一種基于FPGA的B超數字波束形成技術

　　摘要：論述了一種運行在FPGA芯片上應用于B超的全數字波束形成技術。采用孔徑變跡、幅度加權變跡和動態變跡相結合的綜合變跡技術和動態聚焦技術，兩種技術均形成直觀的數學模型，在FPGA上的實現方法類似，先將數學模型數字化，然后計算出數據表存入ROM，運行時將ROM中提取的數據與輸入數據進行運算，即可得到預期的輸出數據。在Matlab仿真和樣機測試中達到了很好的抑制旁瓣和動態聚焦效果，提高了波束形成的精度。

　　引言

　　在線陣、凸陣、環形陣及相控陣式B超儀中，電子聚焦、變跡及方向控制等技術對回波信號的波束特性具有很大影響，是影響波束特性的主要因素，這些技術被綜合稱之為波束形成技術。老式的B超通常采用模擬波束形成方式，即每個陣元所接收的信號經前置放大及模擬延遲線適當延遲后疊加起來，也就是說，電子聚焦、變孔徑方向控制及變跡等都是在模擬信號控制下完成的。這種方式因器件的準確度不夠(如延遲時間、放大器增益等)、阻抗不匹配、引起插入損耗、參數容易產生漂移及惡化、引入噪聲等，使儀器的整機分辨力等特性難以達到更高的水平。本文介紹的數字波束形成技術是利用FPGA芯片通過軟件程序準確地控制延時時間，從而獲得最佳的電子聚焦、變跡、方向控制等方面的效果，最終達到提高儀器整體性能的目的。

　　數字波束形成理論及算法基礎

　　動態變跡(Dynamic Apodization)

　　在醫學超聲系統中，主波束寬度、旁瓣級大小、能獲得的信號動態范圍是影響超聲信號與圖像質量的三個重要的因素。在超聲設備中進行變跡處理主要是用來抑制旁瓣的影響。實現變跡的方法通常有孔徑變跡、幅度加權變跡、動態變跡等幾種。(1)幅度變跡：是指在信號接收處理過程中對中心振元信號賦予較大的權值，向兩邊權值逐漸減小，然后各振元輸出信號進行加權求和，進而抑制旁瓣和柵瓣的影響。(2)孔徑變跡是指在發射和接收過程中分別采用不同的孔徑在保持發射和接收波束方向一致的條件下，使發射和接收的旁瓣峰值相互錯開，由此來抑制旁瓣。(3)在接收過程中，采用幅度加權變跡處理后，抑制旁瓣的效果隨產生回波信號的深度而變化。在變跡有效的掃查深度附近一個小范圍內能很好地抑制旁瓣，在其他區域效果會明顯下降。這樣，根據回波到達換能器時間先后順序，同步動態地改變變跡函數，及各通道的加權系數，可使抑制旁瓣的有效深度由淺漸深地實時根據回波深度的變化而變化，使系統在掃查范圍內都具有最佳的抑制旁瓣的性能。在全數字波束形成系統中，通常將幅度變跡、孔徑變跡和動態變跡結合使用，來達到更好的抑制旁瓣的效果。