一种基于FPGA的B超数字波束形成技术

摘要：论述了一种运行在FPGA芯片上应用于B超的全数字波束形成技术。采用孔径变迹、幅度加权变迹和动态变迹相结合的综合变迹技术和动态聚焦技术，两种技术均形成直观的数学模型，在FPGA上的实现方法类似，先将数学模型数字化，然后计算出数据表存入ROM，运行时将ROM中提取的数据与输入数据进行运算，即可得到预期的输出数据。在Matlab仿真和样机测试中达到了很好的抑制旁瓣和动态聚焦效果，提高了波束形成的精度。

引言

在线阵、凸阵、环形阵及相控阵式B超仪中，电子聚焦、变迹及方向控制等技术对回波信号的波束特性具有很大影响，是影响波束特性的主要因素，这些技术被综合称之为波束形成技术。老式的B超通常采用模拟波束形成方式，即每个阵元所接收的信号经前置放大及模拟延迟线适当延迟后叠加起来，也就是说，电子聚焦、变孔径方向控制及变迹等都是在模拟信号控制下完成的。这种方式因器件的准确度不够(如延迟时间、放大器增益等)、阻抗不匹配、引起插入损耗、参数容易产生漂移及恶化、引入噪声等，使仪器的整机分辨力等特性难以达到更高的水平。本文介绍的数字波束形成技术是利用FPGA芯片通过软件程序准确地控制延时时间，从而获得最佳的电子聚焦、变迹、方向控制等方面的效果，最终达到提高仪器整体性能的目的。

数字波束形成理论及算法基础

动态变迹(Dynamic Apodization)

在医学超声系统中，主波束宽度、旁瓣级大小、能获得的信号动态范围是影响超声信号与图像质量的三个重要的因素。在超声设备中进行变迹处理主要是用来抑制旁瓣的影响。实现变迹的方法通常有孔径变迹、幅度加权变迹、动态变迹等几种。(1)幅度变迹：是指在信号接收处理过程中对中心振元信号赋予较大的权值，向两边权值逐渐减小，然后各振元输出信号进行加权求和，进而抑制旁瓣和栅瓣的影响。(2)孔径变迹是指在发射和接收过程中分别采用不同的孔径在保持发射和接收波束方向一致的条件下，使发射和接收的旁瓣峰值相互错开，由此来抑制旁瓣。(3)在接收过程中，采用幅度加权变迹处理后，抑制旁瓣的效果随产生回波信号的深度而变化。在变迹有效的扫查深度附近一个小范围内能很好地抑制旁瓣，在其他区域效果会明显下降。这样，根据回波到达换能器时间先后顺序，同步动态地改变变迹函数，及各通道的加权系数，可使抑制旁瓣的有效深度由浅渐深地实时根据回波深度的变化而变化，使系统在扫查范围内都具有最佳的抑制旁瓣的性能。在全数字波束形成系统中，通常将幅度变迹、孔径变迹和动态变迹结合使用，来达到更好的抑制旁瓣的效果。