WWW.KN.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные ресурсы
 

«ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНЫХ СВОЙСТВ СИГНАЛОВ В УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИСТЕМАХ ДИАГНОСТИКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ...»

На правах рукописи

Бакшеева Юлия Витальевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЧАСТОТНЫХ

СВОЙСТВ СИГНАЛОВ В УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИСТЕМАХ

ДИАГНОСТИКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Специальность: 05.13.01

«Системный анализ, управление и обработка информации

(в технике и технологиях)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

Работа выполнена на кафедре «Радиотехнических систем»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Голубков Анатолий Павлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Фарафонов Виктор Георгиевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник Большаков Андрей Николаевич

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Ордена Трудового Красного Знамени Всероссийский научно-исследовательский институт радиоаппаратуры» (ОАО «ВНИИРА»)

Защита состоится « 19 » мая 2009 г. в 15 час. 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д.67.



С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП.

Автореферат разослан «____» ____________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Л.А.Осипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Проведение ультразвукового (УЗ) обследования эхолокационными методами относится к классу задач зондирования, так как в таких обследованиях интерес представляют потенциально все точки исследуемого биологического объекта, и заведомо каждая из них является как источником полезного отраженного сигнала, так и источником помех для соседних точек.

В этой связи, эффективность процедур и алгоритмов, направленных на увеличение достоверности данных, получаемых о биологическом объекте методами УЗ эхолокации в условиях априорной неопределенности параметров биологического объекта, непосредственно зависит от полноты и достоверности информации о свойствах ультразвуковой системы диагностики (УЗСД) как инструмента исследования.

Современные УЗСД работают, как правило, с коротким (а, следовательно, широкополосным) зондирующим сигналом в зоне Френеля ультразвукового преобразователя (УЗП) относительно несущей частоты сигнала. Это приводит к тому, что зондирующие сигналы при распространении в биологическом объекте подвергаются значительным пространственно-зависимым изменениям во временной и частотной области. В частности, имеет место пространственно-зависимое удлинение зондирующего сигнала, а, следовательно, ухудшение реальной разрешающей способности (РС) по глубине. В литературе имеются упоминания о неизбежности этих изменений, но практически значимых методик их оценки не приводится. Применение широкополосных сигналов приводит также к тому, что становится некорректным использование известных формул расчета диаграмм направленности для оценки пространственной избирательности УЗП.





Неучитываемые изменения и искажения пространственно-временных сигналов УЗСД в канале распространения, а также некорректные оценки пространственной избирательности становятся источниками ошибок и ложных изображений на эхограмме, что снижает диагностическую эффективность УЗСД.

Поэтому исследование пространственно-частотных свойств сигналов в системах ультразвуковой диагностики биологических объектов является актуальной научнотехнической задачей.

Целью диссертационной работы является системный анализ и исследование основных параметров ультразвукового преобразователя, биологического объекта и зондирующих сигналов, направленное на повышение эффективности и потенциально достижимых характеристик ультразвуковых систем диагностики.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1) анализ канала распространения в системах УЗ диагностики биологических объектов; выбор и обоснование математических моделей основных элементов исследуемой системы;

2) обоснование метода анализа источников искажений, снижающих достоверность диагностической информации, для зондирующего сигнала произвольной формы без ограничения на рабочие дальности для произвольной конфигурации УЗП;

3) исследование и проведение серии имитационных экспериментов для анализа влияния конфигурации УЗП и пространственного положения точки наблюдения в канале распространения на временную и спектральную структуру зондирующих сигналов и на распределение поля в зоне Френеля УЗП при использовании немонохроматических сигналов без учета свойств биологических объектов;

4) исследование и проведение серии имитационных экспериментов для анализа влияния слоя биологической ткани одной природы (БТОП) с затуханием на временную и спектральную структуру зондирующих сигналов и на распределение поля в зоне Френеля УЗП при использовании немонохроматических сигналов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы системного анализа, методы теории распространения акустических волн в случайно-неоднородных средах, методы теории локации, методы теории линейных систем, методы теории специальных функций.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

1. Показана и обоснована конструктивность применения в акустике, для задач анализа параметров УЗП и каналов распространения немонохроматических сигналов в биологических средах, аппарата импульсных характеристик во временной, частотной и пространственной областях.

2. Показано, что в случае применения немонохроматических ультразвуковых сигналов малой мощности, биологический объект – как канал распространения – может рассматриваться в допущении линейной системы.

3. Предложен и обоснован критерий оценки пространственной избирательности УЗП по зависимости средней импульсной интенсивности от координат. Показано, что такая оценка применима для УЗП произвольной конфигурации, без ограничения на диапазон рабочих дальностей и при использовании зондирующих сигналов произвольной формы.

4. Получены замкнутые аналитические выражения для пространственноимпульсной характеристики системы «УЗП – канал распространения» для УЗП с линейной апертурой. Показано, что такая система является пространственно-зависимым фильтром, частотные свойства которого определяются конфигурацией УЗП и взаимным расположением УЗП и точки наблюдения.

5. Получено замкнутое аналитическое выражение для пространственной комплексно-частотной характеристики системы «УЗП – канал распространения» в фокальной плоскости для УЗП с линейной апертурой при наличии фокусировки.

Показано, что это выражение одновременно описывает пространственную избирательность УЗП в фокальной плоскости для монохроматического сигнала.

6. Получено замкнутое аналитическое выражение для комплексно-частотной и импульсной характеристик слоя БТОП с затуханием. Показано, что слой БТОП с затуханием является пространственно-зависимым фильтром нижних частот, ширина полосы пропускания которого обратно пропорциональна толщине слоя и величине удельного коэффициента акустического ослабления (УКАО).

Практическая значимость полученных результатов обусловлена тем, что в работе предложен универсальный инструмент, позволяющий исследователям, разработчикам УЗ медицинской техники и другим специалистам проводить анализ структуры сигналов и полей для УЗП любой конфигурации при использовании зондирующих сигналов произвольной формы для произвольной точки наблюдения или на произвольной дальности. Для УЗП с линейной апертурой исследованы качественно и описаны количественно основные закономерности и характер искажений немонохроматических сигналов в канале распространения и распределения поля широкополосных сигналов в зоне Френеля. Выявлены дополнительные источники ошибок и ложных изображений на эхограмме. Это позволяет разработчикам УЗ медицинской техники использовать результаты данной работы непосредственно при проектировании УЗСД для улучшения разрешающей способности по глубине и в поперечном направлении, а также для формулировки и успешного решения новых задач, связанных как с улучшением качества и достоверности эхограмм, так и с реализацией алгоритмов, позволяющих осуществлять телегистологическую диагностику.

Реализация результатов работы. В ходе работы над диссертацией реализована программная разработка, которая прошла экспертизу и зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий Федерального агентства образования.

Разработанный программный комплекс используется в учебном процессе кафедры «Радиотехнических систем» Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения по дисциплинам «Математические методы в радиотехнике» и «Современные средства интроскопии».

Ряд результатов, полученных в диссертационной работе, использован при решении практических задач, направленных на улучшение диагностических характеристик ультразвуковых медицинских сканеров, разрабатываемых и изготавливаемых ООО «НПП «РАТЕКС», что подтверждено актом об использовании.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод исследования пространственно-частотных свойств сигналов в ультразвуковых системах диагностики биологических объектов.

2. Результаты исследования и имитационных экспериментов по анализу совместного влияния конфигурации УЗП и местоположения точки наблюдения на пространственно-частотные свойства сигналов УЗСД без учета влияния акустических свойств биологических объектов.

3. Результаты аналитического исследования и имитационных экспериментов по анализу влияния слоя биологической ткани одной природы с затуханием на пространственно-частотные свойства сигналов УЗСД.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 2 – в журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАК изданий.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на I и III научных сессиях аспирантов ГУАП (г.СанктПетербург, 1998, 2000), на I международной конференции «Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике» (г.Суздаль, 2005), на XII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (г.Воронеж, 2006), на Второй Всероссийской научной конференции-семинаре «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (г.Муром, 2006), на научной сессии ГУАП (г.Санкт-Петербург, 2006).

Структура работы. Диссертационная работа изложена на 208 страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников (106 наименований) и пяти приложений. Основная часть работы включает 48 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и определены задачи исследования, рассмотрены вопросы научной новизны и практической ценности проведенного исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе обосновывается применение аппарата импульсных характеристик в качестве метода исследования, предлагается метод вычисления импульсных характеристик системы «УЗП – канал распространения», а также рассматриваются используемые в работе модели биологического объекта, ультразвукового преобразователя и зондирующих сигналов.

В первом параграфе первой главы рассматривается обобщенная модель канала распространения (рис.1). В рассматриваемой модели электрическая сторона канала распространения является линейной, так как включает в себя линейные корректирующие фильтры и линейную часть приемного устройства.

Рис.1. Обобщенная модель канала распространения в однопозиционной УЗСД:

ПРД – передатчик, ПРМ – приемник, КФ – корректирующие фильтры, ОУ – оконечные устройства.

Проведенный анализ общих технических требований к УЗСД (ГОСТ 26831-86) и условий распространения акустического сигнала в биологическом объекте позволил рассматривать биологический объект в допущении стационарной линейной системы (в приложении к исследованию квазинеподвижных органов).

Было выяснено, что УЗП в режиме передачи работает с электрическими импульсами амплитудой порядка 100 В, что соответствует линейному режиму работы УЗП. На приемной стороне линейный режим работы УЗП также сохраняется из-за значительного затухания акустического сигнала в канале распространения.

Ограничение на допустимую среднюю интенсивность излучения позволило также рассматривать прохождение сигнала через буферную среду в линейном приближении.

На основании проведенного анализа в первом параграфе был сделан вывод о том, что при введенных допущениях канал распространения может рассматриваться в приближении стационарной линейной системы.

Во втором параграфе первой главы описывается предлагаемый метод вычисления импульсной характеристики (ИХ) системы «УЗП – канал распространения».

Представление о канале распространения как о линейной стационарной системе подразумевает оптимальность использования ИХ для его описания и исследования.

Теоретической основой предлагаемого метода вычисления ИХ системы «УЗП – канал распространения» является вычисление ИХ системы «УЗП – точка наблюдения» с использованием формулы Рэлея для потенциала скоростей в произвольной точке наблюдения области, ограниченной замкнутой поверхностью :

, где – нормальная составляющая колебательной скорости на поверхности –, расстояние между элементарными точечными источниками на поверхности и точкой наблюдения.

Если каждым элементарным точечным источником на поверхности УЗП излучается сферическая волна в виде –импульса, то суммирование их полей даст в точке наблюдения форму возмущения, вызванного излученным УЗП –импульсом, т.е. ИХ системы «УЗП – точка наблюдения».

Совокупность ИХ для различных точек наблюдения дает ИХ и комплексно-частотную характеристику (КЧХ) системы «УЗП – канал распространения»:

, где индекс «TC» («trancducer – propagation channal») относится к распространению сигнала от УЗП, – координаты точки наблюдения в канале распространения,

– амплитудное распределение на поверхности УЗП,, – момент излучения,

–импульса на поверхности УЗП, – расстояния между элементарными источниками на поверхности УЗП и точками наблюдения. Первое выражение в каждой формуле относится к УЗП с непрерывной апертурой, второе – к УЗП с дискретной апертурой.

Если в точку наблюдения формально поместить идеальный точечный источник сферической волны в виде –импульса, то аналогичным образом можно получить ИХ и КЧХ системы «канал распространения – УЗП».

Совокупность ИХ и КЧХ систем «УЗП – канал распространения» и «канал распространения – УЗП» дает полное описание системы «УЗП – канал распространения – УЗП»:

, где символ означает операцию свертки, индекс «СT» означает «channal - transducer»

(«канал распространения – УЗП»), индекс «TCT» означает «transducer – channal – transducer» («УЗП – канал распространения –УЗП»).

В этом случае для произвольного зондирующего сигнала становится возможным рассчитывать как сигнал в любой точке канала распространения, так и сигнал, принимаемый УЗП из любой точки канала распространения:

,, где и – сигнал в точке наблюдения и его спектр, и – сигнал на приемной стороне и его спектр.

Пример формы импульсных характеристик для линейного УЗП приведен на рис.2.

Предлагаемый метод применим не только для плоских УЗП, но и для сферических УЗП, конвексных УЗП и акустических линз в случае сохранения справедливости допущений, известных как приближения Кирхгофа. Вычисление ИХ и КЧХ системы «УЗП – канал распространения» может проводиться как аналитически, так и численными методами – путем разбиения поверхности УЗП на большое число элементарных точечных источников с последующим суммированием их откликов.

Рис.2. Пример формы импульсных характеристик системы «УЗП – точка наблюдения» для линейного УЗП с дискретной (слева) и непрерывной (справа) апертурой.

В качестве характеристики, описывающей распределение поля УЗП при работе с немонохроматическими сигналами, было предложено использовать зависимость средней импульсной интенсивности сигнала в канале распространения от координат:

, где – длительность сигнала в канале распространения.

Было показано, что введенная таким образом характеристика пространственной избирательности не только учитывает истинное распределение энергии сигнала в канале распространения при использовании немонохроматического сигнала, но и совпадает с диаграммой направленности при увеличении дальности до значений, соответствующих дальней зоне, и увеличении длительности сигнала до значений, позволяющих считать его монохроматическим. Было показано, что данная характеристика может быть получена с использованием предложенного метода вычисления ПИХ системы «УЗП – канал распространения».

В третьем параграфе первой главы рассматриваются выбранные модели биологического объекта, УЗП и зондирующего сигнала.

В данной задаче первичным объектом исследования является сигнал прямого прохождения, поэтому в качестве модели биологического объекта был выбран слой биологической ткани одной природы (БТОП) с постоянной скоростью звука, отсутствием дисперсии и затуханием, линейно зависящим от частоты и толщины слоя.

В качестве исследуемого УЗП была выбрана модель УЗП с линейной апертурой как основной составной частью практически любого УЗП, используемого в современных УЗСД. Исследовались УЗП с непрерывной и дискретной апертурой при наличии и отсутствии фокусировки.

При рассмотрении моделей зондирующих сигналов было выяснено основное их свойство применительно к УЗСД – отсутствие постоянной составляющей. Кроме этого, используемые сигналы являются простыми, т.к. применение сложных сигналов для улучшения разрешающей способности в продольном направлении в данной задаче является нецелесообразным. Поэтому в качестве исследуемых сигналов были выбраны короткие импульсы с высокочастотным заполнением и амплитудной огибающей (по Гильберту) прямоугольной и гауссовой формы.

Таким образом, в первой главе обоснована конструктивность применения для задач ультразвуковой эхолокации биологических объектов аппарата ИХ, предложен и обоснован метод вычисления ИХ системы «УЗП – канал распространения» для УЗП произвольной конфигурации, предложена к использованию характеристика направленности УЗП для зондирующего сигнала произвольной формы для произвольной дальности, выбраны исследуемые модели биологического объекта, УЗП и зондирующих сигналов.

Вторая глава посвящена исследованию ИХ системы «УЗП – канал распространения», анализу влияния системы «УЗП – канал распространения» на зондирующий сигнал, рассмотрению основных закономерностей распределения поля немонохроматического сигнала в зоне Френеля УЗП. Влияние биологического объекта не учитывалось.

–  –  –

Рис.3. Примеры формы ИХ и АЧХ системы «УЗП – канал распространения»: а,б – УЗП с непрерывной апертурой, точки наблюдения на оси симметрии УЗП, в,г – УЗП с дискретной апертурой, точки наблюдения на оси симметрии УЗП, д,е – УЗП с непрерывной апертурой, точки наблюдения смещены от оси симметрии УЗП, ж,з – УЗП с дискретной апертурой, точки наблюдения смещены от оси симметрии УЗП.

В первом параграфе второй главы приводится вывод и анализ выражений для ИХ системы «УЗП – канал распространения». Примеры ИХ и АЧХ для УЗП с непрерывной и дискретной апертурой приведены на рис.3.

Выяснено, что ИХ для УЗП с непрерывной апертурой представляет собой для каждой точки наблюдения импульс сложной формы конечной длительности, которая обратно пропорциональна дальности точки наблюдения и прямо пропорциональна размеру апертуры. В начале каждого импульса имеет место –образная особенность, что приводит к сложному характеру АЧХ, для которой в общем случае не удается получить аналитическое выражение.

Исключение составляют точки наблюдения, расположенные в фокальной плоскости УЗП с фокусировкой, для которых найдено аналитическое выражение для КЧХ:

–  –  –

,, где – длительность ИХ в точке наблюдения, – коэффициент, зависящий от длительности ИХ и конфигурации УЗП.

Отмечено, что для УЗП без фокусировки характер ИХ существенным образом не меняется при изменении расположения точки наблюдения. Для УЗП с фокусировкой ИХ имеет следующие особенности: 1) в точке фокуса ИХ представляет собой одиночный – импульс, что обуславливает отсутствие искажений зондирующего сигнала, 2) за фокальной плоскостью имеет место «инверсия» формы ИХ по оси времени относительно точек наблюдения, расположенных перед фокальной плоскостью.

Для УЗП с дискретной апертурой ИХ представляет собой последовательность – импульсов, следующих с интервалами, определяемыми конфигурацией УЗП и расположением точки наблюдения. Длительность ИХ совпадает с длительностью ИХ для УЗП с непрерывной апертурой. АЧХ носит более сложный характер, чем для УЗП с непрерывной апертурой. Аналитические выражения для КЧХ в общем случае получить не удается.

Исключение составляют точки наблюдения, расположенные в фокальной плоскости УЗП с фокусировкой при эквидистантном расположении излучателей.

Для этого случая получено аналитическое выражение для КЧХ:

, где – число элементов УЗП, – расстояние между элементами.

, Во втором параграфе второй главы показано, что система «УЗП – канал распространения» представляет собой фильтр с пространственно-зависимой частотной характеристикой. На основании того, что выражения для ИХ и КЧХ системы «УЗП – канал распространения» зависят от координат точки наблюдения, можно говорить о пространственно-импульсной характеристике (ПИХ) и пространственной комплексно-частотной характеристике (ПКЧХ, ПАЧХ, ПФЧХ). Полученные в первом параграфе второй главы результаты дают не только инструмент исследования временных и спектральных параметров сигнала в любой точке канала распространения, но и готовое средство исследования структуры поля без ограничений на параметры сигнала и соотношение дальности и размера апертуры.

В третьем параграфе второй главы полученные результаты применяются для исследования широкополосных зондирующих сигналов в канале распространения и для анализа структуры полей широкополосных сигналов в зоне Френеля УЗП.

Имитационный эксперимент с зондирующим сигналом в канале распространения позволил выявить основные качественные и подтвердить полученные аналитически количественные закономерности по совместному влиянию параметров УЗП и канала распространения на характер и степень искажений зондирующего сигнала.

–  –  –

Рис.4. Примеры искажений зондирующего сигнала в канале распространения: а – исходный сигнал и его спектр, б – сигнал и его спектр в канале распространения для УЗП с непрерывной апертурой, в – сигнал и его спектр в канале распространения для УЗП с дискретной апертурой.

Верхняя граница реальной РС по дальности и ухудшение РС при различных режимах работы УЗСД

–  –  –

Описаны основные виды пространственно-зависимых искажений зондирующих сигналов в канале распространения (рис.4):

1. Увеличение длительности зондирующего сигнала, вызывающее ухудшение РС по дальности (табл.1). РС по дальности становится пространственно-зависимой и в первом приближении определяется выражением, где – длительность зондирующего сигнала.

2. Искажение формы зондирующего сигнала, вызывающее уменьшение достоверности эхограммы. Отсутствие искажений временной структуры зондирующего сигнала имеет место только в точке фокуса.

3. Появление копий зондирующего сигнала, вызывающее появление на эхограмме нескольких ложных изображений одного и того же объекта. Были определены условия отсутствия копий зондирующего сигнала (табл.2).

4. Смещение временного положения зондирующего сигнала в точках наблюдения, расположенных за фокальной плоскостью УЗП с фокусировкой, вызывающее смещение изображения отражателя относительно его фактического положения. Данный эффект вызван «инверсией» ПИХ за фокальной плоскостью и при определяется выражением, где – смещение временного положения сигнала в точке наблюдения.

Исследование распределения поля широкополосного сигнала в зоне Френеля УЗП относительно несущей частоты позволило сделать следующие общие наблюдения:

1. Граница зоны Френеля поля широкополосного сигнала определяется только длиной волны на несущей частоте зондирующего сигнала и совпадает с границей зоны Френеля поля монохроматической волны.

2. Структура поля широкополосного сигнала в зоне Френеля зависит от длительности зондирующего импульса и его формы. Зависимость распределения поля от длительности импульса проявляется в большей степени, чем зависимость от формы импульса.

3. Распределение поля широкополосного сигнала длительностью в один период колебаний на несущей частоте не содержит боковых лепестков.

4. В распределении поля широкополосного сигнала для УЗП с непрерывной апертурой имеют место два боковых максимума, величина которых значительно превышает величину главного лепестка (рис.5). Установлено, что их появление связано с условием близости частоты первого минимума ПАЧХ на оси симметрии УЗП и частоты несущей, однако не соответствует дальности, на которой они совпадают. Было определено, что боковые максимумы имеют место на нормированной дальности

– длина волны на несущей частоте), что соответствует (, расположению первого минимума ПАЧХ на частоте. На рис.6 приведен график зависимости величины бокового максимума от размера апертуры для сигналов прямоугольной формы различной длительности. Наличие боковых максимумов в распределении поля уменьшает достоверность эхограммы, так как может привести к появлению ложного изображения при наличии бокового отражателя.

5. Для УЗП с фокусировкой дальность минимальной ширины луча зависит от размера апертуры при и не зависит от длительности импульса (рис.7).

Минимальная ширина луча обратно пропорциональна длительности импульса. Глубина резкости возрастает при увеличении длительности импульса.

Таким образом, во второй главе проведено исследование во взаимосвязи канала распространения, конфигурации УЗП и параметров зондирующего сигнала без учета свойств биологического объекта. Исследование было проведено с использованием ПИХ системы «УЗП – канал распространения», полученных предложенным в работе методом.

Выявление, качественное и количественное описание во взаимосвязи факторов, вызывающих появление на эхограмме ложных изображений и снижающих ее достоверность, позволит разработчикам принимать обоснованное решение при выборе параметров УЗСД для улучшения диагностического качества эхограммы.

–  –  –

Рис.5 Характерный вид распределения поля широкополосного сигнала для УЗП с непрерывной апертурой:

а – УЗП без фокусировки, б – УЗП с фокусировкой.

–  –  –

Первый параграф третьей главы посвящен выводу выражений для КЧХ и ИХ слоя БТОП с затуханием.

ИХ слоя БТОП с затуханием определяется как сигнал на выходе слоя толщиной, при условии, что в биологическую ткань был излучен сигнал в виде –импульса (рис.8):

,,

–  –  –

,.

Таким образом, слой БТОП с затуханием представляет собой пространственнозависимый фильтр нижних частот, полоса пропускания которого обратно пропорциональна толщине слоя и значению УКАО.

–  –  –

Во втором параграфе третьей главы проводилось исследование влияния слоя БТОП на широкополосный сигнал с различной формой огибающей и на распределение поля широкополосного сигнала в зоне Френеля УЗП.

Известно, что существует сигнал, мало подверженный влиянию БТОП – это узкополосный импульс с гауссовой огибающей. При прохождении такого сигнала через слой БТОП с затуханием форма его амплитудного спектра не меняется, происходит лишь кажущееся смещение несущей частоты в область более низких частот на величину, где – ширина спектра гауссова импульса.

Для широкополосного сигнала этот вывод нельзя считать справедливым.

Поэтому было использовано точное выражение для амплитудного спектра импульса с гауссовой огибающей и получено выражение, определяющее значение максимума амплитудного спектра импульса на выходе слоя БТОП:

.

Ширина спектра импульса на выходе слоя БТОП может быть получена из выражения:

, где – амплитудный спектр импульса на выходе слоя БТОП.

По определению был введен коэффициент, характеризующий широкополосность сигнала.

Были определены условие сохранения гауссовым импульсом своей формы при прохождении слоя БТОП и нижняя граница коэффициента широкополосности, при которой форма импульса нарушается в слое БТОП при любых значениях :

,.

На рис.9 приведены графики зависимостей и для импульсов с гауссовой огибающей и прямоугольной огибающей. Отмечено, что для импульсов с гауссовой огибающей существуют предельные значения, при которых перестает выполняться условие, ширина спектра начинает уменьшаться и спектр начинает «поджиматься» со стороны низких частот. Для импульсов другой формы влияние БТОП с затуханием более сильно: максимум амплитудного спектра смещается в область низких частот по сложному закону, а сам спектр сильно обужается.

–  –  –

Влияние БТОП на распределение поля немонохроматического сигнала в зоне Френеля УЗП обусловлено влиянием БТОП на зондирующий сигнал, а именно смещением максимума амплитудного спектра зондирующих сигналов в область низких частот и уменьшением ширины спектра. Это приводит к появлению перечисленных ниже эффектов, которые проявляются в разной степени для сигналов разного вида (рис.10).

Для сигналов с гауссовой огибающей получены точные оценки, которые являются нижней границей проявления этих эффектов для сигналов разной формы:

1. Приближение границы зоны Френеля. При выполнении в слое БТОП для гауссового импульса условия новое значение границы зоны

Френеля:

.

2. Уменьшение дальности боковых максимумов. Связано с кажущимся смещением спектра сигнала в область более низких частот под действием слоя БТОП с затуханием. Новое значение дальности основных боковых максимумов:

.

3. Увеличение ширины луча в зоне Френеля и ШДН в дальней зоне. Во второй главе была получена оценка ширины луча в зоне Френеля по уровню :

. Тогда новая ширина луча в зоне Френеля определяется выражением:

.

–  –  –

Рис.10. Распределение поля широкополосного сигнала в зоне Френеля УЗП: а,б – без влияния БТОП, а – сигнал с гауссовой огибающей, б – сигнал с прямоугольной огибающей; в,г – наличие БТОП, в – сигнал с гауссовой огибающей, г – сигнал с прямоугольной огибающей.

Таким образом, в третьей главе проведен анализ влияния слоя БТОП на широкополосный зондирующий сигнал и распределение поля широкополосного сигнала в зоне Френеля УЗП. Получены точные выражения для КЧХ и ИХ слоя БТОП, а также оценки влияния слоя БТОП на параметры сигнала и распределения поля. Показано, что будучи неучтенным, влияние слоя БТОП проявляется в появлении на эхограмме ошибок и искажений изображения, связанных с изменением свойств зондирующего сигнала и пространственной избирательности УЗП.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и приведены рекомендации по перспективным направлениям дальнейших исследований в области анализа и синтеза ультразвуковых систем диагностики биологических объектов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что граница зоны Френеля поля широкополосного сигнала определяется длиной волны на несущей частоте зондирующего сигнала и совпадает с границей зоны Френеля поля монохроматической волны.

2. Выявлены особенности немонохроматического сигнала при распространении в зоне Френеля УЗП с линейной апертурой. Описаны качественно и исследованы количественно основные виды и причины искажений зондирующего сигнала в канале распространения. Получены оценки значений частоты и величины первого минимума АЧХ системы «УЗП – канал распространения» для УЗП с линейной апертурой.

3. Выявлены основные закономерности распределения поля в зоне Френеля УЗП с линейной апертурой при использовании немонохроматического сигнала. Показано, что структура поля немонохроматического сигнала в зоне Френеля зависит от длительности зондирующего сигнала и его формы. Описан эффект появления боковых максимумов в распределении поля УЗП с непрерывной линейной апертурой. Найдена количественная связь между частотой первого минимума АЧХ системы «УЗП – канал распространения» и положением боковых максимумов в распределении поля в зоне Френеля УЗП с линейной апертурой при использовании немонохроматического сигнала.

4. Выявлены и описаны основные закономерности влияния БТОП с затуханием на немонохроматический сигнал при распространении в зоне Френеля УЗП с линейной апертурой. Показано, что характер искажений временной структуры немонохроматического сигнала слоем БТОП с затуханием зависит от формы огибающей сигнала при одинаковой ширине спектра. Получена оценка нижней границы коэффициента широкополосности, при которой импульсный сигнал с гауссовой огибающей подвергается искажениям в слое БТОП с затуханием независимо от толщины слоя и величины УКАО.

5. Выявлены основные закономерности влияния БТОП с затуханием на распределение поля в зоне Френеля УЗП с линейной апертурой при использовании немонохроматического сигнала. Показано, что характер искажений распределения поля немонохроматического сигнала в зоне Френеля слоем БТОП зависит от формы огибающей зондирующего сигнала при одинаковой ширине спектра. Описан качественный характер этих искажений. Получены точные оценки смещения границы зоны Френеля, смещения боковых максимумов и расширения основного луча под действием БТОП с затуханием при использовании импульсного сигнала с гауссовой огибающей.

Таким образом, в диссертации получены качественные и количественные результаты относительно основных свойств немонохроматических сигналов и распределения их полей в зоне Френеля УЗП. Показано, что выявленные эффекты являются источниками ошибок и ложных изображений на эхограмме. Выявлены новые связи между отдельными параметрами УЗСД, что позволяет разработчикам свести к минимуму появление ошибок на эхограмме или учесть влияние искажения зондирующего сигнала и особенности распределения поля, выбрав соответствующим образом параметры УЗСД.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бакшеева, Ю.В. Измерение коэффициента акустического ослабления методом спектрального сдвига / Ю.В.Бакшеева // Сб. докл. I научной сессии аспирантов ГУАП / ГУАП. СПб. 1998. С. 170-172.

2. Бакшеева, Ю.В. О возможности использования метода спектрального сдвига для ультразвуковой телегистологической диагностики / Ю.В. Бакшеева, А.П. Голубков // Вопросы радиоэлектроники. Сер. РТ. 1998. Вып.1. С. 64-71 (в рекомендованном ВАК перечне публикаций).

3. Бакшеева, Ю.В. О возможности повышения эффективности ультразвуковой медицинской диагностики / Ю.В.Бакшеева // Менеджмент, экономика и право: Сб. науч.

тр./ ГУАП. СПб. 1999. С. 44-49.

4. Бакшеева, Ю.В. К вопросу о причинах искажений спектров ультразвуковых сигналов в реальных биологических средах / Ю.В.Бакшеева, С.И. Фадин // Сб. докл. III научной сессии аспирантов ГУАП / ГУАП. СПб. 2000. С. 60-62.

5. Бакшеева, Ю.В. Исследование пространственно-временной структуры немонохроматических полей акустических датчиков медицинского назначения с использованием импульсных характеристик / Ю.В. Бакшеева // Вестник молодых ученых.

Сер. Технические науки, вып.2. 2004. Вып.8. С. 45-52 (в рекомендованном ВАК перечне публикаций).

6. Бакшеева, Ю.В. Оценка ухудшения потенциальной разрешающей способности по дальности ультразвуковых диагностических медицинских систем в условиях реальных биологических сред / Ю.В. Бакшеева // Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике: сб. докл. I международной конференции / Суздаль. 2005. С. 48-51.

7. Бакшеева, Ю.В. Увеличение разрешающей способности по дальности ультразвуковых диагностических медицинских систем в условиях реальных биологических сред / Ю.В. Бакшеева / Радиолокация, навигация, связь: сб. докл. XII-ой международной научно-технической конференции / Воронеж. 2006. Т.3. С. 2020-2030.

8. Бакшеева, Ю.В. К вопросу анализа диаграмм направленности акустических датчиков медицинского назначения в условиях применения широкополосных зондирующих сигналов / Ю.В.Бакшеева, А.П. Голубков // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: сб. докл. II Всероссийской научной конференциисеминара / Муром. 2006. С. 171-175.

9. Бакшеева, Ю.В. О возможности компенсации влияния частотных свойств реальных биологических сред на разрешающую способность ультразвуковых локаторов по дальности / Ю.В. Бакшеева // Научная сессия ГУАП / ГУАП. СПб. 2006. С. 15-18.

10. Бакшеева, Ю.В. Моделирующий программный комплекс для исследования пространственно-частотных свойств сигналов ультразвукового локатора / Ю.В.Бакшеева, А.П. Голубков. М.:ВНТИЦ, 2006. № гос. рег. 50200601638.



Похожие работы:

«ЛИСТ СОГЛАСОВАНИЯ от 19.01.2017 Рег. номер: 2883-1 (21.12.2016) Дисциплина: Водно-технические изыскания при обустройстве нефте-газовых комплексов 05.04.06 Экология и природопользование: Геоэкологические основы устойчивого водопользования/2 года ОФО; 05.04.06...»

«Вестник Тюменского государственного университета. 20 Экология и природопользование. 2016. Т. 2. № 4. С. 20–32 Павел Евгеньевич КАРГАШИН1 Платон Сергеевич ЯСЕВ2 УДК 528.87+528.94 КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ОСВОЕНИЯ ХОХРЯКОВСКОГО НЕФТЯНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ кандидат географических н...»

«3. 2017 СОДЕРЖАНИЕ CONTENTS РАСТЕНИЕВОДСТВО PLANT RAISING Асланов Г. А., Новрузова Г. Х. Aslanov G. A., Novruzova G. H. Влияние удобрений на урожайность хлопчатника 2 Effect of fertilizers on cotton productivity. 2 Ерошенко Л. А., Бекенова Л. В., Кузнецова Н. А., Yeroshenko L. A., Bekenova L. V., Kuznetsova N. A....»

«Институт законодательства и сравнительного правоведения при Правительстве Российской Федерации ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО О РЫБОЛОВСТВЕ И СОХРАНЕНИИ ВОДНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ Руководитель...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ТЮМЕНСКИЙ ГОСУ...»

«УДК 544.6 ВЛАГОПЕРЕНОС В БИКОМПОНЕНТНЫХ КОНСЕРВАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ НА БАЗЕ НЕПОЛЯРНЫХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ Н. Е. Беспалько Кафедра "Безопасность жизнедеятельности и военная подготовка", ФГБОУ ВПО "ТГТУ"; bgd@mail.nnn.tstu.ru Ключ...»

«For Official Use ENV/EPOC/EAP/MIN(2004)2 Organisation de Coopration et de Dveloppement Economiques Organisation for Economic Co-operation and Development _ _ Russian Or. English ENVIRONMENT DIRECTORATE ENVIRONMENT POLICY COMMITTEE...»

«Динозавры: назад в прошлое, предсказывая будущее. Тема урока: Назад в прошлое, предсказывая будущее"Цели урока: Образовательные формировать представления детей о далеком прошлом Земли;пополнить знания учащихся об эпохе динозавров;уметь сравнивать две эпохи;познакомить с вида...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Балашовский институт (филиал) Рабочая программа дисциплины Мирова...»








 
2017 www.kn.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.