，计算各子频带的协方差矩阵；
[0069] 具体地，第i个子频带所对应的数据大小为MX1，首先对维度是MXl的数据进行 空间平滑处理，其中以L个阵元为一组来计算协方差矩阵，共分为M-L+1组，计算的公式如 下：
[0071] 其中，食⑷是协方差矩阵，4(?)是频域上的回波数据，X^f是:4(科)的共辄转 置，i=l，2，…，K，K为子频带的个数。
[0072] 步骤1022,对步骤1021中得到的协方差矩阵在特征空间进行分解；
[0073] 具体地，按照如下的公式进行分解：
[0074]R=UAUh =UiAvU/7 +VpApVf
[0075]其中A=diag[XA2,. ..，A_,. ..，AJ，且特征值按照由大到小的顺序排列， 即（A^入2多…入num>…彡入L)，而U= [U1, U2,? ??，Unum,? ? ?uL]则是与之相对应的 特征矢量，选取合适的参数P，满足PA:，继而将整个特征空间划分为信号子空间 Us及噪声子空间Up两部分。为保证算法的稳健性能，选择的参数P介于0. 1~0. 5 ;
[0076] 步骤1023,利用步骤1022得到的信号分量特征空间，计算假定的导向矢量&在信 号子空间内的投影；
[0077] 具体地，按如下公式进行计算：
[0078]
[0079] 其中，Us为信号子空间，USH为Us的共辄转置，假定的导向矢量：中的元素均取为 "1"；
[0080] 步骤1024,利用凸优化方法估计真实情况下的导向矢量a;
[0081] 具体地，按如下公式进行计算：
[0084] 其中A1是由步骤1021中所得到的协方差矩阵的逆，导向矢量S是步骤1023中得 到的假定导向矢量在信号子空间内的投影，参数e是所设定的误差范围，其取值一般介于 (0,^)之间。
[0085]步骤1025,根据得到的协方差矩阵及重构的导向矢量，利用最小方差波束形成的 基本原理计算出一组最优权向量；
[0086] 具体地，按如下公式进行计算：
[0088] 其中Wmv(O1)是最优权向量，t⑷是步骤1021中得到的协方差矩阵的逆，导向 矢量a是步骤1024中得到的估计结果。
[0089] 步骤1026,根据得到的最优权向量以及如下公式计算出第i个子频带空间内的波 束形成的输出结果：
[0091] 其中，W^(q)是Wmv(CO1)的共辄转置，Y(CO1)是第i个子频带的波束形成的输出 结果，Xd(W1)是频域上的回波数据。
[0092] 步骤1027,按照上述的方法依次计算出B模式成像下每一根扫描线中各子频带（i =1，2,3，…，K)的波束形成输出结果；
[0093] 步骤103,将各子频带空间得到的波束形成输出结果进行累加，并转换到时域，得 到用于最终成像的输出结果。
[0094] 具体地，所述步骤103的处理方法包括：
[0095] 步骤1031，将每一段数据中的K个子频带的波束形成的输出结果进行累加，得到 频域的波束形成输出结果，计算公式如下：
[0097]其中，Y(co)是频域空间的波束形成输出结果，Y(CO1)是第i个子频带的波束形成 的输出结果。
[0098] 得到频域空间的波束形成输出结果，还需要进行后续的处理，用于最终的显示成 像：
[0099] 步骤1032,将频域空间的波束形成输出结果转换到时域；
[0100] 具体地，将每一段数据中的频域空间的波束形成输出结果进行傅立叶逆变换，即 将频域空间的波束形成输出结果转换至时域，得到最终的输出结果，在处理过程中，将每段 数据的大小取为MXNl。
[0101] 步骤1033,重复上述处理，计算得到所有Ng段的输出结果，使得每一根扫描线对 应的波束形成输出的数据大小为1XN，用于最终的显示成像。
[0102] 本发明涉及一种应用于超声成像的稳健宽带自适应波束形成方法，该方法的要点 包括：利用最小方差波束形成方法的基本思想，结合短时傅立叶变换、特征空间分解以及导 向矢量估计方法来提高波束形成器的性能。首先将所得到的回波信号由时域转换至频域， 并根据超声信号的频带特点将其划分为若干子带，接着在各个子带上分别做波束形成处 理，即通过特征空间分解的方法将假定的导向矢量投影在信号子空间内，然后通过凸优化 方法估计实际情形下的导向矢量，继而利用最小方差方法的基本原理，得到对各个子频带 空间的处理结果，并进行叠加得到整个频域的波束形成输出结果，最终利用傅立叶逆变换 转为时域上的数据用于最后的显示成像。本发明能够提高在非均匀介质环境下波束形成方 法的稳健性，并同时显著改善了超声成像的质量，可以应用于医学超声诊断及超声无损检 测等实际需求中。
[0103] 专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的 单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬 件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。 这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。 专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现 不应认为超出本发明的范围。
[0104] 结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的 软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM)、内存、只读存储器 (ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域 内所公知的任意其它形式的存储介质中。
[0105] 以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明 的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种应用于超声成像的稳健宽带自适应波束形成方法，其特征在于，该方法包括： 将所得到的超声回波数据由时域转换至频域，然后进行频带的划分； 计算所述频带划分后的各子频带的协方差矩阵； 根据得到的所述协方差矩阵，利用特征空间分解方法将假定的导向矢量投影在信号子 空间中； 通过凸优化方法估计真实的导向矢量； 利用最小方差方法的基本原理，得到各子频带空间的波束形成处理结果； 对所述各子频带空间的波束形成处理结果进行叠加，并转换到时域，得到用于最终成 像的输出结果。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所得到的超声回波数据由时域转 换至频域，然后进行频带的划分步骤，包括： 对B模式超声成像下每一根扫描线相应的各个阵元所接收到回波数据进行短时傅立 叶变换，将变换后所得到的频域数据划分为K个子频带。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所得到的超声回波数据由时域转 换至频域，然后进行频带的划分步骤包括： 根据发射的脉冲宽度预先设计出所述短时傅立叶变换的窗函数的宽度，然后进行回波 数据空间的划分； 对所述回波数据空间划分后的各段数据进行"补零"处理，然后由时域转换至频域； 对所述频域数据进行频带的划分。4. 根据权利要求1~3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述超声回波数据是经过 延时预处理的。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述频带划分后的各子频带的 协方差矩阵步骤，包括： 对各子频带的数据进行空间平滑处理，其中以L个阵元为一组来计算协方差矩阵，共 分为M-L+1组，计算的公式如下：其中，是协方差矩阵，是频域上的回波数据，是x>,)的共辄转置，i=1，2，…，K，K为子频带的个数。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用特征空间分解方法将假定的导 向矢量投影在信号子空间中步骤，包括： 按下式对得到的协方差矩阵在特征空间进行分解：其中A=CliagIiA1，入2，...，入臟，…，入J，且特征值（入！多入2多…入num多…彡入L)，U=[UuU2,... ,Umm,...uj是与之相对应的特征矢量，选取参数P介于0. 1~0.5,满足 入瞧彡员入1; 将整个特征空间划分为信号子空间Us及噪声子空间Up两部分。 利用得到的信号子空间Us，计算假定的导向矢量&在信号子空间内的投影：其中，Us为信号子空间，USH为Us的共辄转置，假定的导向矢量i中的元素均取为" 1"。7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过凸优化方法估计真实的导向矢 量，包括： 利用凸优化方法估计真实情况下的导向矢量a，计算公式如下：：其中，免1」是协方差矩阵的逆，导向矢量卩是假定导向矢量在信号子空间内的投影，参 数e是所设定的误差范围，一般介于（0，#)之间。8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用最小方差方法的基本原理，得到 各子频带空间的波束形成处理结果，包括： 根据得到的协方差矩阵及真实情况下的导向矢量，利用最小方差波束形成的基本原理 计算出一组最优权向量； 具体地，按如下公式进行计算：其中Wmv(CO1)是最优权向量，細)是得到的协方差矩阵的逆，导向矢量a是估计的真 实情况下的结果； 根据得到的最优权向量以及如下公式计算出各子频带数据的波束形成的输出结果：其中，WfUffl,)是wMV (?J的共辄转置，y(?J是第i个子频带的波束形成的输出结果，Xd(CO1)是频域上的回波数据。9. 根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述对所述各子频带数据的波束形成 处理结果进行叠加，得到频域空间的波束形成输出结果步骤，包括： 对每一段数据中的各子频带空间的波束形成的处理结果进行累加，得到频域空间的波 束形成输出结果，计算的公式如下：其中，Y(co)是频域空间的波束形成输出结果，Y(CO1)是第i个子频带的波束形成的输 出结果。
【专利摘要】本发明涉及一种应用于超声成像的稳健宽带自适应波束形成方法，包括：将所得到的超声回波数据由时域转换至频域，然后进行频带的划分；计算所述频带划分后的各子频带的协方差矩阵；根据得到的所述协方差矩阵，利用特征空间分解方法将假定的导向矢量投影在信号子空间中；通过凸优化方法估计真实的导向矢量；利用最小方差方法的基本原理，得到各子频带空间的波束形成处理结果；对所述各子频带空间的波束形成处理结果进行叠加，并转换到时域，得到用于最终成像的输出结果。本发明充分利用超声回波信号的宽带性特点，在频域内对真实环境下的导向矢量进行重构，使其能在相位畸变的条件下具备较为稳健的性能，并同时提高非均匀介质下的超声成像质量。
【IPC分类】G01S7/526, G01S7/52
【公开号】CN105223567
【申请号】CN201510627964
【发明人】夏新源, 李平, 孟晓辉, 理华
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年9月28日