CN111413416B - 基于本振信号的正交解调方法、装置、系统及超声系统 - Google Patents

基于本振信号的正交解调方法、装置、系统及超声系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于本振信号的正交解调方法、装置、系统及超声系统，该方案中，除了确定当前成像模式下满足同步采样条件的本振信号的第一采样点数，还会确定当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数，然后选择数值最接近所述第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数。可见，通过该种方式能够选择出既满足同步采样条件又满足工程条件的本振信号的最优点数，能够减弱甚至消除解调过程中的频谱泄露效应，进而有效减弱甚至消除解调过程中由于频谱泄露效应带来的误差及由于误差产生的射频信号的镜像分量，提高了解调精度。

Description

基于本振信号的正交解调方法、装置、系统及超声系统
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种基于本振信号的正交解调方法、装置、系统及超声系统。
背景技术
超声的基本成像原理是利用换能器向目标对象发送特定频带的超声波，再通过换能器接收来自目标对象的散射和反射信号(本申请中也称为回波信号)，再对散射和发射信号进行波束合成、解调等一系列信号处理得到超声图像及频谱。换能器发射超声波与目标对象作用的这一过程可以等效为信号调制，换能器接收到的目标对象的散射和反射信号中会相应携带有目标对象信息，将散射和反射信号经过波束合成可得到射频信号。
在超声各成像模式下的回波信号处理过程中，通常需要将射频信号中的有用信号提取出来以得到解析信号。具体地，解析信号为基于射频信号x(t)构建的复信号，该解析信号的实部与射频信号x(t)相同，称为射频信号x(t)的同向分量(I路，In-phase)，解析信号的虚部与实部信号相位差90°，称为实信号的正交分量(Q路，Quadrature)。目前通常采用正交解调来处理射频信号，以得到有用的基带解析信号或者中频解析信号。
I/Q解调方法(也称直接乘sin(x)/cos(x)法)是当前各成像模式广泛采用的一种正交解调方法，其基本原理是将射频信号分别乘以参考正弦信号和参考余弦信号(也称正弦本振信号和余弦本振信号)得到两个通道信号，然后再分别进行低通滤波，最后对两个低通滤波后的通道信号合成即得到解调后的基带解析信号。此外，还有一种I/Q解调方法为带通正交解调，该方法是将正弦本振信号和余弦本振信号先与低通滤波器相乘获得两个正交的带通滤波器，再将射频信号分别与这两个正交的带通滤波器做卷积，合成之后即得到解调后的中频解析信号。
可见，采用I/Q解调方法时需要确定正弦本振信号和余弦本振信号的点数，但现有技术中对选取的本振信号点数并未做明确的规范和界定，有的也只是考虑了工程需要来选取本振信号点数，现有技术中选取的本振信号点数通常不满足同步采样，从而导致在解调过程中出现频谱泄露效应，频谱泄露效应会在解调过程中影响I、Q通道的正交相位一致性，从而导致在解调过程中由于幅相误差产生原射频信号的镜象分量，最终使得I、Q分量表示的信号不能精确地表示原射频信号。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于本振信号的正交解调方法、装置、系统及超声系统，提高了解调精度。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于本振信号的正交解调方法，应用于超声系统，包括：
基于所述超声系统的采样频率fs和当前成像模式下的本振信号的信号频率fc确定满足同步采样条件的本振信号的第一采样点数，所述本振信号包括正弦本振信号及余弦本振信号；
确定所述当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数；
选择数值最接近所述第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数，以基于最优点数对射频信号进行正交解调。
优选地，所述同步采样条件为N1为第一采样点数，p为正整数。
优选地，所述本振信号的信号频率fc等于所述超声系统的回波信号的中心频率。
优选地，确定所述当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数，包括：
判断所述当前成像模式是否需要选取取样门；
若需要，则确定所述取样门的长度SV，并基于所述采样频率fs、所述取样门的长度SV及取样点数关系式确定所述正弦本振信号和余弦本振信号的第二采样点数N2；其中，所述取样点数关系式为c为超声在组织中传播的声速；
若不需要，则将与所述当前成像模式对应地预设取样点数作为所述正弦本振信号和余弦本振信号的第二采样点数N2。
优选地，选择数值最接近所述第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数，包括：
当存在数值等于所述第二采样点数的第一采样点数时，选择数值等于所述第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数。
优选地，选择数值最接近所述第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数，包括：
当不存在数值等于所述第二采样点数的第一采样点数时，选择数值离所述第二采样点数最近的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于本振信号的正交解调系统，应用超声系统，包括：
第一确定单元，用于基于超声系统的采样频率fs和当前成像模式下的本振信号的信号频率fc确定满足同步采样条件的本振信号的第一采样点数，所述本振信号包括正弦本振信号及余弦本振信号；
第二确定单元，用于确定所述当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数；
最优确定单元，用于选择数值最接近所述第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数，以基于最优点数对射频信号进行正交解调。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述基于本振信号的正交解调方法的步骤。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于本振信号的正交解调装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述基于本振信号的正交解调方法的步骤。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种超声系统，包括如上述所述的基于本振信号的正交解调装置。
本发明提供了一种基于本振信号的正交解调方法，该方案中，除了确定当前成像模式下满足同步采样条件的本振信号的第一采样点数，还会确定当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数，然后选择数值最接近所述第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数。可见，通过该种方式能够选择出既满足同步采样条件又满足工程条件的本振信号的最优点数，能够减弱甚至消除解调过程中的频谱泄露效应，进而有效减弱甚至消除解调过程中由于频谱泄露效应带来的误差及由于误差产生的射频信号的镜像分量，提高了解调精度。
本发明还提供了一种基于本振信号的正交解调装置、系统及超声系统，具有与上述方法相同的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种基于本振信号的正交解调方法的过程流程图；
图2为本发明提供的一种基于本振信号的正交解调系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种基于本振信号的正交解调方法、装置、系统及超声系统，提高了解调精度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明提供的一种基于本振信号的正交解调方法的过程流程图。
该方法应用于超声系统，包括：
S11：基于超声系统的采样频率fs和当前成像模式下的本振信号的信号频率fc确定满足同步采样条件的本振信号的第一采样点数，本振信号包括正弦本振信号及余弦本振信号；
S12：确定当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数；
S13：选择数值最接近第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下本振信号的最优点数，以基于最优点数对射频信号进行正交解调。
本实施例中，在确定本振信号的采样点数时，从两方面来考虑：
一方面，站在满足同步采样条件的角度：由于在本振信号的采样点数满足同步采样条件时，能够减弱甚至消除解调过程中的频谱泄露效应，进而有效减弱甚至消除解调过程中由于频谱泄露效应带来的误差及由于误差产生的射频信号的镜像分量，提高解调精度。因此，本申请中，要求本振信号的采样点数满足同步采样条件。
具体地，一旦超声系统确定了，则超声系统的采样频率fs也便确定了，其中，超声系统的采样频率fs指的是每秒从连续的回波信号中提取并组成离散信号的采样个数。此外，超声系统具有不同的成像模式，例如C(Color Doppler，彩色多普勒)模式、PW(Pulse-wave Doppler，脉冲多普勒)模式、CW(Continuous-wave Doppler，连续多普勒)模式等，不同的成像模式下，超声系统选择的换能器可能是不同的，则通过选择的换能器发射的超声波的频率也可能是不同的，又本振信号的信号频率与超声波的发射频率相关，则本振信号的信号频率fc与当前成像模式有关，其中，本振信号的信号频率fc指的是每秒从连续的正弦信号和余弦信号中提取并组成离散信号的采样个数。在确定超声系统的采样频率fs和当前成像模式下的本振信号的信号频率fc后，满足与采样周期相乘的乘积等于整数个本振信号的本振周期的采样点数即为满足同步采样条件的第一采样点数，不难得到，满足该条件的第一采样点数为多个。
在第一采样点数为N1时，则本振信号的关系式为：
正弦本振信号：
余弦本振信号：
另一方面，站在满足工程条件的角度：由于不同的成像模式可能会需要不同组织深度的回波信号，因此，需要的采样点数也是不同的，基于此，可以基于工程条件的需要确定当前成像模式下的第二采样点数。
在分别得到满足同步采样条件的第一采样点数和满足工程条件第二采样点数后，从第一采样点数中选出最接近第二采样点数的第一采样点数，并将其作为当前成像模式下的本振信号的最优点数，并基于该最优点数对射频信号进行正交解调。
综上，通过该种方式能够选择出既满足同步采样条件又满足工程条件的本振信号的最优点数，能够减弱甚至消除解调过程中的频谱泄露效应，进而有效减弱甚至消除解调过程中由于频谱泄露效应带来的误差及由于误差产生的射频信号的镜像分量，提高了解调精度。
在上述实施例的基础上：
作为一种优选地实施例，同步采样条件为N1为第一采样点数，p为正整数。
具体地，本实施例中，超声系统的采样频率fs和当前成像模式下的本振信号的信号频率fc满足也即N1个采样周期等于p个本振信号的本振周期，由于符合要求的p为多个，则符合要求的N1也为多个，为一系列点数。满足该同步采样条件的本振信号在对射频信号进行正交解调得到解析信号，且在解调过程中不引入新的幅相误差，从而减弱甚至消除解调过程中的频谱泄露效应，进而有效减弱甚至消除解调过程中由于频谱泄露效应带来的误差及由于误差产生的射频信号的镜像分量，提高了解调精度。
在实际应用中，基于上述同步采样条件，为得到第一采样点数N1，在确定超声系统的采样频率fs和当前成像模式下的本振信号的信号频率fc后，可以首先计算本振信号的离散信号在采样频率fs下的每周期采样点数NT，该NT计算出来可能是整数或分数，然后将采样得到的本振信号的点数Nr除以NT(其中，Nr＝1,2,3…，初始值取Nr＝1)，也即判断该商是否为整数，如果不是整数，则表明采样Nr个本振信号采样点经历的时间不是整数个本振周期，不满足同步采样的条件，逐点增加本振信号的点数，并重复上述作商运算并判断商是否为整数，如果是整数，则此时的Nr即为满足同步采样条件的N1。作为一种优选地实施例，本振信号的信号频率fc等于超声系统的回波信号的中心频率。
为实现对射频信号的解析，与现有技术中通常选择本振信号的频率与超声系统发射的超声波的中心频率一致不同的是，本申请考虑到超声波的中心频率在经过组织后会衰减，也即回波信号的中心频率与超声波的中心频率存在一些偏差，因此，为提高解调精度，本实施例中，选择本振信号的信号频率fc等于超声系统的回波信号的中心频率。
作为一种优选地实施例，确定当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数，包括：
判断当前成像模式是否需要选取取样门；
若需要，则确定取样门的长度SV，并基于采样频率fs、取样门的长度SV及取样点数关系式确定本振信号的第二采样点数N2；其中，所述取样点数关系式为c为超声在组织中传播的声速；
若不需要，则将与当前成像模式对应地预设取样点数作为本振信号的第二采样点数N2。
具体地，本申请考虑到不同成像模式下所需要的不同组织深度的回波信号是不同的，例如PW模式是需要特定深度组织的回波信号，该成像模式是需要选择取样门的，取样门的长度决定了该深度下的检测宽度，而有一些成像模式是接收所有深度的回波信号，其是不需要取样门的，此时接收到的回波信号的点数与采样频率fs和组织深度有关。可以根据工程需要预先设定与各成像模式对应的用于解调的本振信号采样点数。
基于此，在确定当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数时，首先判断当前成像模式是否需要取样门，若需要取样门，则接收用户选择的取样门的长度SV，并将采样频率fs及取样门的长度SV代入到取样点数关系式，以确定本振信号的第二采样点数N2。若不需要取样门，则直接将与当前成像模式对应地预设取样点数作为本振信号的第二采样点数N2。
可见，通过该种方式能够满足各个成像模式的工程需要。
此外，还需要说明的是，为需要取样门的成像模式的采样点数设置档位，挡位是与第二采样点数N2相对应地，则对于那些需要选取取样门的成像模式，挡位是与取样门的长度相应地。
作为一种优选地实施例，选择数值最接近第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下本振信号的最优点数，包括：
当存在数值等于第二采样点数的第一采样点数时，选择数值等于第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下本振信号的最优点数。
作为一种优选地实施例，选择数值最接近第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下本振信号的最优点数，包括：
当不存在数值等于第二采样点数的第一采样点数时，选择数值离第二采样点数最近的第一采样点数作为当前成像模式下本振信号的最优点数。
在确定当前成像模式下的满足同步采样条件的第一采样点数N1和当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数N2后，需要选出既满足同步采样条件又满足工程条件的本振信号的最优点数，也即需要从第一采样点数N1中选出最接近第二采样点数N2的第一采样点数N1。
具体地，在实际应用中，可以判断是否存在数值等于第二采样点数N2的第一采样点数N1，若存在数值等于第二采样点数N2的第一采样点数N1，则直接将数值等于第二采样点数N2的第一采样点数N1作为当前成像模式下本振信号的最优点数。若不存在数值等于第二采样点数N2的第一采样点数N1，则选择数值离第二采样点数N2最近的第一采样点N1数作为当前成像模式下本振信号的最优点数。
则不难得到，在实际应用中，最优点数可能为数值等于第二采样点数N2的第一采样点数N1；
或者，为数值最邻近第二采样点数N2的小于第二采样点数N2的第一采样点数N1；
或者，为数值最邻近第二采样点数N2的大于第二采样点数N2的第一采样点数N1；
或者，为数值最邻近第二采样点数N2的小于第二采样点数N2的第一采样点数N1，与数值最邻近第二采样点数N2的大于第二采样点数N2的第一采样点数N1中更为邻近第二采样点数N2第一采样点数N1。
请参照图2，图2为本发明提供的一种基于本振信号的正交解调系统的结构示意图。
该系统包括：
第一确定单元1，用于基于超声系统的采样频率fs和当前成像模式下的本振信号的信号频率fc确定满足同步采样条件的本振信号的第一采样点数，本振信号包括正弦本振信号及余弦本振信号；
第二确定单元2，用于确定当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数；
最优确定单元3，用于选择数值最接近第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下本振信号的最优点数，以基于最优点数对射频信号进行正交解调。
对于本发明提供的一种基于本振信号的正交解调系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述所述基于本振信号的正交解调方法的步骤。
对于本发明提供的一种计算机可读存储介质的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。
本发明还提供了一种基于本振信号的正交解调装置，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行计算机程序时实现如上述基于本振信号的正交解调方法的步骤。
对于本发明提供的一种基于本振信号的正交解调装置的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。
本发明还提供了一种超声系统，包括如上述的基于本振信号的正交解调装置。
对于本发明提供的一种超声系统的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不再赘述。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于本振信号的正交解调方法，应用于超声系统，其特征在于，包括：
基于所述超声系统的采样频率和当前成像模式下的本振信号的信号频率/>确定满足同步采样条件的本振信号的第一采样点数，所述本振信号包括正弦本振信号及余弦本振信号；
确定所述当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数；
选择数值最接近所述第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数，以基于最优点数对射频信号进行正交解调；
其中，所述同步采样条件为，/>为第一采样点数，/>为正整数；所述本振信号的信号频率/>等于所述超声系统的回波信号的中心频率；
确定所述当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数，包括：
判断所述当前成像模式是否需要选取取样门；
若需要，则确定所述取样门的长度，并基于所述采样频率/>、所述取样门的长度/>及取样点数关系式确定所述本振信号的第二采样点数/>；其中，所述取样点数关系式为，/>为超声在组织中传播的声速；
若不需要，则将与所述当前成像模式对应的预设取样点数作为所述本振信号的第二采样点数。
2.如权利要求1所述的基于本振信号的正交解调方法，其特征在于，选择数值最接近所述第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数，包括：
当存在数值等于所述第二采样点数的第一采样点数时，选择数值等于所述第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数。
3.如权利要求1所述的基于本振信号的正交解调方法，其特征在于，选择数值最接近所述第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数，包括：
当不存在数值等于所述第二采样点数的第一采样点数时，选择数值离所述第二采样点数最近的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数。
4.一种基于本振信号的正交解调系统，应用超声系统，其特征在于，包括：
第一确定单元，用于基于超声系统的采样频率和当前成像模式下的本振信号的信号频率/>确定满足同步采样条件的本振信号的第一采样点数，所述本振信号包括正弦本振信号及余弦本振信号；
第二确定单元，用于确定所述当前成像模式下满足工程条件的本振信号的第二采样点数；
最优确定单元，用于选择数值最接近所述第二采样点数的第一采样点数作为当前成像模式下所述本振信号的最优点数，以基于最优点数对射频信号进行正交解调；
其中，所述同步采样条件为，/>为第一采样点数，/>为正整数；所述本振信号的信号频率/>等于所述超声系统的回波信号的中心频率；
所述第二确定单元具体用于判断所述当前成像模式是否需要选取取样门；若需要，则确定所述取样门的长度，并基于所述采样频率/>、所述取样门的长度/>及取样点数关系式确定所述本振信号的第二采样点数/>； 若不需要，则将与所述当前成像模式对应的预设取样点数作为所述本振信号的第二采样点数/>；其中，所述取样点数关系式为，/>为超声在组织中传播的声速。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述基于本振信号的正交解调方法的步骤。
6.一种基于本振信号的正交解调装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3任一项所述基于本振信号的正交解调方法的步骤。
7.一种超声系统，其特征在于，包括如权利要求6所述的基于本振信号的正交解调装置。
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