最小均方误差解调算法在彩色超声血流成像中的研究

研究了最小均方误差正交解调算法在超声血流成像中的应用。首先由设计的期望信号与接收信号在最小均方误差原则下得到其迭代解调形式,获得回波信号同相分量和正交分量,然后由得到的正交解调信号通过自相关的方法对血流流速进行估计。解调算法的仿真结果表明,对高斯噪声信噪比为0.5¹0 dB的正弦波调制信号,解调输出平均信噪比与Hilbert变换法和I/Q解调法相比分别提高了15 dB和4 dB;血流成像的仿真结果表明,在流速估计性能相当的情况下,解调的乘法运算量仅分别为上述对比方法的18%和9%。因此在超声血流成像中应用最小均方误差正交解调算法,对于提高估计性能和降低运算量都有一定意义。     

彩色超声血流成像中基于回波频率跟踪的正交解调方法

为了消除由超声频率下移所引起的血流速度估计精度的下降,提出了一种基于回波频率跟踪的正交解调方法.首先建立了回波中心频率随深度下移的线性模型;然后使用传统I/Q(Inphase/Quadrature)解调方法得到有偏的基带信号,采用自相关方法沿深度方向分段估计中心频率的下移量,并利用估计出的这些值对所建立的线性模型进行拟合;最后利用拟合后的模型来实时跟踪回波的中心频率,并将其作为参考频率再进行I/Q解调.仿真和试验结果表明,基于回波频率跟踪的正交解调方法能够得到近似无偏的基带信号,提高血流速度估计的准确度和精度,改善彩色超声血流成像的质量.     

应用于助听器反馈抑制的信噪比自适应滤波算法*

针对基于自适应滤波器的助听器反馈抑制系统,本文提出了一种基于信噪比的归一化最小均方误差算法,采用最小值统计法估计误差信号的噪声分量,从而计算出误差信号的信噪比来计算自适应滤波系数的更新步长。当误差信号信噪比越高,语音占主要成分,信号的相关性越强,此时将滤波器的更新步长控制在较小值,减小滤波器的失调量。当信噪比越低时,噪声占主要成分,信号的相关性相对较弱,更新步长取较大值,加快滤波器的收敛速度。在仿真实验中,本文提出的基于信噪比的归一化最小均方误差算法相较于传统算法在平均稳态失调量和稳态失调范围上分别低1dB和2dB,其最大稳态增益提高了4dB,同时具有更快的稳态收敛速度,验证了本文提出算法的有效性。     

基于投影寻踪的超声彩色血流成像杂波抑制方法

为抑制超声彩色血流成像(CFI)中杂波信号对血流速度估计的影响,提出一种基于投影寻踪(PP)的杂波抑制方法。根据回波信号的时域特性,采用投影寻踪法提取主元以降低主元对非血流区域的高强度杂波的敏感度;然后在特征向量空间去除估计得到的杂波成分,从而获得血流信号。将本方法用于计算机仿真信号和人体实测信号。结果表明:与传统的高通滤波器法相比,本方法能更好地保持流速剖面的完整性和血流轮廓;与特征向量法相比,在近似的流速完整度下本方法在非血流区域产生的误差较少,血管内外能量比高出特征向量法约5dB,能够有效地提高彩色血流成像的质量。      

一种非本征光纤法布里-珀罗传感器的信号解调算法

给出了一种基于均方误差估计的非本征光纤法布里-珀罗(EFPI)传感器的腔长解调算法。在参量估计方面, 均方误差将估计子的方差和偏差结合在一起, 具有更高的估计精度和准确度。如果给出某一个真值的一系列估计子, 则具有最小均方误差的估计子比其他估计子更为有效。在非本征光纤法-珀传感器的腔长解调方面, 则实际腔长对应于腔长均方误差估计取最小值时的腔长估计子。对一个非本征光纤法-珀压力传感器的测试结果表明, 腔长解调分辨率为0.18 nm, 对应的压力分辨率可达2.99 kPa。与传统的解调算法相比, 通过该算法可在较宽的动态范围内获得高的解调分辨率, 并实现绝对腔长的解调。     

基于判决导引的水声信道混合盲均衡算法研究

提出了一种适用于正交幅度调制(QAM)信号的混合盲均衡算法,该算法在初始模式中分别对QAM信号的同相分量和正交分量进行均衡,利用方形环判决域对均衡器输出信号进行判决,当误码率降到足够低的水平时自动切换到判决导引最小均方误差算法。最后利用水声信道仿真模型,对该算法的性能进行了验证。结果表明:该算法性能稳健,收敛后均方误差小,有效降低了高速水声通信的误码率,提高了水声信道均衡的稳定性,且有良好的冷启动和重新启动能力。     

一种基于光纤激光水听器的PGC改进解调算法

基于分布反馈式（DFB）光纤激光水听器，针对传统相位生成载波（PGC）解调方案中的不足，提出了一种新型的单路微分相除（PGC-SDD）解调算法。与传统的微分交叉相乘（PGC-DCM）和反正切（PGC-Arctan）解调算法相比，该方法仅需要双通道的1路信号作微分处理，以较少的运算步骤和计算量达到解调信号的目的。PGC-SDD算法能够更有效地应对环境引起的光强扰动和调制深度引起的谐波畸变，使解调结果更接近待测信号。对3种解调算法进行仿真和实验验证，结果表明:采用PGC-DCM解调其信噪比约12.4 dB，PGC-Arctan算法的信噪比约13.9 dB，PGC-SDD算法的信噪比达到了17.5 dB。     

基于双高斯衰减模型的超声回波处理方法

信号降噪与特征提取是超声检测数据处理的关键技术.基于超声信号有特定结构而噪声和超声信号的结构无关,本文提出一种旨在解决强噪声背景下超声回波的参数估计和降噪问题的方法.该方法将超声回波的参数估计和降噪问题转换为函数优化问题,首先根据工程经验建立超声信号的双高斯衰减数学模型,然后根据观测回波和建立的超声信号模型确定目标函数,接着选择人工蜂群算法对目标函数进行优化从而得到参数的最优估计值,最后由估计出的参数根据建立的超声信号数学模型重构出无噪的超声估计信号.通过仿真和实验表明本文方法可以准确估计出信噪比大于-10 dB的含噪超声回波中的无噪信号,且效果优于基于自适应阈值的小波降噪方法和经验模态分解方法;此外相比常用的指数模型和高斯模型,本文提出的双高斯衰减超声信号模型与实测超声信号更接近,其均方误差为9.4×10~(-5),波形相似系数为0.98.     

超声平面波同相正交信号频域波束形成算法

针对频域平面波波束形成算法尚不能直接应用于采用正交解调的超声成像系统中的实际问题,提出一种平面波同相正交信号频域波束形成方法。以平面波射频信号频域波束形成算法为基础,根据射频信号与同相正交信号波数空间变量之间的关系,推导了平面波同相正交信号与对应图像的频谱映射表达式,从而实现对正交解调后信号的频域超声图像重建。采用2016年Plane Wave Imaging Challenge in Medical Ultrasound (PICMUS)发布的仿真、仿体及在体原始回波数据对这一方法进行验证,并评估图像的分辨率和对比噪声比。仿真和仿体实验结果表明,相对于射频信号的频域波束形成算法,该算法可获得与之相同的图像质量,并将成像速度提高了约4倍。在体实验数据的成像结果也验证了该算法在实际应用中的有效性。     

基于希尔伯特解调的LFM信号调频斜率的识别

脉冲调制信号调制参数的识别与计算是很多领域的研究重点,文中以希尔波特解调为基础,依据LFM信号相位信息的特点和最小二乘法的拟合,研究了一种全新的线性调频信号的识别算法,并分析了识别算法对载频不敏感的特点,并通过迭代算法以及自身的收敛特性,可快速解调出LFM信号的调制参数;通过各类仿真信号的解调分析,算法的正确性和有效性得到了验证;结合虚拟仪器技术,本算法在某雷达接收机线性调频信号的测试得到了工程应用,进一步验证了算法的有效性。     

基于动态规划的超声多普勒信号最大频率曲线提取

提出一种基于全局优化的动态规划算法以进行超声多普勒血流信号最大频率曲线的提取。并将该方法分别应用于仿真的超声多普勒信号和实际采集的多普勒血流信号,在信噪比小于20 dB的较强噪声背景下,基于动态规划方法提取的最大频率曲线较之传统方法提取的结果,相对误差最多可减小20倍以上。在强噪声背景下的估计精度明显高于其它方法,显示出基于动态规划的最大频率曲线提取算法具有较好的抗噪声性能。结果表明:基于全局优化的动态规划算法能够从较强噪声背景中准确提取超声多普勒血流信号的最大频率曲线,并可进一步用于诊断血管疾病。     

解调带宽对船舶辐射噪声调制谱的影响

利用傅里叶分解原理建立了幅度调制的船舶辐射宽带噪声信号数学模型,导出了基于平方解调算法船舶辐射噪声调制谱数学表达式。通过理论分析和仿真计算得到了关于调制谱分析两个新的结论:(1)解调性能与解调处理带宽关系:在声呐接收的船舶辐射噪声各频带调制度相同时,解调性能正比于解调所采用的带通滤波带宽,解调所采用的带通滤波带宽越宽,解调谱信噪比越高;(2)宽带解调谱和子频带解调谱之间关系:船舶辐射噪声宽带解调谱可以近似认为各子频带解调谱之和。为了验证以上两点结论,对实际船舶辐射噪声解调谱进行了相应处理,结果与仿真计算吻合较好。      

超声平面波同相正交信号频域波束形成算法

针对频域平面波波束形成算法尚不能直接应用于采用正交解调的超声成像系统中的实际问题,提出一种平面波同相正交信号频域波束形成方法。以平面波射频信号频域波束形成算法为基础,根据射频信号与同相正交信号波数空间变量之间的关系,推导了平面波同相正交信号与对应图像的频谱映射表达式,从而实现对正交解调后信号的频域超声图像重建。采用2016年Plane Wave Imaging Challenge in Medical Ultrasound (PICMUS)发布的仿真、仿体及在体原始回波数据对这一方法进行验证,并评估图像的分辨率和对比噪声比。仿真和仿体实验结果表明,相对于射频信号的频域波束形成算法,该算法可获得与之相同的图像质量,并将成像速度提高了约4倍。在体实验数据的成像结果也验证了该算法在实际应用中的有效性。      

光纤法布里-珀罗传感器幅值归一化-最小均方差联合解调算法

面向光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调,提出一种结合幅值归一化与最小均方差的联合解调算法.采用幅值归一化实现返回光谱信号与模拟光谱信号的等幅,提高解调精度.仿真结果表明,相较于传统最小方差法,该算法的解调精度显著提升.实验结果表明,采用该算法可实现优于0.72nm的高分辨率.     

超声波电源中数字鉴相器设计

超声波电源系统中电压电流相位差测量精度影响着换能器振幅稳定性以及系统工作效率。目前基于异或门原理,采用分立数字芯片实现鉴相的方案,存在信号调理电路复杂、线性范围小、精度低等问题。为提高电压电流鉴相精度,该文提出了一种数字鉴相器设计。该数字鉴相器采用正交解调原理鉴相,并使用坐标旋转数字算法在FPGA上实现了鉴相器的设计,简化了电路,减少了杂散信号的干扰。经过Modelsim仿真测试表明在30 dB信噪比条件下鉴相误差为0.21°,最后经过实验测试,数字鉴相器鉴相最大误差绝对值为0.256°,提高了测量精度。     

Chirp编码的鲁棒医学超声内窥合成孔径方法

提出一种Chirp编码的鲁棒医学超声内窥合成孔径方法(CRSA),以减小人体组织声速误差对成像结果的影响。采用具有大多普勒容限与时间带宽积的Chirp码代替传统的Barker码激励超声换能器;再根据Chirp编码信号的特征,分别在纵向与横向完成超声回波的脉冲压缩。经FieldⅡ仿真实验以及超声成像实验结果验证,和Barker码比较,CRSA方法得到的实验结果,其横向分辨率由1.8 mm提高到1.4 mm;并且在6%的声速误差下,主瓣平均展宽和信噪比衰减分别由0.99 mm和3.8 dB降为0.04 mm和0.2 dB。实验结果表明,CRSA方法可有效抑制声速误差对分辨率与信噪比的影响,鲁棒性更强。      

多普勒加速度测量的数字相关鉴相算法

针对激光多普勒加速度测量系统信号信噪比较差的问题,提出了一种采用数字相关鉴相算法进行加速度解调的方法。使用数字相关鉴相算法计算激光多普勒加速度测量系统中两路干涉信号的相位差,再由相位差的变化率来计算目标加速度,从而实现运动物体加速度的连续测量。仿真结果表明:该算法在信噪比为20dB时,加速度测量的误差为0.135m/s~2,分辨率为7.3×10~(-3) m/s~2。搭建了激光多普勒加速度测量系统,对压电陶瓷振荡器的加速度进行测量,加速度的测量误差为0.13m/s~2。测量结果表明,该算法能够有效减少随机噪声的干扰,提高加速度的测量精度。     

基于Wigner-Ville分布的宽带回波到达时刻估计方法

研究了基于 Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布的宽带回波到达时刻的估计方法。通过回波信号与参考信号Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布的时频相关，完成对回波到达时刻的估计。在此基础上，本文提出了瞬时频域相关和ＸＷＶＤ峰值估计两种改进方法。通过仿真研究，发现这两种改进估计方法在低信噪比（０ｄＢ）下具有很好的估计性能，估计均方误差可以达到克拉美－罗界，并且运算量也大大降低，有利于工程实时应用。最后，本文讨论了线性调频信号时宽和带宽对估计性能的影响。     

超声辅助加工系统的刀具状态自感知算法

超声波振动台内含压电材料,可以拾取切削过程产生的振动信号,实现不借助外部传感器刀具工作状态的自感知。为了从刀具振动信号中获取有效信息,该文提出一种基于经验模态分解的时频域重构算法。首先,采用经验模态分解算法将原始信号分解,得到多个固有模态函数分量和残差分量;其次,计算原始信号与各分量之间的时频域互相关系数;再次,归一化时频域互相关系数作为权重值,将固有模态函数分量和残差进行重构;最后,通过数值仿真和超声辅助加工实验,验证了基于经验模态分解的时频域重构算法的去噪性能,提取了信噪比为5.03 dB的目标信号,从而实现了超声辅助加工系统的自感知功能。     

偏振复用光纤通信系统色散均衡器及算法的研究

设计了一种适用于偏振复用相干解调光纤通信系统的色散均衡器,用于补偿信道传输的色散损伤。该均衡器采用半码元间隔的蝶形有限脉冲响应滤波器结构,与此结构配合的自适应算法分别采用最小均方算法和递归最小二乘算法。通过仿真实验,分析了两种算法对残留色度色散和偏振模色散的补偿容限。仿真结果表明,递归最小二乘算法的补偿效果优于最小均方算法,它可以同时补偿1760ps/nm的残留色度色散和104.9ps偏振模色散引起的差分群时延,比同等条件的最小均方算法提升性能2.23dB。