CN105866257A - 一种基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法 - Google Patents

一种基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法，该方法包括：通过正交互补Golay(A、B)码二元序列的卷积运算，生成多元码C＝A*B进行单次编码激励；首先，由编码控制器实现多元码C的调幅、调相，把码元符号映射为具有一定相位与幅度的电脉冲信号，激励超声探头；其次，对编码激励后的回波信号，由经C→A、C→B码激励转换因子进行转换，形成两路回波信号，使其激励一次C码就间接产生单独由A、B码双次激励效果，形成准单次激励技术；再次，分别对两路回波信号进行脉冲压缩，由经矢量合成实现理想解码；最后，采用该方法对码长Lc＝8的互补Golay(A、B)进行编码激励与解码，并仿真其功能，用FPGA硬件验证了其编码激励效果。与传统方法相比，不但间接提高回波增益、激励效率，在信噪比、灵活性与可实施性方面也有较大优势。

Description

一种基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法
技术领域
本发明涉及一种基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法。
背景技术
超声相控阵系统编码激励技术与传统的单脉冲激励技术基本相似，都是通过发送一定相位、幅度、脉宽电脉冲激励超声探头，实现电-声信号转换，对被测工件内部进行扫描，采集回波信号，进行图像重建加以分析。其不同之处如：微观表现在每次发射的脉冲数量、相位与接收回波的处理方案等不一致，宏观结果表现：在相同的硬件条件下，编码激励技术(软件手段)能得到跟单脉冲一样的横向分辨力，纵向分辨力可大幅度提高。
理想的编码类型核心在于提高主瓣、抑制旁瓣能量。单次激励如Yannis S.Avrithis等(1998)采用CDMA(Code Division Multiple Access)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Jeong J S.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Byram B.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。
在所有码型中，目前仅正交互补Golay码两次互补编码发射能达到理想解码效果。从理想编码激励条件来说，正交互补特性的Golay码是最佳的码型选择。双次激励如利福尼亚大学Jinhyoung Park(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，一方面降低超声相控阵仪器扫查效率，另一方面在一些动态扫查过程中，会产生位置变化导致两次发射、接收波形不一致而影响解码效果的问题。
而单次正交互补Golay(A,B)码超声相控阵编码激励通过对传统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；但由于系统对称性差，且另一码元的回波完全由激励码元的回波计算得来，受激励码元的误差及噪声影响很大；因此，改成多元调制超声编码单次激励模式则有可能避免这样的问题。
卷积器、编码电路控制器、A*B→A码、A*B→B码激励转换因子、脉冲压缩与矢量合成模块均通过基于FPGA硬件与编程技术灵活实现。对码长Lc＝8的Golay码进行编码激励仿真其功能，用FPGA硬件验证了其编码激励效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法，对单次正交互补Golay(A,B)码激励方案进行改进，通过多元调制超声编码单次激励，不但间接提高回波增益，在信噪比、灵活性与可实施性方面也有较大优势。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
一种基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法，该方法包括：
a通过对正交互补Golay二元双路A、B码序列进行卷积运算，生成单路多元码C＝A*B；
b编码部分，由编码电路控制器实现多元码C的调幅、调相，把码元符号映射为具有一定相位与幅度的电脉冲激励信号输出激励超声探头；
c回波解码部分，对C码元编码激励后的回波信号，经A*B→A码、A*B→B码激励转换因子形成两路回波信号，间接实现单独由A码、B码激励效果转换；
d分别对两路回波信号进行脉冲压缩，再进行矢量合成实现理想解码。
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：
对单次正交互补Golay(A,B)码激励方案进行改进，通过对C＝A*B码以多元调制方式进行编码单次激励，该码本身携带了A、B码的内容，具有编码信息完整性，接收端对称分离出A、B码激励信号，不但间接提高回波增益，提高编码激励效率(传统的Golay码需两次发射)，信噪比、灵活性与可实施性方面也有较大优势。
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是基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法流程图；
图2是编码电路控制器组成原理框图；
图3是A*B→A码、A*B→B码激励转换原理框图；
图4是基于脉冲压缩Golay解码模块框图；
图5是C码编码激励解码仿真图(fp＝5MHz、Lc＝8)；
图6是C码编码激励实际解码图(fp＝5MHz、Lc＝8)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，为基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法流程，包括：
步骤10通过对正交互补Golay码二元双路A、B码序列进行卷积运算，生成单路多元码C＝A*B。
步骤20编码电路控制器实现多元码C的调幅、调相，把码元符号映射为具有一定相位与幅度的电脉冲激励信号输出激励超声探头；
编码电路控制器实现编码码元符号对探头传递函数进行两相(0,π)与多幅度调制，使得每个码元映射为不同相位、幅度的激励波形，具体通过对探头激励不同相位的双极性方波实现，其幅度通过升压电路控制。因卷积器输出的编码数字，须由经符号波形转换产生激励波形。图2是编码电路控制器组成原理框图，其主要构成模块如下：
(1)基波生成模块，产生标准的双极性方波Bw(n)，周期为探头振荡周期，TP与探头激励系统形成共振，能量输出最大化；
(2)码元R倍内插器，(R≥Δdc)Δdc为探头一次激励振荡的时间长度，即上小结提到的编码符号距离，得到GR(n)，保证一个码元对应探头一次振荡时间；
(3)卷积调相器，GR(n)与基波进行卷积，得到激励探头波形Pw(n)(Pw(n)＝Bw(n)*GR(n))对基波进行相位调制，实现相位幅度变换，产生编码激励信号；
步骤30是回波解码部分，对C＝A*B码元编码激励后的回波信号，经C→A、C→B码激励转换因子间接实现单独由A、B码激励效果转换。
C→A、C→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(A，B)码两次激励方能进行一次有效解码的劣势，提出由序列C码编码激励一次，通过软件算法，变换到A、B序列激励，变相实现正交序列对的两次激励，即C→A、C→B码激励转换，实现准单次编码激励与解码，提高发射效率。
图3是C→A、C→B码激励转换原理框图。为实现C→A码、C→B码激励转换，需解决一个求解反卷积问题，其方法有很多(如傅里叶反变换法、Z变换法、多项式乘除法、矩阵变换法等)，基于算法的FPGA适用性，可采用时域逆推法求反卷积，等效为一个线性时不变系统有关系y(n)＝f(n)*h(n)(输出y(n)、传递函数h(n)已知)求输入信号f(n)问题(信号恢复)，即求解反卷积问题。
步骤40分别对两路回波信号进行脉冲压缩，再进行矢量合成实现理想解码。
由理想编码激励条件：解码系统传递函数是编码函数a(n)、b(n)共轭，时域表达式为a(n)*＝a(-n)、b(n)*＝b(-n)。结合Golay(A、B)码正交互补性质，有A、B两序列的自相关函数之和为冲击函数，可完全消除旁瓣达到最佳解码效果，并通过脉冲压缩技术设计出解码方案。图4为基于脉冲压缩Golay解码模块框图，A、B码型两路激励回波hd(n)*a(n)、hd(n)*b(n)分别经过脉冲压缩后矢量叠加方能实现解码。
以脉冲压缩方式解码过程是一个自相关过程即hd(n)*a(n)*a(-n)、hd(n)*b(n)*b(-n)，可把多个连续波形压缩成单个波形，而不会产生附加噪声(距离旁瓣为0)，如图5编码激励与解码的仿真波形图所示、图6编码激励实际解码图所示。
可以看出，基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法，通过软件算法使A、B码两次激励合成多元码C＝A*B单次激励，不但间接提高回波增益与发射效率，在信噪比、灵活性与可实施性方面也有较大优势。
(1)研究理想编码激励条件及正交互补Golay码分析方法。理想编码激励系统经解码后回波信号幅度为单脉冲激励的Np倍，而噪声几乎不变，其优良编码类型核心在于提高主瓣、抑制旁瓣能量；针对正交互补Golay码激励方案，单次正交互补Golay(A,B)卷积码超声相控阵编码激励由于系统对称性差，编码激励型号同时包含了A、B码，由于解码系统对称性，同时分离出A、B激励波形，抗噪声干扰能力强，通过软件算法合成多元码C＝A*B编码单次激励，不但间接提高回波增益、发射效率，在信噪比、灵活性与可实施性方面也有较大优势。
(3)提出基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励总体方案，讨论分析卷积器、编码电路控制器、C→A、C→B码激励转换因子、脉冲压缩与矢量合成模块等核心内容实现机理与方法。
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 (5)

1.一种基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法，其特征在于，所述方法包括：
a通过对正交互补Golay二元双路A、B码序列进行卷积运算，生成单路多元码C＝A*B；
b编码部分，由编码电路控制器实现多元码C的调幅、调相，把码元符号映射为具有一定相位与幅度的电脉冲激励信号输出激励超声探头；
c回波解码部分，对C＝A*B码元编码激励后的回波信号，经A*B→A码、A*B→B码激励转换因子形成两路回波信号，间接实现单独由A码、B码激励效果转换；
d分别对两路回波信号进行脉冲压缩，再进行矢量合成实现理想解码。
2.如权利要求1所述的基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法，其特征在于，
步骤a通过卷积器对正交互补Golay二元双路A、B码序列进行卷积运算，生成单路多元码C＝A*B。
3.如权利要求1所述的基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法，其特征在于，所述步骤b具体包括：
先对多元码C进行内插0，再与基波进行卷积得到编码激励波形，正数对应正方波、负数对应负方波、零对应幅值为零的波形，幅度按比例对应发射电压，实现相位幅度调制，再映射到发射电路接口，经高压驱动电路激励探头。
4.如权利要求1所述的基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法，其特征在于，所述步骤c具体包括：
C→A码、C→B码激励转换，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，提出由多元码C＝A*B激励一次，通过软件算法，变换到A、B序列激励，实现正交序列对的两次激励，即实现C→A、C→B码激励转换。
5.如权利要求1所述的基于Golay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励方法，其特征在于，
所述步骤d的解码系统传递函数是编码函数a(n)、b(n)共轭，其中，a(n)、 b(n)是A、B码激励函数的离散时域表达式，以脉冲压缩方式解码过程是一个自相关过程即a(n)*a(-n)、b(n)*b(-n)，可把多个连续波形压缩成单个波形，而不会产生附加噪声，由于压缩后波形的互补性有距离旁瓣正负对称，进行矢量叠加以抵消距离旁瓣，而主瓣能量得以加强。
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