[发明专利]一种大时间带宽积的超声信号及其脉冲压缩方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于超声领域，具体地说，本发明涉及一种大时间带宽积的超声信号脉冲压缩方法及系统。

背景技术

超声波随传播距离的增加能量衰减，离换能器较远的目标所接收的超声信号很弱，携带信息的回波信号的信噪比很小，导致目标受噪声干扰严重，直接影响判定或测量的有效性和准确性。若还需要成像，成像质量很难保证，甚至不能成像。所以，超声信号既要保证足够的穿透能力，又要保证较高的精度。在系统的发射和馈电设备峰值功率受限制的情况下，前者依靠加大信号持续的时宽（τ）来携带足够的能量，后者要求信号具备足够的频带带宽（B）来保证高纵向分辨率。而传统的高斯脉冲、正余弦波的时间带宽乘积（Bτ）都等于1，即信号时宽增加则带宽降低、反之带宽增加则时宽降低，故不能同时满足上述两个要求。

线性调频（Linear Frequency Modulation，缩写为LFM）信号的时间带宽积可以大于1，能够同时具备有大的时宽和带宽。且信号的时频之间呈线性关系，斜率为B/够。脉冲在时间上的累积使得信号能量增大，在给定噪声功率谱密度情况下，压缩后信噪比明显增大；并且经过脉冲压缩后的主瓣脉冲展宽只有原来的1/B，所以信号带宽越大，分辨率就越高。其脉冲压缩技术可以通过对回波信号s_r(t)和发射信号的匹配滤波器脉冲响应h(t)卷积实现。理论上，匹配滤波器脉冲响应h(t)＝K·s*(-t),其中*表示复共轭。最终，将时宽大、幅值小的回波信号s_r(t)转变成幅值大、时宽小的脉冲压缩回波s_cr(t)。Bτ远大于1的LFM信号已在雷达、通信等领域获得广泛应用，并且脉冲压缩技术还被认为是雷达理论确立后最重要的三项创新发展之一。但是，超声领域中线性调频信号的应用还很有限。尤其是大时间带宽积超声信号的波形畸变严重，实际调频时宽和调频带宽都大打折扣，匹配滤波器失配程度太大，脉冲压缩的压缩比太小，脉冲压缩回波的信噪比和分辨率和理想值相差很多。

现有技术典型的线性调频脉冲压缩处理过程中,最主要的两个部分是线性调频信号s(t)的产生和匹配滤波器h(t)的设计。这两部分也是限制超声领域中大时间带宽积LFM信号应用的关键。

第一部分，理想的大时间带宽积超声信号的实现存在难度。超声换能器的脉冲响应，会使宽带发射信号发生严重的畸变，而长脉冲波形的失真更为严重。

激励信号的合成和优化是最为现实有效的控制换能器脉冲响应的方法。激励优化有两条路线，都是基于对换能器瞬态响应的大量研究和论证。其一是将激励信号分为多个组成部分，专门设计某一部分或两部分来抑制换能器脉冲响应中不需要的成分，达到减小波形失真、提高信号质量的目的。其二是剔除换能器全部的脉冲响应，直接求解逼近期望获得的超声信号所需要的激励信号。

第一种思路，最早在水声中的应用是由美国的J.C.Piquette于1992年提出。用软件控制合成激励信号。作为一项开创性的工作，它不但新颖而且有效，能够产生很好的矩形短脉冲波形。但是，该方法只适用于矩形短脉冲信号的发射，不能满足实际应用中对长脉冲、编码脉冲的需求。2007年，张建兰等也使用电补偿实现对低频水声换能器振动的控制。换能器发射端使用叠加了消影脉冲的激励信号。消影脉冲通过其相位、幅度和脉宽的控制，使其响应能够抵消超声信号的瞬态响应。针对二元编码调相信号和短脉冲信号，减小波形畸变程度，提高信号质量。

第二种思路，最早见于H.Ermert和J.Chmolke等人在1982的文章。利用可编程函数合成器，他们获得了短脉冲输出，认为这种方法可以超声无损检测和医学成像等领域提供高纵向分辨率超声信号。J.C.Piquette也曾与1996年提出一种基于z平面零极点分析的近似方法。他认为，对于给定换能器的理想输出，可以通过换能器的逆系统传递函数求解激励信号，用于获得接近期望的信号。但是逆系统的低效、不稳定性严重阻碍了实际实现。2007年，本申请的发明人之一张晗在换能器激励发射端使用计算机系统和任意信号发生器，通过软件计算激励信号，实现了高分辨率的单周期信号，也实现了B，为5.6、中心频率为1兆赫兹的线性调频信号。但该线性调频信号的B仅为0.8兆赫兹,压缩后脉冲宽度大于换能器在自身谐振频率下产生的脉冲宽度，反而造成分辨率降低。该方法难以产生应用于实际的大时间带宽积脉冲压缩。

此外，学术界还提出过匹配传输网络思想和声电反馈负技术，但都对器件要求过高、不便实现。且这些方法对硬件依赖太强，使用范围太受局限。若要用来实现大时间带宽积LFM信号，很难满足调频信号对线性、宽带的要求。