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1、第四章 超声信号、信道与指标第四章 超声信号、信道与指标 超声信号形式及其特性超声信号形式及其特性 超声信号与系统的主要指标超声信号与系统的主要指标 超声波发射方式和发射通道超声波发射方式和发射通道 超声波信号模拟接收处理通道超声波信号模拟接收处理通道 接收相关处理原理接收相关处理原理 各种显示管的原理各种显示管的原理本章提要：Chapter 4 Ultrasonic Signals ,Signal Channels and Index第第4.1节概述节概述医学超声诊断设备的物理通用模型如图医学超声诊断设备的物理通用模型如图4.1所示，采用脉冲回波法。所示，采用脉冲回波法。主要信道包括：发射通
2、道、电声转换、声波发射传播、声波接收传播、声 电转换、接收处理、显示单元等7个部分。主要信道包括：发射通道、电声转换、声波发射传播、声波接收传播、声 电转换、接收处理、显示单元等7个部分。 医学超声设备分为医学超声设备分为治疗治疗与与诊断诊断两类，但这里仅讨论诊断设备。两类，但这里仅讨论诊断设备。超声波信号 发生器超声波信号 发生器发射电路与 功率放大器发射电路与 功率放大器波形与图像 显示波形与图像 显示信号接收与 处理单元信号接收与 处理单元目标目标人体换能器 阵元换能器 阵元图图4.1 医学超声诊断系统示意图医学超声诊断系统示意图人体组织和脏器具有不同的声速和声阻抗，由第二章知，在界面
3、上会发生反射、透射与折射。如图人体组织和脏器具有不同的声速和声阻抗，由第二章知，在界面 上会发生反射、透射与折射。如图4.1所示，目前医学超声诊断中均 采用脉冲回波法，它是利用超声波在传播路径上遇到不同声阻抗的脏 器或界面能发生反射的物理特性检测回波，并用此进行一维幅度和二 维结构显示的。根据探测脉冲发出并到达界面以及返回所经历的往返 路程与声速的关系，可知声源到界面的距离所示，目前医学超声诊断中均 采用脉冲回波法，它是利用超声波在传播路径上遇到不同声阻抗的脏 器或界面能发生反射的物理特性检测回波，并用此进行一维幅度和二 维结构显示的。根据探测脉冲发出并到达界面以及返回所经历的往返 路程与声速
4、的关系，可知声源到界面的距离L为：式中：为：式中：c 超声波传播速度； 超声波传播速度；t 从发射点发出超声波到界面，并反 射回到发射点的接收回波的一段时间，称之为渡越时间。上式是广泛 用于脉冲回波法测距的理论基础。 从发射点发出超声波到界面，并反 射回到发射点的接收回波的一段时间，称之为渡越时间。上式是广泛 用于脉冲回波法测距的理论基础。超声诊断的基本原理是以三个物理假设为前提的：超声诊断的基本原理是以三个物理假设为前提的： 1.声束在介质中以直线传播；声束在介质中以直线传播； 2.在各种介质中声速均匀一致，在各种介质中声速均匀一致，c=1540 米秒；米秒； 3.在各种介质中介质的吸收系数
5、均匀一致在各种介质中介质的吸收系数均匀一致(增益补偿的基础增益补偿的基础)。L=c t2第第4.2节 超声信号形式及其特性节 超声信号形式及其特性序：序：无论是雷达或声纳信号， 超声波信号与它们一样有 着相似的系统工作方式或 工作原理，因此存在相似 的数学物理问题无论是雷达或声纳信号， 超声波信号与它们一样有 着相似的系统工作方式或 工作原理，因此存在相似 的数学物理问题。 一一. 信号特性的表达方法信号特性的表达方法 1. 时间波形：时间波形：代表了与现实时空 一致的信号，用s(t)表示。代表了与现实时空 一致的信号，用s(t)表示。2.频谱S()与功率谱P()2.频谱S()与功率谱P()3
6、.相关函数3.相关函数互相关函数：自相关函数：互相关函数：自相关函数：当y(t)=x(t)时，则 Rxy()=R()xx自相关函数和其功率谱密度函数是 一对傅里叶变换对。当y(t)=x(t)时，则 Rxy()=R()xx自相关函数和其功率谱密度函数是 一对傅里叶变换对。对于冲击响应为h(t)的线性系统：对于冲击响应为h(t)的线性系统： Rxy(t)=h(t)Rxx(t)Rxy(t)=h(t)Rxx(t) 当Rxx(t)=函数时，当Rxx(t)=函数时，Rxy(t)=h(t)Rxy(t)=h(t)dtetsSftj2)()( = =2SP|)(|)(=dttytxTRTxy =0)()(1)(
7、dttxxTRTxx =0)()(1结论证明：自相关函数和其功率谱密度函数是一对傅氏变换。结论证明：自相关函数和其功率谱密度函数是一对傅氏变换。）构成一对傅氏变换。（）与其能量谱密度结论：自相关函数反之：得：根据位移性质：定理：根据积分变换中的乘积证：由定义式得：）构成一对傅氏变换。（）与其能量谱密度结论：自相关函数反之：得：根据位移性质：定理：根据积分变换中的乘积证：由定义式得：=+=+R(de )(R)(de )(de)(Sde )(S)(S)(R,) t (fettd)(F)(Fd)(F)(Fdt) t (f ) t (fdt)t (x) t (x)(Rjjjjtj21 21 2121
8、2120122121结论证明：输入x(t)与输出y(t)的互相关函数等于x(t)的自相 关函数与系统冲击响应的卷积。结论证明：输入x(t)与输出y(t)的互相关函数等于x(t)的自相 关函数与系统冲击响应的卷积。)t (hd)t (h)()t (R)t ()t (Rd)t (h)(Rd)t (R)(h)t (R)t (Rdt)tt (y)t (xd)tt (x)(hdt)t (xdt)tt (x)t (xd)(hd)t (R)(h)t (R)t (hxyxxxxxxxyxyxxxx=+=+=+=+冲击函数，则有：为若即：证：冲击函数，则有：为若即：证：111111111二二. 超声信号超声信号
9、(Burst)分类分类 脉冲信号：脉冲信号：单载频（脉冲DOPPLER）、 (t)冲击函数（A、B、M超）单载频（脉冲DOPPLER）、 (t)冲击函数（A、B、M超）调频脉冲信号：调频脉冲信号：线性、阶梯 、非线性 调频（双曲线调频）（调频DOPPLER）线性、阶梯 、非线性 调频（双曲线调频）（调频DOPPLER） 超 声超 声规则信号规则信号编码脉冲信号：编码脉冲信号：相位编码、频率编码相位编码、频率编码 信信幅相编码幅相编码 号号 正弦波连续信号正弦波连续信号（连续波DOPPLER）（连续波DOPPLER）相位编码连续波信号相位编码连续波信号非规则信号：非规则信号：噪声信号、伪随机信号
10、（拟噪声）噪声信号、伪随机信号（拟噪声） （伪随机编码DOPPLER（伪随机编码DOPPLER）注意：注意：医学超声领域主要采用的信号形式是：医学超声领域主要采用的信号形式是：脉冲信号、正弦波连续 号、伪随机相位编码连续波信号。脉冲信号、正弦波连续 号、伪随机相位编码连续波信号。大多数大多数A、M、B超诊断仪均采用 脉冲信号。超诊断仪均采用 脉冲信号。 三三. 超声信号特性超声信号特性（一）单频载波脉冲信号（一）单频载波脉冲信号 1.波形：波形：如图如图4.2（a）所示。数学表示是：）所示。数学表示是：其中：其中：p(t)是幅度、宽度和周期分别为是幅度、宽度和周期分别为A、tc和和T的脉冲信号
11、。的脉冲信号。 2.功率谱：功率谱：如图如图4.2（b）所示。数学表示式是：）所示。数学表示式是：3.自相关函数：自相关函数：如图如图4.3所示。所示。=)2cos()(0)2cos()(00tftptfAts)1(sin)(02 +=+= = = nccc Tnffftft TAtfpTtAdtTAdttsTRctTc2002 2)(1)0(=（二）单频连续波信号（二）单频连续波信号 在连续波超声多普勒血流仪中，常采用单频正弦波信号：cos(2f在连续波超声多普勒血流仪中，常采用单频正弦波信号：cos(2f0 0t)， 具有很高的信噪比和灵敏度。t)， 具有很高的信噪比和灵敏度。（三）随机噪
12、声信号（三）随机噪声信号 它是一种任何时刻的取值都不能先验确定的随机变量。两两不相关， 数学期望值为零（它是一种任何时刻的取值都不能先验确定的随机变量。两两不相关， 数学期望值为零（互相关为“互相关为“0”，自相关为“”，自相关为“1”），称为白噪声。 功率谱在整个频带上为一恒定值，自相关函数为函数。），称为白噪声。 功率谱在整个频带上为一恒定值，自相关函数为函数。（四）伪随机相位编码连续波信号（四）伪随机相位编码连续波信号 1. m序列产生与波形：1. m序列产生与波形：图4.5是p=15的4级m序列产生器。图4.6是其波形。图4.5是p=15的4级m序列产生器。图4.6是其波形。 2.自相
13、关函数和功率谱：2.自相关函数和功率谱：书117页（4.10）是其自相关函数，相关曲线如图 4.7（a）所示。R（）具有逼近（）的特性。书117页（4.10）是其自相关函数，相关曲线如图 4.7（a）所示。R（）具有逼近（）的特性。 （4.11）公式为m序列的功率谱。（4.11）公式为m序列的功率谱。 3.伪随机连续波调相：3.伪随机连续波调相：整个功率谱被搬移到以f整个功率谱被搬移到以f0 0为中心的两边。为中心的两边。)()(sin)()( ,0 02202 221ffpa ptnffftft ppafP nnccc+=+= +=+=（五）线性调频脉冲信号（五）线性调频脉冲信号 1.波形波
14、形 信号的瞬时频率信号的瞬时频率f为：为：f(t) = f1+rt 信号的瞬时相位为：信号的瞬时相位为：2.自相关函数与功率谱自相关函数与功率谱 线性调频信号的自相关函数是一个非常近似的函数。如图线性调频信号的自相关函数是一个非常近似的函数。如图4.10（a） 所示，具体例子是调频收音机。） 所示，具体例子是调频收音机。4.10（b）图是功率谱。）图是功率谱。 （六）伪随机脉冲信号（六）伪随机脉冲信号 与连续性与连续性m序列不同之处是：序列不同之处是：m序列脉冲信号周期为序列脉冲信号周期为T，m序列长度序列长度 T1=ptc，p为码长，为码长，tc为子码宽度，为子码宽度，TT1。在。在T-T1
15、时间段，信号为零。 它是在连续性时间段，信号为零。 它是在连续性m序列长频率宽带中截取所需带宽信号。序列长频率宽带中截取所需带宽信号。+=+=+=+= 020222 102 1)cos()()()(rtfAtstrttfdttftt时当时当超声波在人体中传播的信号表示：*V(t )inV(r ,t )* g(t )* h (r ,t )* s(t )* h(r ,t )* g(t )outTTRRtV(t )ing(t )* g(t )* s(t )* h (r ,t )* h(r ,t )TRTRt = = = = ?超声波 换能器g(t )Tg(t )RV(t )in以声压形 式传播V(r ,t )out?s(t )h (r ,t )T?h (r ,t )R?人体以电压形 式传输散射脉冲响 应是一个统 计函数形式第第4.3节 超声信号与系统的主要指标节 超声信号与系
