测定声学换能器最佳驱动信号的方法与系统与流程

本发明涉及一种测定用于声学换能器，就驱动声学换能器的能量效率而言之最佳驱动信号的方法与系统。

背景技术：

声学换能器是声学成像系统中的关键部件。基于声学成像具非侵入性、非游离性、实时成像和成本效益等优势，因此声学成像技术经常用于非破坏检测、临床诊断和水下应用。例如，用于评估软组织结构和血流量的用于临床诊断的声学成像，是目前继常规x光摄影后使用最多的临床成像模式。

图1a与1b为一声学探头的典型构造。声学探头113内有由多个声学换能器117所构成的换能器阵列117a。构成换能器阵列117a的声学换能器117其数量大于或等于一。

在现有技术中，使用灵敏度来评估声学换能器117的特性。图2a2b所示为先前测量声学探头中的声学换能器灵敏度的方法。图2a为先前测得参考信号的安排方式。正弦猝发产生器(sineburstgenerator)200输出特定频率的正弦猝发信号(sineburstsignal)，在外部50欧姆负载所得为参考信号vr(t)204。图2b为先前测量声学探头113的安排方式。正弦猝发产生器200电性耦合到声学探头113，且该声学探头113浸在装设声学反射镜212的水浴槽208。声学探头113被正弦猝发产生器200驱动而发射出特定频率的正弦猝发声波214。此声学探头113接收反射自声学反射镜212的正弦猝发声波218而输出回波信号ve(t)224。

图3a为现有技术测量声学探头的参考信号波形。参考信号vr(t)204是至少15个周期的特定频率正弦猝发信号，其电压峰对峰值为vppr。图3b为使用现有技术测量声学探头方式所得的回波信号波形。回波信号ve(t)224是一特定频率的正弦猝发信号，其电压峰对峰值为vppe。该声学换能器的环路灵敏度(loopsensitivity)根据回波信号电压峰对峰值(vppe)与参考信号的电压峰对峰值(vppr)计算求得。

现有技术的缺点是每次仅能在一个特定频率测量声学换能器117的环路灵敏度。在声学探头初问世时，声学换能器仅对窄频带信号有所反应，然而随声学科技的进步，宽带的声学换能器发展迅速，因此需要一个测量声学换能器宽带特性的方法和系统，这个宽带特性包括标准化环路时域响应(normalizedlooptimeresponse)x(t)及基于能量效率之最佳驱动信号。

技术实现要素：

针对现有技术的上述不足，根据本发明的实施例，希望提供一种用于测量声学探头中的声学换能器的宽带特性的方法和系统；宽带特性包括标准化环路时域响应x(t)和基于能量效率的最佳驱动信号b(t)。

根据本发明的实施例，本发明介绍测定声学换能器之最佳驱动信号的方法，使用一个具备50欧姆输出阻抗，可产生单极性脉冲或双极性脉冲的脉冲产生器，电性耦合到外部50欧姆负载。在50欧姆负载上所得为一宽带参考信号vr(t)，进一步将宽带参考信号vr(t)以傅立叶变换求得函数

在本发明的第一个和第二个实施例，所采用的分别是一个单极性负向脉冲，以及一个单极性正向脉冲；在第三个和第四个实施例，所采用的分别是一个先产生负向脉冲再产生正向脉冲的双极性脉冲，以及一个先产生正向脉冲再产生负向脉冲的双极性脉冲。

将此具备50欧姆输出阻抗的脉冲产生器电性耦合到声学探头，以测量声学换能器的宽带特性。声学探头浸在装设声学反射镜的水浴槽，并将声学探头对准声学反射镜，使声波垂直射向并且从声学反射镜反射回来。声学探头中的声学换能器受此脉冲产生器驱动而朝向声学反射镜发射宽带声波。发射的宽带声波传递到在水浴槽中的声学反射镜后，再反射回到该声学换能器。声学换能器接收到此反射宽带声波后，产生一宽带回波信号ve(t)，再将此宽带回波信号ve(t)以傅立叶变换求得函数

本发明定义声学换能器的标准化环路频域响应(normalizedloopfrequencyresponse)为函数除以函数的比值，即：

本发明亦定义声学换能器的标准化环路时域响应x(t)为标准化环路频域响应的傅立叶逆转换函数。

本发明将声学换能器的标准化环路频域响应与标准化环路时域响应x(t)储存于系统的韧体或是程序内存中。

本发明定义声学换能器的最佳驱动信号如下：

其中g(t)为由标准化环路频域响应与标准化环路时域响应x(t)择一所导出的函数，α则为一选择用于乘以函数g(t)的系数。

依本发明叙述的方法，函数g(t)可经由标准化环路时域响应x(t)的自逆折积(self-deconvolution)求得，亦可由标准化环路频域响应先取平方根再进行傅立叶逆转换而得到。

本发明将函数g(t)储存于系统韧体或是程序内存中，用于测定最佳驱动信号b(t)的测量方法亦嵌入在系统韧体或是程序内存中。

本发明将最佳驱动信号b(t)储存在可编程波形产生器中，用以驱动声学换能器。

根据本发明的实施例，本发明提出的一种测定并产生用于声学探头中之声学换能器的最佳驱动信号之系统。该系统包括脉冲产生器、信号处理单元、换能器选择器、可编程波形产生器和控制单元。控制单元还包括韧体、程序内存和储存器。

附图说明

图1a与图1b为声学探头的典型构造示意图；

图2a显示现有技术测量参考信号的安排方式；

图2b显示现有技术测量声学探头的安排方式；

图3a显示现有技术测量声学探头的参考信号波形；

图3b显示使用现有技术测量声学探头所得的回波信号波形；

图4a与图4b显示本发明第一个实施例之宽带参考信号，所采用者为一个单极性负向脉冲波形及其能量频谱；

图5a与图5b显示本发明第二个实施例之宽带参考信号，所采用者为一个单极性正向脉冲波形及其能量频谱；

图6a为本发明第一个与第二个实施例中，以单极性脉冲为宽带参考信号之典型能量频谱；

图6b为本发明第一个与第二个实施例中，声学换能器的典型频率响应；

图7a与图7b为本发明第三个实施例之宽带参考信号，所采用者为一个先产生负向脉冲再产生正向脉冲的双极性脉冲波形及其能量频谱；

图8a与图8b为本发明第四个实施例之宽带参考信号，所采用者为一个先产生正向脉冲再产生负向脉冲的双极性脉冲波形及其能量频谱；

图9a为本发明第三个与第四个实施例中，以双极性脉冲为宽带参考信号之典型能量频谱；

图9b为本发明第三个与第四个实施例中，声学换能器的典型频率响应；

图10a为本发明测量宽带参考信号的安排方式；

图10b为本发明测量测量声学探头的安排方式；

图11a为本发明第一个实施例所采用，以一个单极性负向脉冲作为宽带参考信号，其信号波形及其傅立叶变换函数；

图11b为本发明第一个实施例采用单极性负向脉冲，所得到宽带回波信号的波形及其傅立叶变换函数；

图12a为本发明第二个实施例所采用，以一个单极性正向脉冲作为宽带参考信号，其信号波形及其傅立叶变换函数；

图12b为本发明第二个实施例采用单极性正向脉冲，所得到宽带回波信号的波形及傅立叶变换函数；

图13a为本发明第三个实施例所采用，以第一种双极性脉冲作为宽带参考信号，其信号波形及傅立叶变换函数；

图13b为本发明第三个实施例采用第一种双极性脉冲，所得到宽带回波信号的波形及傅立叶变换函数；

图14a为本发明第四个实施例所采用，以第二种双极性脉冲作为宽带参考信号，其信号波形及傅立叶变换函数；

图14b为本发明第四个实施例采用第二种双极性脉冲，所得到宽带回波信号的波形及傅立叶变换函数；

图15为本发明测定声学换能器最佳驱动信号方法之流程图；

图16a为以本发明方法测量一声学换能器所得之标准化环路时域响应；

图16b为以本发明方法测量一声学换能器，根据所得标准化环路时域响应，测定得到该声学换能器之最佳驱动信号；

图17为本发明用以测定并产生声学探头中之声学换能器的最佳驱动信号之系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修改同样落入本发明权利要求所限定的范围。

本发明揭示一种用于测量声学换能器的宽带特性的方法和系统；宽带特性包括标准化环路时域响应x(t)和基于能量效率的最佳驱动信号。“环路”是指由一声学换能器发射声波，并且以同一个声学换能器接收对应的反射回波之脉冲回波模式(pulse-echomode)。

本发明介绍测定声学换能器之最佳驱动信号的方法。

为测量声学换能器的宽带特性，本发明采用一个脉冲信号为宽带参考信号vr(t)。本发明举例之四个实施例所采用的脉冲信号分别为：单极性负向脉冲400、单极性正向脉冲500、先产生负向脉冲再产生正向脉冲的双极性脉冲700、以及先产生正向脉冲再产生负向脉冲的双极性脉冲800。

图4a与图4b为本发明第一个实施例之宽带参考信号vr(t)，所采用者为一个单极性负向脉冲波形400及其能量频谱404。宽带参考信号vr(t)的能量频谱为其中是单极性负向脉冲vr(t)的傅立叶变换函数。

图5a与图5b为本发明第二个实施例之宽带参考信号vr(t)，所采用者为一个单极性正向脉冲波形500及其能量频谱504。宽带参考信号vr(t)的能量频谱为其中是单极性正向脉冲vr(t)的傅立叶变换函数。

图6a为本发明第一个与第二个实施例中，以单极性脉冲为宽带参考信号的典型能量频谱。宽带参考信号的能量频谱404,504之最大能量密度位于0hz(f0)处。该能量频谱的上限频率(f4)为宽带参考信号的能量频谱404,504之能量密度相对于最大值，降低至一特定值(例如-6db)时的频率。

图6b为本发明第一个与第二个实施例中，典型的声学换能器频率响应600。频率响应最大值通常发生在声学换能器的中心频率或共振频率。频率响应之上限频率(f3)和下限频率(f2)分别为频率响应相对于最大值，降低至一特定值(例如-6db)时之频率，而频率响应最大值之频率位于(f2)与(f3)之间。

为了确保测量时有良好的讯噪比(signal-to-noiseratio)，第一个与第二个实施之宽带参考信号的能量频谱404,504的上限频率(f4)需高于声学换能器的典型频率响应600的上限频率(f3)，亦即f4>f3。

图7a与图7b为本发明第三个实施例之宽带参考信号vr(t)，所采用者为一个先产生负向脉冲再产生正向脉冲的双极性脉冲波形700及其能量频谱704。宽带参考信号vr(t)的能量频谱为其中是先产生负向脉冲再产生正向脉冲的双极性脉冲vr(t)的傅立叶变换函数。

图8a与图8b为本发明第四个实施例之宽带参考信号vr(t)，所采用者为一个先产生正向脉冲再产生负向脉冲的双极性脉冲波形800及其能量频谱804。宽带参考信号vr(t)的能量频谱为其中是先产生正向脉冲再产生负向脉冲的双极性脉冲vr(t)的傅立叶变换函数。

图9a为本发明第三个与第四个实施例中，以双极性脉冲为宽带参考信号的典型能量频谱。该能量频谱的下限频率(f1)与上限频率(f4)为宽带参考信号的能量频谱704,804之能量密度相对于最大值，降低至一特定值(例如-6db)时的频率，而宽带参考信号的能量频谱704,804之最大能量密度位于(f1)与(f4)之间。

图9b为本发明第三个与第四个实施例中，典型的声学换能器频率响应900。频率响应最大值通常发生在声学换能器的中心频率或共振频率。频率响应之上限频率(f3)和下限频率(f2)分别为频率响应相对于最大值，降低至一特定值(例如-6db)时之频率，而对应频率响应最大值之频率位于(f2)与(f3)之间。

为了确保测量时有良好的讯噪比(signal-to-noiseratio)，第三个与第四个实施例之宽带参考信号的能量频谱704,804的上限频率(f4)需高于声学换能器的典型频率响应900的上限频率(f3)，并且宽带参考信号的能量频谱704,804的下限频率(f1)需低于声学换能器的典型频率响应900的下限频率(f2)，亦即f4>f3>f2>f1。

图10a为本发明测量宽带参考信号400,500,700,800的安排方式。外部50欧姆负载电性耦合到具50欧姆输出阻抗的单极性或双极性脉冲产生器1000，而在50欧姆负载上获得宽带参考信号vr(t)。

图10b为本发明测量测量声学探头的安排方式。具50欧姆输出阻抗的脉冲产生器1000电性耦合到声学探头113，以便测量声学换能器117的宽带特性。声学探头浸在装设声学反射镜212的水浴槽208，并将声学探头对准声学反射镜，使声波垂直射向并且从声学反射镜反射回来。声学探头中的声学换能器受此脉冲产生器驱动而朝向声学反射镜发射宽带声波1004。发射的宽带声波传递到在水浴槽中的声学反射镜后，再反射回到该声学换能器。声学换能器接收到此反射宽带声波1008后，输出一宽带回波信号ve(t)1100,1200,1300,1400。

图11a为本发明第一个实施例所采用，以单极性脉冲产生器产生之一个单极性负向脉冲作为宽带参考信号400之电信号波形vr(t)与其傅立叶变换函数单极性负向脉冲参考信号vr(t)的能量(er)亦同时求得，其计算方式为宽带参考信号功率的时间积分，或以宽带参考信号的能量频谱密度对频率积分而得。数学式表示如下：

图11b为本发明第一个实施例采用单极性负向脉冲，所得到宽带回波信号1100的电信号波形ve(t)及其傅立叶变换函数单极性负向脉冲所得的宽带回波信号ve(t)的能量(ee)亦同时求得，其计算方式为宽带回波信号功率的时间积分，或以宽带回波信号的能量频谱密度对频率积分而得。数学式表示如下：

图12a为本发明第二个实施例所采用，以单极性脉冲产生器产生之一个单极性正向脉冲作为宽带参考信号500之电信号波形vr(t)与其傅立叶变换函数单极性正向脉冲参考信号vr(t)的能量(er)亦同时求得，其计算方式为宽带参考信号功率的时间积分，或以宽带参考信号的能量频谱密度对频率积分而得。数学式表示如下：

图12b为本发明第二个实施例采用单极性正向脉冲，所得到宽带回波信号1200的电信号波形ve(t)及其傅立叶变换函数单极性正向脉冲所得的宽带回波信号ve(t)的能量(ee)亦同时求得，其计算方式为宽带回波信号功率的时间积分，或以宽带回波信号的能量频谱密度对频率积分而得。数学式表示如下：

图13a为本发明第三个实施例所采用，以第一种双极性脉冲产生器产生之一个先产生负向脉冲再产生正向脉冲的双极性脉冲作为宽带参考信号700之电信号波形vr(t)与其傅立叶变换函数先产生负向脉冲再产生正向脉冲的双极性脉冲参考信号vr(t)的能量(er)亦同时求得，其计算方式为宽带参考信号功率的时间积分，或以宽带参考信号的能量频谱密度对频率积分而得。数学式表示如下：

图13b为本发明第三个实施例采用之先产生负向脉冲再产生正向脉冲的双极性脉冲所得到宽带回波信号1300的电信号波形ve(t)及其傅立叶变换函数双极性脉冲所得的宽带回波信号ve(t)的能量(ee)亦同时求得，其计算方式为宽带回波信号功率的时间积分，或以宽带回波信号的能量频谱密度对频率积分而得。数学式表示如下：

图14a为本发明第四个实施例所采用，以第二种双极性脉冲产生器产生之一个先产生正向脉冲再产生负向脉冲的双极性脉冲作为宽带参考信号800之电信号波形vr(t)与其傅立叶变换函数先产生正向脉冲再产生负向脉冲的双极性脉冲参考信号vr(t)的能量(er)亦同时求得，其计算方式为宽带参考信号功率的时间积分，或以宽带参考信号的能量频谱密度对频率积分而得。数学式表示如下：

图14b为本发明第四个实施例采用之先产生正向脉冲再产生负向脉冲的双极性脉冲所得到宽带回波信号1400的电信号波形ve(t)及其傅立叶变换函数双极性脉冲所得的宽带回波信号ve(t)的能量(ee)亦同时求得，其计算方式为宽带回波信号功率的时间积分，或以宽带回波信号的能量频谱密度对频率积分而得。数学式表示如下：

本发明定义声学换能器的标准化环路频域响应为宽带回波信号ve(t)的傅立叶变换函数除以宽带参考信号vr(t)的傅立叶变换函数的比值，即：

本发明亦定义声学换能器的标准化环路时域响应x(t)为标准化环路频域响应的傅立叶逆转换函数。

本发明定义声学换能器的最佳驱动信号如下：

其中g(t)为由标准化环路频域响应与标准化环路时域响应x(t)择一所导出的函数，α则为一选择用于乘以函数g(t)的系数。

依本发明叙述的方法，函数g(t)可经由标准化环路时域响应x(t)的自逆折积(self-deconvolution)求得，亦可由标准化环路频域响应先取平方根再进行傅立叶逆转换而得到。

图15为本发明测定声学换能器最佳驱动信号之方法流程图。

标准化环路频域响应与标准化环路时域响应x(t)的测量步骤包括：

准备脉冲产生器以及信号处理单元；

产生脉冲以提供宽带信号作为参考信号；

获得宽带参考信号vr(t)；

获得函数其中，是宽带参考信号vr(t)的傅立叶变换函数；

将函数储存在韧体或是程序内存中；

耦合脉冲产生器以及信号处理单元到声学换能器；

由声学换能器产生宽带声波；

在宽带声波被声学反射镜反射之后，获得宽带回波信号ve(t)；

获得函数其中，是宽带回波信号ve(t)的傅立叶变换函数；

定义标准化环路频域响应以及

定义标准化环路时域响应x(t)为的傅立叶逆转换函数；

将标准化环路频域响应与标准化环路时域响应x(t)储存在韧体或是程序内存中。

脉冲信号可为单极性负向脉冲400、单极性正向脉冲500、先产生负向脉冲再产生正向脉冲的双极性脉冲700、或先产生正向脉冲再产生负向脉冲的双极性脉冲800。

g(t)为可由标准化环路频域响应或标准化环路时域响应x(t)求得，测量步骤包括：

计算函数g(t)作为标准化环路频域响应之平方根的傅立叶逆转换函数；

计算函数g(t)作为标准化环路时域响应x(t)的自逆折积(self-deconvolution)；以及

将函数g(t)储存在韧体或是程序内存中。

声学换能器最佳驱动信号b(t)的测量步骤包括：

获得函数g(t)；

定义驱动信号b(t)，其中，α是选择的系数；

将函数b(t)储存在韧体或是程序内存中；以及

储存驱动信号b(t)于可编程波形产生器，其中，就驱动声学换能器的能量效率而言，驱动信号b(t)是最佳驱动信号。

以本发明方法测量声学探头之声学换能器的标准化环路时域响应x(t)与最佳驱动信号b(t)的范例如图16。图16a为以本发明方法测量一声学换能器所得之标准化环路时域响应x(t)，图16b为根据其所得标准化环路时域响应，所测得该声学换能器之最佳驱动信号。

上述范例使用的是商用超音波探头阵列，具有192个声学换能器。中心频率为7.3mhz，带宽为80％。测量使用的宽带参考信号为-75v的单极性负向脉冲，上限频率为55mhz。声学换能器与声学反射镜的距离为20mm。不锈钢质声学反射镜在水中的反射系数为0.93。

图17为本发明用来测定并产生用于声学探头中之声学换能器的最佳驱动信号之系统。

本发明提出测量声学换能器的最佳驱动信号的系统1700，包括：脉冲产生器1701、可编程波形产生器1703、信号处理单元1702、换能器选择器1704、控制单元1706。控制单元1706更包括韧体1707、程序内存1708以及数据储存器1709。

控制单元1706电性耦合到脉冲产生器1701、可编程波形产生器1703、信号处理单元1702以及外部输出装置1730。

脉冲产生器1701经由换能器选择器1704电性耦合到声学换能器，并产生脉冲以使声学换能器发出宽带声波。产生的脉冲可以是单极性脉冲或是双极性脉冲。单极性脉冲可以是负向脉冲400或是正向脉冲500。双极性脉冲可以是先产生负向脉冲再产生正向脉冲的双极性脉冲700，或是先产生正向脉冲再产生负向脉冲的双极性脉冲800。

反射的宽带声波被声学换能器接收后，经由换能器选择器1704至信号处理单元1702，并进行信号处理。换能器选择器1704可循序渐进或随机选定声学探头中的一个声学换能器。

本发明所述测量标准化环路频域响应与标准化环路时域响应x(t)的方法，被嵌入在韧体1707或是程序内存1708中。

本发明所述由标准化环路频域响应获得函数g(t)的方法，被嵌入在韧体1707或是程序内存1708中。

本发明所述由标准化环路时域响应x(t)获得函数g(t)的方法，被嵌入在韧体1707或是程序内存1708中。

本发明所述测量声学换能器的最佳驱动信号b(t)的方法，被嵌入在韧体1707或是程序内存1708中。驱动信号b(t)更储存于可编程波形产生器1703，用以产生驱动声学换能器的最佳信号。

所有测量到的数据被存放在数据储存器1709，并输出到外部输出装置1730。