一种单阵元双频换能器阻抗匹配方法、设备、存储介质

本发明涉及超声换能器阻抗匹配，特别涉及一种单阵元双频换能器阻抗匹配方法、设备、存储介质。

背景技术：

1、超声换能器在超声成像系统中起着至关重要的作用，其中心频率决定了超声的分辨率。随着中心频率的增加，超声分辨率增加，但成像深度随之相应减小。目前，常见的超声换能器一般工作于单一的频率，如需要改变工作频率以获得相应的成像效果则需更换另一种探头，这带来了很大的不便，尤其是介入超声(如血管内介入成像)，更换探头会增加手术风险和时间,也给病人增加了痛苦。即常见的单频换能器在成像深度和分辨率方面存在内在矛盾，需要相互折衷，从而限制了超声成像的进一步提升。

2、为了提升换能器应用场景，提高超声图像质量，实现看得远又看得清，国内外研究者们探索研究出了多频换能器。在一个换能器上设计两个或多个工作频率，实现一个换能器可以同时或者分时发射多个频率的超声波。其中，低频超声可以实现更深的深度，高频超声可以提供更高的分辨率和更小的近场盲区，实现不需要更换探头就可以提供不同频率的超声波，提高了检测效率，减小了介入式超声成像手术风险。

3、尽管多频换能器具有很多优势，但它们也带来了很多问题。多频换能器电阻抗在不同工作频率下变化很大，而与换能器相连接的设备，例如激励信号源或者数据采集设备，其阻抗通常为50ω，并且在工作频段范围内保持稳定。因此，将多频换能器直接连接到激励/接收源会导致不匹配，从而导致能量传输效率降低和回波信号减弱，严重不匹配时使得多频换能器甚至无法正常工作。此外，多频换能器的电阻抗也影响超声换能器的噪声性能、驱动响应、带宽和灵敏度。为了实现能量或信号良好的传输，需要激励/接收源设备和换能器阻抗之间相互匹配。目前，已有的换能器阻抗匹配技术多是针对单频换能器，对于单频换能器，通常只需要匹配单一频段(谐振点频率附近)的阻抗，包括解析法、实频计数法、史密斯圆图法等。

4、对于多频单阵元换能器，因其拥有多个谐振点，并且不同谐振频率点的阻抗差别很大，这导致需要同时匹配多个谐振频点，使多频换能器在几个谐振频段都能很好的与源阻抗匹配，从而获得更强的超声波信号。关于多频换能器匹配技术研究，美国德克萨斯州阿灵顿德克萨斯大学的机械与航天工程系黄海英等人在200-700khz频率范围内进行了宽带阻抗匹配，将采集信号的功率提高了9倍；中国科学技术大学安剑飞等人采用基于遗传算法的阻抗匹配方法实现了换能器的宽带电阻抗匹配，匹配频段为200～600khz。现有的多频匹配研究主要集中在宽频带阻抗匹配上，宽带匹配本质上还是一个频段，因此匹配的频率跨度是有限的，无法实现高频(>2mhz)、大谐振频率跨度的双频换能器的阻抗匹配。

技术实现思路

1、为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供一种单阵元双频换能器阻抗匹配方法，包括以下步骤：

2、测量单阵元双频换能器的阻抗特征数据；

3、通过所述阻抗特征数据确定待匹配的双频换能器的低频段的频率中心点和对应的阻抗值，以及高频段的频率中心点和对应的阻抗值；

4、通过低频段的频率中心点、对应的阻抗值和低频匹配网络进行低频阻抗匹配；

5、通过高频段的频率中心点、对应的阻抗值和高频匹配网络进行高频阻抗匹配：

6、将两个单频匹配网络组合成双频匹配网络，形成初匹配网络；

7、将初匹配网络的阻抗电路结构和元器件值作为初始状态，并进行仿真优化，得到优化后的双频匹配网络和元器件参数值；

8、测量阻抗匹配后的双频换能器的自反射系数，并根据测量结果调整阻抗匹配电路中元器件的参数值。

9、进一步地，所述测量单阵元双频换能器的阻抗特征数据为通过阻抗分析仪测量单阵元双频换能器的阻抗特征数据。

10、进一步地，所述通过所述阻抗特征数据确定待匹配的双频换能器的低频段的频率中心点和对应的阻抗值，以及高频段的频率中心点和对应的阻抗值包括以下步骤：

11、通过测量的阻抗特征数据生成阻抗曲线；

12、获取双频换能器的设计谐振频率点；

13、在设计谐振频率点的预设范围内，选择在阻抗曲线的最低点和最高点之间，且相位最接近0°线的点，最终测得低频的待匹配频率和对应的阻抗值，以及和高频的待匹配频率和对应的阻抗值。

14、进一步地，所述通过低频段的频率中心点、对应的阻抗值和低频匹配网络进行低频阻抗匹配包括以下步骤：

15、将确定的低频段的频率中心点和对应的阻抗值带入史密斯圆图；

16、在低频分类匹配电路中选择预设的低频匹配网络，得到低频阻抗匹配图像和元件参数值。

17、进一步地，所述低频匹配网络包括l型低频匹配网络、π型低频匹配网络和t型低频匹配网络，所述l型低频匹配网络包括第一l型低频匹配网络和第二l型低频匹配网络；

18、所述第一l型低频匹配网络包括电感和电容，所述第一l型低频匹配网络中的电感与源阻抗并联，所述第一l型低频匹配网络的电感、电容、负载阻抗依次串联；

19、所述第二l型低频匹配网络包括电感和电容，源阻抗、所述第二l型低频匹配网络的电容、电感依次串联，所述第二l型低频匹配网络的电感与负载阻抗并联；

20、所述π型低频匹配网络包括第一电感、第二电感、电容，所述π型低频匹配网络的第一电感、电容、第二电感依次串联，所述第一电感与源阻抗并联，所述第二电感与负载阻抗并联；

21、所述t型低频匹配网络包括第一电容、第二电容、电感，源阻抗、所述t型低频匹配网络的第一电容、电感依次串联，所述t型低频匹配网络的电感、第二电容、负载阻抗依次串联。

22、进一步地，所述通过高频段的频率中心点、对应的阻抗值和高频匹配网络进行高频阻抗匹配包括以下步骤：

23、将确定的高频段的频率中心点和对应的阻抗值带入史密斯圆图；

24、在高频分类匹配电路中选择预设的高频匹配网络，得到高频阻抗匹配图像和元件参数值。

25、进一步地，所述高频匹配网络包括l型高频匹配网络、π型高频匹配网络和t型高频匹配网络，所述l型高频匹配网络包括第一l型高频匹配网络和第二l型高频匹配网络；

26、所述第一l型高频匹配网络包括电感和电容，所述第一l型高频匹配网络的电容与源阻抗并联，所述第一l型高频匹配网络的电容、电感、负载阻抗依次串联；

27、所述第二l型高频匹配网络包括电感和电容，源阻抗、所述第二l型高频匹配网络的电感、电容依次串联，所述第二l型高频匹配网络的电容与负载阻抗并联；

28、所述π型高频匹配网络包括第一电容、第二电容、电感，所述π型高频匹配网络的第一电容、电感、第二电容依次串联，所述第一电容与源阻抗并联，所述第二电容与负载阻抗并联；

29、所述t型高频匹配网络包括第一电感、第二电感、电容，源阻抗、所述t型高频匹配网络的第一电感、电容依次串联，所述t型高频匹配网络的电容、第二电感、负载阻抗依次串联。

30、进一步地，所述将初匹配网络的阻抗电路结构和元器件值作为初始状态，并进行仿真优化，得到优化后的双频匹配网络和元器件参数值包括以下步骤：

31、搭建阻抗匹配网络和仿真环境，获取设置的源阻抗和负载阻抗；

32、将初匹配网络的阻抗电路结构和元器件值作为初始条件；

33、设置优化要达到的目标和元器件参数的变化范围；

34、计算双频换能器的自反射系数，并判断是否满足优化要达到的目标；

35、否则继续进入循环，调整元器件参数，再跳转至所述计算双频换能器的自反射系数步骤继续执行，直至满足优化要达到的目标，得到优化后的双频匹配网络和元器件参数值。

36、本发明的第二目的是提供一种电子设备，包括：存储器，其上存储有程序代码；处理器，其与所述存储器联接，并且当所述程序代码被所述处理器执行时，实现单阵元双频换能器阻抗匹配方法。

37、本发明的第三目的是提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现单阵元双频换能器阻抗匹配方法。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

39、本发明通过分析串联和并联电容、电感对高低频阻抗的影响，将高频匹配和低频匹配先解耦合，通过选择合适的匹配结构实现匹配一个频点时不弄乱另一个频点的阻抗，尽可能减小对另一个频点的影响，这样能够独立匹配低频和高频。将低频匹配结构和高频匹配结构组合形成完整的双频匹配网络，组合后的匹配网络在两个匹配频率点的阻抗都会有小范围变动，偏离原有最优阻抗，将该匹配作为初匹配状态，对匹配网络参数值进行仿真优化，将初匹配的网络结构和参数值带入软件，设定合适的匹配目标，从而获得更优的元件匹配参数值。

40、本发明能够实现高频(频率>2mhz)、大谐振频率跨度的单阵元双频换能器的阻抗匹配，提升了单阵元双频换能器信号质量。通过阻抗测试以及脉冲回波响应测试发现，匹配后工作频段的阻抗数值位于50ohm附近，回波幅值以及信噪比都有明显提升。从而可以看出，经过双频匹配，加入匹配电路的回波信号明显增强，信噪比获得提高，提升了超声灵敏度和探测深度，有利于提升超声图像质量。

41、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。