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
【专利摘要】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。
【专利说明】
一种基于Go I ay互补卷积码的多元调制超声编码单次激励 方法
技术领域
[0001 ]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】
[0002] 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。
[0003] 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Y a η n i s S.Avrithis等（1998)米用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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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U = 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】
[0007] 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。
[0008] 本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
[0009] 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：
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 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。
[0014] 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：
[0015] 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】
[0016] 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：
[0017] 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；
[0018]图2是编码电路控制器组成原理框图；
[0019] 图3是A*B-A码、A*B-B码激励转换原理框图；
[0020]图4是基于脉冲压缩Golay解码模块框图；
[0021 ]图5是C码编码激励解码仿真图（f p = 5MHz、Lc = 8);
[0022] 图6是C码编码激励实际解码图（fP = 5MHz、Lc = 8)。
【具体实施方式】
[0023] 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。
[0024]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：
[0025] 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。
[0026] 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；
[0027] 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（0,3〇与多幅度调 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0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：
[0028] (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；
[0029] (2)码元R倍内插器，（R2 Adc)Adc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；
[0030] (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)=B w(n)*GR (η))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；
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033]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。
[0034]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。
[0035]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)共辄，时域表达式 为3(11)* = 3(-11)、13(11)* = 13(-11)。结合6〇137(4、8)码正交互补性质，有4、8两序列的自相关 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。
[0036] 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。
[0037]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。
[0038] (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^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。
[0039] (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。
[0040]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。
【主权项】
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)共辄，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。
【文档编号】G01N29/34GK105866257SQ201610407512
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】刘桂雄, 沈璐璐, 唐文明
【申请人】华南理工大学
文档序号 :
【 10509627 】
技术研发人员：刘桂雄,沈璐璐,唐文明
技术所有人：华南理工大学
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
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