双波束合成孔径超声成像系统的设计与调试

双波束合成孔径超声成像系统的设计与调试

随着数字技术的发展，数字波束合成技术在b超和超声波仪中得到了广泛应用。数字波束合成方法可以采用更高层次的数字信号处理技术进行数据的处理,因此,数字波束合成方法具有模拟波束合成方法所不具备的许多优越性能,例如:1)容易实现自校准和超低旁瓣;2)可实现跟踪式动态接收聚焦,获得超高分辨率;3)可以在相同的硬件通道上得到幅度信息(获得B型图像)与相位信息(获得多普勒血流图像)。目前,数字波束合成技术可分为单波束合成与多波束合成两大类。在国内,大多数B超仪都采用单波束合成技术,该技术的缺陷是帧频会受到超声传播速度及探测深度的限制,而多波束合成技术却没有此限制,它可以大大提高帧频。基于此,本文研究了数字双波束合成技术及其硬件实现方法。1双波束合成法1.1单波束接收线信号在传统的单波束合成中,发射时采用延时顺序激励阵元的方法,使各阵元按设计的延时依次先后发射声波;媒质内声波在发射焦点F处同相叠加增强,而在F点以外异相叠加减弱。接收时各阵元连续接收回波信号并转换为电信号;对各阵元输出电信号按预定的单波束接收线位置动态分配聚焦延时,并对延时后的回波信号求和,从而得到一根扫描线的信号。借鉴上述单波束合成思想,如图1所示,一种双波束合成的可能途径是:1)在发射时,由于焦点直径df∞λ0·f/D,λ0为发射信号的载波波长,f为发射焦距,D为发射孔径,故可通过增大发射焦距或减小发射孔径实现弱聚焦,使得发射聚焦波束宽度包括两根接收线。2)在接收时,与单波束接收类似,针对两个分别位于两条不同双波束接收线上的接收焦点D1、D2,各阵元连续接收超声回波信号;对经A/D采样得到的回波数据,分成两路送给两个波束合成器,从而利用一次发射得到两根扫描线。1.2波束合成条件校正为检验上述双波束合成方法的可行性,使用Matlab进行了建模仿真。表1给出的双波束接收在不同焦点处所产生的偏移,可以看出都出现了向左偏移,而且偏移规律为发射与接收焦点相同时偏移最大,随着发射与接收焦点的远离,偏移也逐渐减小。由于发射和接收不在同一条轴线上,接收回波能量更多来自于发射和接收线之间,而不是来自于接收线,经过分析,可知上述接收线失真具有图2所示的规律,图2中两条虚线分别代表发射与接收线,接收点的psf(点扩展函数)出现了向发射线靠近的现象。因此,可在接收过程中,使实际聚焦线按照图3所示,选取适当的聚焦延时,从而使psf中心点正好落在希望接收线上。按照上述方法思想,对波束合成进行了校正,表2给出了不同焦点位置经过校正后的偏移。可以看出,经过校正后的偏移几乎为零,已经可以满足实用的要求。2合成波束的特色结合合成孔径技术,笔者在某公司数字B超平台上实现了上述双波束合成技术。图4为双波束合成FPGA实现的总体框图。6路AD分时送来12通道的数据,并将每路送来的AD数据同时送两个数据流CHAN模块,去除A/D零偏并完成粗延时后送到乘加模块进行乘加,合成两个半波束数据,其中第一次发射接收时合成的两个半波束数据拼为32位数据,存入双口RAM存储器(M512kB)中;在第二次发射接收时,读出双口RAM存储器(M512kB)中的数据并与此次合成的两个半波束数据合并。将合成的一个波束数据送DSP做后处理,另一根线数据重新存入双口RAM存储器(M512kB)中。接下来在第三次发射接收时,将双口RAM存储器(M512kB)中存储的另一个波束数据读出送DSP,并延时两个时钟写此次合成数据与该双口RAM存储器(M512kB)中,这样每次发射将送出一个波束的数据,从而与单波束合成的帧频相同。此处利用LN0来区分奇数次(LN0=1)与偶数次扫描(LN0=0)。系数流COEF模块给CHAN模块提供fifo_ram的读地址计数器使能以及计数器加载控制信号,给合乘加模块提供两个波束的6路变插系数,并给孔径补偿模块提供孔径补偿系数。下面介绍各模块的电路实现。2.1插值变迹系数系数流COEF模块结构由3部分组成:一是根据聚焦RAM和延时RAM里的数据判断fifo_ram读地址计数器使能,并产生细延时读地址(聚焦延时控制模块);二是根据插值RAM与变迹RAM中的数据算出插值和变迹系数的乘积,并根据细延时选择系数来实时选择出12路变插系数A和B(插值变迹控制模块);三是要提供孔径补偿系数(孔径控制模块)。插值锁存器的使能是fifo_ram读地址计数器的使能信号的延时产生。变插系数是存放在24个小的RAM存储区域中,其读写数据宽度都是16bit。由于插值和变迹系数都是128个时钟周期变化一次,所以在当前128个时钟周期要计算出下一128周期的变插系数并存储在24个小的RAM存储区域中,并同时要往外以60MHz/16变化速率读出当前的变插系数并将两个通道合并成60MHz的变插系数流。如果当前变插系数存储于I区,则下一128周期的变插系数就往II区写。因为变插系数是根据细延时来选择,现在将细延时作为读地址,而乘法器计算出来的插变系数顺序地读出。2.2ad采样数据隔直数据流模块结构如图5所示,主要包括隔直,fifo_ram读、写控制几个模块。该模块首先完成对采样数据隔直(去零偏)处理;接下来以60MHz时钟锁存AD采样后输入的双通道30MHz数据流,并写入fifo_ram;最后根据系数流模块提供的延时信息控制fifo_ram数据读出,产生含有延时信息的数据流:outf_[7..0],outs_[7..0]。2.3接收波束2与接收波束2的合成系统采用两个同样的双波束合成乘加模块,分别负责接收波束1与接收波束2的合成,最后将合成数据与孔径补偿系数相乘并截掉低位得到扫描线送DSP做后续处理。2.4波束合成模块测试对前述双波束合成等模块笔者编写了FPGA逻辑测试模块,通过CPU将一组数据写入测试RAM中,经过双波束合成模块后,将数据通过CPU读入回读数据RAM中。同时使用Matlab编写同样的波束合成模块,计算出波束合成的数据,二者进行比较数据相同,证明波束合成模块设计正确。通过此测试后,进行整机成像测试,通过B超观察体模图像,所观察图像与体模所标图像一致,证明整机设计正确。3彩色超声多普勒血流的实时显像研究根据双波束合成原理,在一次发射周期内可