一种连续多普勒信号处理装置和处理方法

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一种连续多普勒信号处理装置和处理方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及超声成像设备技术领域，具体涉及一种连续多普勒(CWDoppler)信号处理装置和处理方法。\n背景技术\n[0002] 多普勒成像系统中CW模式通常是这样工作的：探头的一部分阵元用于发射，另外一部分阵元用于接收。这样就可以一直连续的发射脉冲波形，因而CW模式不和像脉冲多普勒(PW)模式那样发生频谱混叠的现象。这样就可以将CW用于流速较快的血流信号的测量。\n[0003] 但是CW通常有一个问题是：由于发射和接收是同时进行的，因而CW所接收的回波信号通常比较大，特别是近场的信号。而当多个通道的回波信号进行波束合成(Beamforming)后会形成更大的信号，这就要求后续处理信号的器件要有更大的动态工作范围。\n[0004] CW模式通常的处理方式如图1所示，N条通道(整数N通常是16、32或更大的2的整数次幂)的回波信号先通过前置低噪声放大器(LNA)进行预放大，再将各个接收通道进行波束合成，然后将合成后的信号进行正交解调(I/Q Demodulate)，最后进行模数转换(ADC)。\n发明内容\n[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种连续多普勒信号处理装置和处理方法，克服现有技术的连续多普勒成像系统在对连续多普勒信号进行波束合成时，I/Q解调器容易饱和的缺陷。\n[0006] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：\n[0007] 一种连续多普勒信号处理装置，包括至少两个前置低噪声放大器LNA、数量与所述前置低噪声放大器LNA个数相同的I/Q解调器、第一波束合成器与第二波束合成器，每个所述前置低噪声放大器的输出端与一个相异的I/Q解调器输入端相连，每个所述I/Q解调器的I信号输出端与第一波束合成器的输入端相连，每个所述I/Q解调器的Q信号输出端与第二波束合成器的输入端相连，第一波束合成器的输出端连接第一带通滤波器，第二波束合成器的输出端连接第二带通滤波器。\n[0008] 所述的连续多普勒信号处理装置，其中第一带通滤波器的输出端连接第一模数转换模块。\n[0009] 所述的连续多普勒信号处理装置，其中第二带通滤波器的输出端连接第二模数转换模块。\n[0010] 所述的连续多普勒信号处理装置，其中所述前置低噪声放大器LNA的个数设为16或者大于16的2的整数次幂。\n[0011] 一种连续多普勒信号处理方法，包括步骤：\n[0012] A1、将回波信号通过前置低噪声放大器LNA预放大；\n[0013] A2、对每一路经预放大的信号进行I/Q解调；\n[0014] A3、将I信号和Q信号分别进行波束合成；\n[0015] A4、将合成后的信号经带通滤波器滤波后进行模数转换。\n[0016] 本发明的有益效果：本发明连续多普勒信号处理装置和处理方法与传统的方式相比，明显降低了I/Q解调器饱和的机率，可以在使用相同规格的I/Q解调器时增加波束合成的通道数，进而提高连续多普勒成像系统的信噪比。\n附图说明\n[0017] 本发明包括如下附图：\n[0018] 图1为现有技术连续多普勒信号处理装置示意图；\n[0019] 图2为本发明连续多普勒信号处理装置示意图；\n[0020] 图3为本发明连续多普勒信号处理装置I/Q解调器示意图；\n[0021] 图4为本发明连续多普勒信号处理装置波束合成器电路图；\n[0022] 图5为本发明连续多普勒信号处理装置带通滤波器与模数转换模块连接示意图。\n具体实施方式\n[0023] 下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：\n[0024] 如图2、图3、图4和图5所示，本发明连续多普勒信号处理装置包括N个(N的优化取值为2的整数次幂)前置低噪声放大器LNA、数量与前置低噪声放大器LNA个数相同的I/Q解调器、第一波束合成器与第二波束合成器，每个前置低噪声放大器的输出端与一个相异的I/Q解调器输入端相连，每个I/Q解调器的I信号输出端与第一波束合成器的输入端相连，每个I/Q解调器的Q信号输出端与第二波束合成器的输入端相连。第一波束合成器的输出端连接第一带通滤波器，第二波束合成器的输出端连接第二带通滤波器，第一带通滤波器的输出端连接第一模数转换模块，第二带通滤波器的输出端连接第二模数转换模块。\n[0025] CW回波信号经过前置低噪声放大器LNA进行前置放大，由于回波信号较大，前置低噪声放大器LNA的放大倍数通常在20dB左右，太大的放大倍数容易使后级电路饱和。然后放大的信号进入I/Q解调器进行I/Q解调，鉴别多普勒频移信号的方向。如图3所示，I/Q解调器由两个对称的吉尔伯特(Gilbert)乘法器实现，输入乘法器的两个信号分别是CW回波信号和本振信号(LO)，其中LO信号是同CW发射同频率的信号，而Q通道输入的本振信号同I通道的相差90°的相位。解调出来的结果是CW信号和LO信号相乘所得的信号。\n其中的的差频信号即是所需的多普勒频移信号，而和频信号需要后级的滤波器滤除。如果I信号输出相位滞后Q信号的输出相位，则说明多普勒频移信号是正向频移信号(血流方向流向探头)；如果I信号输出相位超前Q信号的输出相位，则说明多普勒频移信号是反向向频移信号(血流方向远离探头)。\n[0026] 将解调后的I、Q信号分别进行波束合成。波束合成有两个作用，一是将不同的通道加在一起提高信噪比，二是通过控制不同通道的延时达到聚焦的目的。波束合成器的实现方式如图4所示，波束合成器是由电感和电容构成，电流流经时会有一定的延时(通常是ns级别)，不同的抽头到输出有不同的延迟时间。这样只需要将需要不同延迟时间的LNA输出接到相应的抽头上就可以实现聚焦。由于I/Q解调器的输出通常是电流信号，所以可以将解调后的信号直接接到波束合成器上，最后的输出即是各个通道的和信号。而和信号同样是电流信号，所以需要在波束合成器内增加一个电流电压转换器，本发明中这一功能由运算放大器来实现。\n[0027] 通常情况血流多普勒的频移信号在1kHz-50kHz范围内，所以波束合成后的信号还要带通滤波器来去除频带以外的信号。如前所述，解调后的信号包括和频信号，因而需要低通滤波将其滤除；同时由于滤波后的信号进入模数转换模块ADC，所以该滤波器还有抗混叠的功效(Anti-aliasing)。除此之外，还需要高通滤波去除非血流信号的多普勒频移，即壁滤波(wall filter)，通常其截至频率为1kHz。\n[0028] 现有技术的连续多普勒成像系统是将所有的接收通道先进行波束合成，然后将合成后的信号进行I/Q解调；而本发明处理方法是将回波信号通过LNA预放大后，对每个通道的信号都进行I/Q解调，再将I信号和Q信号分别进行波束合成，然后将合成后的信号滤波后进行模式转换采样。这样做好处有三个：一是可以明显的降低解调器饱和的机率，减少失真。因为图1的方式中解调前的信号是各通道的和信号，而CW的回波包含了很强的近场回波信号，因而不能将太多的通道进行波束合成，否则很容易使I/Q解调器达到饱和状态而失真。本发明处理方法是分别对各个接收通道进行解调，这样就大大的降低了I/Q解调器饱和的机率。二是在相同条件下可以增加波束合成的通道数从而提高系统的信噪比。如前所述，因为I/Q解调器饱和的机率下降，可以对更多通道信号进行波束合成而不会出现饱和的现象，当波束合成通道增加一倍时，信号幅度增加6dB，噪声增加3dB，因而信噪比SNR可以提高3dB。三是因为I/Q解调器饱和的机率下降，可以通过提高前置低噪声放大器LNA的放大倍数来提高系统的信噪比。\n[0029] 本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。