i\·{\mathrm{\Δd}}_c)\]{*}^{-1}\[\underset{i=0}{\overset{L_c-1}{\Σ}}{\mathrm{\σ}}_a\·\mathrm{\δ}(n-i\·{\mathrm{\Δd}}_c)\]\end{array}$

式中*^-1表反卷积运算，σ_a、σ_b∈{-1,1}为编码符号极性。根据实际应用对含噪回波信号加以噪声抑制处理以降低反卷积对噪声的放大作用，可通过添加降噪模块如FIR(FiniteImpulseResponse)或Wavelet，如图5准单次Golay码激励实际解码模型中①②③标签位置模块，对噪声进行抑制。

步骤30分别对GolayA、GolayB码进行脉冲压缩再矢量求和实现解码，实现步骤如下：

①脉冲压缩

由于发送的是一串连续波，则对应接收也为一串连续波，必须压缩成单脉冲回波，才能有效对超声回波分析、判断。

下面描述解码过程，由式(2)可用相同的编码序列与对应的回波做自相关运算，进行脉冲压缩，分别得：

$Y_a=h_d\left(n\right)*a\left(n\right)\⊗a\left(n\right)$

$Y_b=h_d\left(n\right)*b\left(n\right)\⊗b\left(n\right)---\left(5\right)$

其中表示相关运算。

②矢量求和

由于GolayA、B码激励回波，经脉冲压缩后，除了大部分主瓣能量外，含有少量的旁瓣能量，脉冲压缩后的两路波形主瓣能量相同相位一致，而旁瓣能量相同相位相反，根据这个性质，可进行矢量求和消除旁瓣同时聚合主瓣能量实现解码。

经矢量求和后得到解码输出：

$\begin{array}{c}{Y}_{out}=Y_a+Y_b\\ =h_d\left(n\right)*a\left(n\right)\⊗a\left(n\right)+h_d\left(n\right)*b\left(n\right)\⊗b\left(n\right)\\ =h_d\left(n\right)*\left(a\right(n)\⊗a(n)+b(n)\⊗(n\left)\right)\\ =2L_c\·\mathrm{\δ}\left(n\right)*h_d\left(n\right)\end{array}---\left(6\right)$

可见，码长L_c的正交互补Golay编码激励可产生2L_c倍增益，达到高能单脉冲激励效果，实现理想编解码。

如8位正交互补Golay码A＝{111-111-11}、B＝{1-1111-1-1-1}

$Y_a=h_d\left(n\right)*a\left(n\right)\⊗a\left(n\right)=h_d\left(n\right)*(1,0,1,0,3,0,-1,8,-1,0,3,0,1,0,1),$

$Y_b=h_d\left(n\right)*b\left(n\right)\⊗b\left(n\right)=h_d\left(n\right)*(-1,0,-1,0,-3,0,1,8,1,0,-3,0,-1,0,-1),$

Y_out＝Y_a+Y_b＝h_d(n)*(0,0,0,0,0,0,0,16,0,0,0,0,0,0,0)＝16·δ(n-7)*h_d(n)。

解码结果只是有些延时，可知是符合正交互补Golay码理想编码激励性质。

图6为码长L_c＝8、5MHz探头Golay(A、B)编码激励与解码ModelSim仿真图，

图7为准单次编码激励FPGA解码效果图。

上述激励方法通过噪声抑制-反卷积法，实现A码激励回波到B码激励回波的转换，应用FPGA快速运算能力，快速实现求解反卷积与卷积运算，即求解A→B激励转换因子：

GolayA→B码激励转换是物理硬件上实现双次发射到单次发射转换基础，为避免正交互补Golay码两次激励(A，B)序列码方能进行一次有效解码的劣势，提出由GolayA码激励一次，通过软件算法，变换到Golay、B码激励，变相实现正交序列对的两次激励，即实现GolayA→B码激励转换。实际应用中，超声回波信号会携带噪声，准单次Golay码激励技术单纯的解反卷积，会使得部分噪声放大，导致恢复的原始信号严重失真，可通过添加降噪模块如FIR或Wavelet对噪声进行抑制，获得较好效果。

准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法，改变了基于传统Golay编码激励所需两次激励方能达到理想解码方案，通过GolayA→B码激励转换，同时形成GolayA、B码激励波形，由相关逆向滤波法分别进行脉冲压缩再进行矢量叠加实现解码，可提高50％效率与信噪比，所述步骤具体包括：

脉冲压缩方式解码过程是一个自相关过程即回波与激励码序列做相关运算，可把多个连续回波压缩成单个波形，结合Golay码相关互补性质，对A、B码激励回波做脉冲压缩，再矢量相加后得到解码输出，而不会产生附加噪声(距离旁瓣为0)。

正交互补Golay(A、B)编码激励技术能提高回波增益，而不会带来噪声，达到理想解码效果。

⑴研究准单次激励正交互补Golay编解码实现技术。在不修改硬件电路条件下，通过发射一系列编码的连续波形，再对接收的连续波进行脉冲压缩成单脉冲激励回波实现解码，间接增大发射能量，具有通用性强、移植性好、灵活性高等特点，有重要意义；

⑵本发明设计准单次激励正交互补Golay编解码总体方案，从互补Golay码性质入手，分析传统双次Golay激励模式，通过GolayA→B码激励转换因子、脉冲压缩与矢量合成等核心内容，提出准单次激励方案，使得相控阵仪器基于Golay编码激励的扫查效率提高50％，弥补了双次发射带来的误差与低效率的不足，大幅度提高了信噪比。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法，该方法包括：

a由GolayA码超声编码激励波形；

b回波通过噪声抑制-反卷积法对GolayA码求反卷积、GolayB码求卷积，同时得到GolayB码激励回波，形成准单次激励；

c分别对GolayA、GolayB码激励回波进行脉冲压缩，再矢量求和实现解码。

2.根据权利要求1所述的准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法，其特征在于，所述步骤a具体包括：

通过对一定码长L_c的GolayA码元进行二相(1→0、-1→π)编码调制成激励探头的波形，包括根据实际应用设计编码距离Δd_c与对码元进行重采样进行长度扩张，再与基波信号卷积，形成可以驱动发射电路的编码序列串激励探头。

3.根据权利要求1所述的准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法，其特征在于，所述步骤b具体包括：

接收回波通过噪声抑制法对GolayA码求反卷积、GolayB码求卷积得到GolayB码激励回波，即由GolayA码激励一次，可获得GolayA、GolayB两次激励回波，达到互补Golay(A、B)分次激励效果，实现准单次激励。

4.根据权利要求1所述的准单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励方法，其特征在于，所述步骤c具体包括：

依靠GolayA、GolayB码正交互补关系，分别对GolayA、GolayB码激励回波进行相关逆向滤波实现脉冲压缩，把接收到的多个连续波进行能量压缩，再矢量求和抵消旁瓣、增加主瓣，实现解码，增大回波幅度。