超声专业字典的构造和使用方法
【专利摘要】本发明提供一种超声专业字典的构造和使用方法，包括超声专业字典的构造以及利用所构建的超声专业字典对脉冲超声信号进行稀疏分解，通过使用超声专业字典，可以快速得到超声信号的最简洁表达。字典中原子类的选择充分考虑了脉冲超声信号与原子类的几何结构相似性，其参数设置、离散化、搜索路径、匹配准则、寻优准则及判断准则均经过对脉冲超声信号的预训练得到，该字典还具有学习功能，可以根据实际使用情况，进行原子库更新。本发明的技术方案可极大改变目前超声信号稀疏分解时计算复杂度高、时间贪婪性及分解稳定性差的弊端，为可用于医学超声检测与成像领域、工农业超声无损检测领域和超声通讯领域的应用提供支撑。
【专利说明】超声专业字典的构造和使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及脉冲超声信号分析处理【技术领域】，具体而言涉及一种超声专业字典的构造和使用方法，适于脉冲超声信号的稀疏分解。
【背景技术】
[0002]近年来，超声信号的稀疏分解成为研究超声信号处理的新的分支领域，实现超声信号的稀疏分解，可以用少量的系数来表达和重构超声信号，极大地减少检测超声数字化所带来的大量数据，减小其对硬件性能和资源的依赖，突破现有超声信号处理技术的瓶颈，为超声信号处理提供新的视角和方法。该项技术可广泛应用于超声信号降噪、特征提取、数据压缩、模式识别、压缩传感及超分辨率成像等场合。
[0003]信号分解就是将信号在一组基或多组基上展开，基中的元素构成的空间可以是完备的，也可以是欠完备或过完备的。信号分解的目的就是将复杂信号分解成一系列简单信号，只要这种分解是收敛的，那么任一复杂信号就可以看作是由一系列简单信号所组成，可
以通过对系数Ici I i=l, 2，…，N, N Z}和基本函数!^/〗/=:^,…,#,#C 4的分析,来反推原
信号f(t)的信息。这是现代信号 分析与处理的重要方法，涉及的领域很广。选择不同的基本函数可以得到不同的信号分解形式，比如傅立叶分析、余弦分析、小波分析、独立分量分析、主分量分析等。根据基本函数的构成不同，又可以分为正交分解、非正交分解及冗余分解等。
[0004]信号的稀疏分解是近年来发展起来的一种以追求信号最简捷(或紧凑)表示为目的的信号分解方法，它是在综合其它分解方法特点的基础上发展而来的。信号稀疏分解(Sparse Decomposition)的思想是上世纪九十年代初提出的，代表性成果是Mallat和Zhang于1993年提出的信号在过完备库(over-complete dictionary)上分解的思想(Stephane G.Mallat, Zhifeng Zhang.Matching pursuits with time-frequencydictionaries[J].1EEE Transctions on Signal Processing, 1993，41(12):3397-3415)。为了追求信号的稀疏表达，传统的在单一基函数簇上对信号进行展开已经不能满足要求，这就要求建立一个超完备或过完备(Over-complete)或冗余(Redundant)的基函数库,这个库中应至少包含一组基函数，这个库已经超出了传统基函数的定义，习惯上称为原子库或原子字典(Atom Dictionary),而其中的元素也不再是传统意义下的基函数,而称作原子。目前针对信号稀疏分解已经发展了多种算法，其中最常用的是1993年Mallat等提出的信号稀疏分解的MP方法。
[0005]信号稀疏分解算法计算复杂度很高，计算量十分巨大，必须借助计算机才能实现。为了寻找到最优或次优匹配原子，原子库规模越大越有利，往往导致库中原子数量十分巨大，每完成一次分解，待分解信号都要在原子库中的每一个原子上作投影计算，并进行寻优和计算残差信号，所以，造成了信号稀疏分解算法的计算量十分惊人。这些不足严重制约了该项技术的推广和应用。
【发明内容】
[0006]针对现已技术的不足，本发明旨在提供一种超声专业字典的构造和使用方法，用于对脉冲超声信号稀疏分解，可使超声信号的稀疏分解变的更加简洁和高效，为超声信号降噪、特征提取、数据压缩、模式识别、压缩传感及超分辨率成像等提供支撑。
[0007]为实现上述一个目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0008]一种超声专业字典的构造方法，包括如下步骤:
[0009]I)选择字典的原子组成种类:将超声回波作为由目标体产生二次点声源声场的叠加，结合超声波始波激励波形和其在材料中点声源振动的特点，基于回波信号几何结构的相似性，在最小误差能量前提下，选取Gabor原子、cos原子和exp原子作为字典原子组成；
[0010]2)设置字典原子的参数:cos原子米用尺度与时移双参数调节，Gabor原子和exp原子采用尺度、时移、调制及频移四参数调节；
[0011]3)字典原子参数的离散化:四参数时频原子Y = (S，U，V, w)，按以下方法进行离散化处理:
[0012]y = (aJ, paJ Δ u, ka_J Δ v, i Δ w),其中:a=2, Δ u=l/2, Δ ν= ji，Δ w= π /6,0〈j≤log2N，0≤ρ≤N2_j+1，0≤k<2j+1，0≤i≤12，s为尺度，u为时移，ν为初始频率，w为初始相位，N为待分解信号的长度；
[0013]4)字典原子的更新与学习:对于同一类型的超声检测信号，记录分解系数从大到小的原子类型和离散化参数，作为下一次使用字典时的优先顺序；将匹配时分解系数小于预定阈值的原子从字典中库中删除，以减小原子库规模，以后的稀疏分解过程在删除新原子库上进行。
[0014]实现本发明另一个发明目的的技术方案是:一种根据前述超声专业字典构造方法构造的字典的使用方法，包括利用所构建的超声专业字典对脉冲超声信号进行稀疏分解，步骤如下:
[0015]I)匹配字典中的最佳原子类:将检测信号与原子库中的每一个原子做投影，系数最大者为最相似并作为最佳原子类；
[0016]2)匹配最优原子:将最佳原子类中的原子按前述字典原子参数的离散化处理方法与检测信号进行匹配，分解系数最大者为最优；
[0017]3)选择搜索路径:对于同一类目标体检测信号第一次使用字典时，按顺序法搜索，以后的搜索路径则按分解系数排序后，按照对应原子排序进行搜索；
[0018]4)判断准则:在检测信号分解后利用少量系数重构的信号残差能量小于规定阈值时，分解结束，其中:该规定阈值为第一次使用字典时根据信号来确定。
[0019]进一步,前述方法中，超声专业字典中Gabor原子、cos原子和exp原子的描述如下:
[0020]a) cos原子为由余弦函数经过尺度和时移得到的，其数学表达式为:
[0021]
【权利要求】
1.一种超声专业字典的构造方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)选择字典的原子组成种类:将超声回波作为由目标体产生二次点声源声场的叠加，结合超声波始波激励波形和其在材料中点声源振动的特点，基于回波信号几何结构的相似性，在最小误差能量前提下，选取Gabor原子、cos原子和exp原子作为字典原子组成； 2)设置字典原子的参数:cos原子米用尺度与时移双参数调节,Gabor原子和exp原子采用尺度、时移、调制及频移四参数调节； 3)字典原子参数的离散化:四参数时频原子Y= (s，U，V，W)，按以下方法进行离散化处理:
2.根据权利要求1所述的超声专业字典的构造方法，其特征在于，超声专业字典中Gabor原子、cos原子和exp原子的描述如下:
3.根据权利要求1或2所述的超声专业字典的构造方法所构建的超声专业字典的使用方法，其特征是，所述方法包括对脉冲超声信号进行稀疏分解，步骤如下: O匹配字典中的最佳原子类:将检测信号与原子库中的每一个原子做投影，系数最大者为最相似并作为最佳原子类； 2)匹配最优原子:将最佳原子类中的原子按前述字典原子参数的离散化处理方法与检测信号进行匹配，分解系数最大者为最优； 3)选择搜索路径:对于同一类目标体检测信号第一次使用字典时，按顺序法搜索，以后的搜索路径则按分解系数排序后，按照对应原子排序进行搜索； 4)判断准则:在检测信号分解后利用少量系数重构的信号残差能量小于规定阈值时，分解结束，其中:该规定阈值为第一次使用字典时根据信号来确定。
【文档编号】G06F19/00GK103473451SQ201310401466
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】宋寿鹏, 赵腾飞, 王云蛟 申请人:江苏大学