CN109188378A - 一种超声多普勒回波信号仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声多普勒回波信号仿真方法，该仿真方法按如下步骤依次进行：步骤一、在程序上设置超声探头所发射的超声波为f(t)＝cos(2×π×f₀×t)，将K个周期内所采f(t)的值存入矩阵x中；步骤二、被测物体相对于超声探头以径向速度v移动，根据公式(3)计算得出T₂的值；步骤三、设在矩阵x中第i个周期内所需要抽取的点数为N_i，通过公式(4)计算获得N_si，并对N_si四舍五入得到正整数N_i；步骤四、在矩阵x中，针对第i个周期，在当前周期的采样点中平均抽取N_i个点，依次放入矩阵y中；步骤五、在一个新的坐标系里，将得到的矩阵y中的的P个f(t)值作为纵坐标，以P个t_x作为横坐标，得到P个坐标点,作为超声多普勒回波信号。本发明的优点：计算效率高、更直观。

Description

一种超声多普勒回波信号仿真方法

技术领域

本发明涉及计算机信号仿真领域，尤其涉及的是一种超声多普勒回波信号仿真方法。

背景技术

自20世纪以来，多普勒技术在通信、医学等领域被越来越广泛的应用，超声多普勒信号分析方法的验证需要用到仿真的超声多普勒回波信号，现有仿真方法计算复杂，不能直观地真实的反应被测物体的运动状态。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，基于波阵面传播的物理概念，提供了一种计算效率高、更直观的超声多普勒回波信号仿真方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种超声多普勒回波信号仿真方法，所述仿真方法按如下步骤依次进行：

步骤一、在程序上设置超声探头所发射的超声波为f(t)＝cos(2×π×f₀×t)、超声波的中心频率为f₀、信号采样频率为f_s、采样时长为K个超声波的周期时长，其中，f(t)为超声波的振幅，则每个周期采样点数量为f_s/f₀，将K个周期内所采f(t)的值存入矩阵x中；

步骤二、被测物体相对于超声探头以径向速度v移动，且在每个发射超声波周期内，径向速度v是恒定的，设被测物体接收相邻两个超声波阵面的时间为T₁，设被测物体反射相邻两个超声波阵面时间为T₂，则有：

(c-v)×T₁＝λ＝c×T (1)

(c+v)×T₁＝λ₂＝c×T₂ (2)

其中，c为测试环境下的声速，T为发射超声波的周期时长，T＝1/f₀，λ为发射超声波的波长，λ₂为反射超声波的波长，

则由公式(1)和公式(2)得出：

根据公式(3)计算得出T₂的值；

步骤三、设在矩阵x中第i个周期内所需要抽取的点数为N_i，通过如下公式(4)计算获得N_si，

其中，i为正整数，且i＝(1,2，...K)，m为预设值且0<m<1；若N_si不是正整数，则对N_si四舍五入得到正整数N_i；

步骤四、在矩阵x中，针对第i个周期，在当前周期的采样点中平均抽取N_i个点，依次放入矩阵y中，共获得P个点，其中，P＝N₁+N₂+...+N_K；P为正整数；

步骤五、在一个新的坐标系里，将得到的矩阵y中的的P个f(t)值作为纵坐标，以P个t_x作为横坐标，得到P个坐标点,作为超声多普勒回波信号，其中t_x的时间坐标刻度是1/f_s/m，2/f_s/m,3/f_s/m，...，P/f_s/m。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、本方法根据多普勒频移的物理模型，从时空域出发对信号进行仿真，与目前普遍从频域出发进行仿真的方法相比，能够更真实的模拟真实信号的特性。

2、本方法考虑到每个波形周期内的实际状况，可以实时快速将被测物体的运动状态的微小变化反应在多普勒频移信号里，能够精确的利用此仿真信号对信号分析方法进行验证。

3、本方法计算简单，便于快速修改参数，根据发射波数据就可以仿真不同运动状态的多普勒回波信号。

附图说明

图1是本发明的仿真模型示意图。

图2是本发明的原始超声波信号波形图。

图3是本发明的多普勒超声回波仿真信号波形图。

图4是本发明的多普勒超声回波仿真信号的频域分析图。

图中标号：1超声探头，2被测物体，3发射超声波阵面，4反射超声波阵面。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1，本实施例公开了一种超声多普勒回波信号仿真方法,选用的物理模型是一个可以发射和接收连续超声波的超声探头1,以速度v移动的被测物体2，二者远离时速度v为正，超声波的零相位点对应为其波阵面的起点，如图1有发射超声波阵面3和反射超声波阵面4。由于真正产生多普勒频移的因素是被测物体2对于超声探头1的相对径向速度v，故本方法也适用于只有超声探头1运动或者超声探头1和被测物体2都运动的情形，只要计算出被测物体2相对于超声探头1的径向速度v即可。

步骤一、在程序上设置超声探头所发射的超声波为f(t)＝cos(2×π×f₀×t)、超声波的中心频率为f₀、信号采样频率为f_s、采样时长为K个超声波的周期时长，超声探头1所发射超声波的波形如图2所示，其中，f(t)为超声波的振幅，则每个周期采样点数量为f_s/f₀，将K个周期内所采f(t)的值存入矩阵x中；

本实施例中，f₀设为2.5MHZ,f_s为5000MHZ，K取60，则每个周期采样点数量为f_s/f₀＝5000/2.5＝2000个点，采样间隔为1/f_s＝1/5000M＝0.0002微秒。

步骤二、被测物体2相对于超声探头1以径向速度v移动，且在每个发射超声波周期内，径向速度v是恒定的，设被测物体2接收相邻两个超声波阵面的时间为T₁，设被测物体2反射相邻两个超声波阵面时间为T₂，则有：

(c-v)×T₁＝λ＝c×T(1)

(c+v)×T₁＝λ₂＝c×T₂(2)

其中，c为测试环境下的声速，c的取值为340m/s，T为发射超声波的周期时长，T＝1/f₀，λ为发射超声波的波长，λ₂为反射超声波的波长，本实施例中v根据如下公式来取值：v＝100×(sin(π×i÷10))，其中，i表示第i个发射超声波周期，i＝(1,2，...60)；

则由公式(1)和公式(2)可得出：

根据公式(3)计算得出T₂的值；

步骤三、设在矩阵x中第i个周期内所需要抽取的点数为N_i，通过如下公式(4)计算获得N_si,

其中，i为正整数，且i＝(1,2，...K)，m为预设值且0<m<1；本实施例中m取0.1，则根据前面得出的T₂和T的值，即可计算得出N_si的值，若N_si不是正整数，则对N_si四舍五入得到正整数N_i；

步骤四、在矩阵x中，针对第i个周期，在当前周期的采样点中平均抽取N_i个点，依次放入矩阵y中，共获得P个点，其中，P＝N₁+N₂+...+N_K；P为正整数；

步骤五、在一个新的坐标系里，将得到的矩阵y中的的P个f(t)值作为纵坐标，以P个t_x作为横坐标，得到P个坐标点,作为超声多普勒回波信号，其中t_x的时间坐标刻度是1/f_s/m，2/f_s/m,3/f_s/m，...，P/f_s/m，即t_x分别却前述的P个值作为横坐标，得到的多普勒超声波回波仿真信号波形图如图3所示。

为验证仿真方法的准确性，对仿真信号做S变换，观察其频域特性如图4所示，可见其中心频率也随时间做周期性变化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种超声多普勒回波信号仿真方法，所述仿真方法按如下步骤依次进行：

步骤一、在程序上设置超声探头所发射的超声波为f(t)＝cos(2×π×f₀×t)、超声波的中心频率为f₀、信号采样频率为f_s、采样时长为K个超声波的周期时长，其中，f(t)为超声波的振幅，则每个周期采样点数量为f_s/f₀，将K个周期内所采f(t)的值存入矩阵x中；

步骤二、被测物体相对于超声探头以径向速度v移动，且在每个发射超声波周期内，径向速度v是恒定的，设被测物体接收相邻两个超声波阵面的时间为T₁，设被测物体反射相邻两个超声波阵面时间为T₂，则有：

(c-v)×T₁＝λ＝c×T (1)

(c+v)×T₁＝λ₂＝c×T₂ (2)

其中，c为测试环境下的声速，T为发射超声波的周期时长，T＝1/f₀，λ为发射超声波的波长，λ₂为反射超声波的波长，

则由公式(1)和公式(2)得出：

根据公式(3)计算得出T₂的值；

步骤三、设在矩阵x中第i个周期内所需要抽取的点数为N_i，通过如下公式(4)计算获得N_si，

其中，i为正整数，且i＝(1,2，...K)，m为预设值且0<m<1；若N_si不是正整数，则对N_si四舍五入得到正整数N_i；

步骤四、在矩阵x中，针对第i个周期，在当前周期的采样点中平均抽取N_i个点，依次放入矩阵y中，共获得P个点，其中，P＝N₁+N₂+...+N_K；P为正整数；

步骤五、在一个新的坐标系里，将得到的矩阵y中的的P个f(t)值作为纵坐标，以P个t_x作为横坐标，得到P个坐标点,作为超声多普勒回波信号，其中t_x的时间坐标刻度是1/f_s/m，2/f_s/m,3/f_s/m，...，P/f_s/m。