1.2.2多普勒信號(hào)解調(diào)方法

　　CW Doppler流量測(cè)量中換能器接收到的信號(hào)可認(rèn)為是多個(gè)多普勒頻移成份的疊加，表述為：

　　式中ai為頻移分量幅值，Ωi為頻移分量的頻率，φi為頻移分量的初始相位，s1（t）為經(jīng)管壁、襯里等非運(yùn)動(dòng)介質(zhì)耦合到接收探頭的信號(hào)。

　　多普勒信號(hào)解調(diào)的目的在于提取頻移信息，理想的解調(diào)應(yīng)當(dāng)取得正比于

　　的輸出。目前常用的解調(diào)方法有振幅檢波、鑒頻、鑒相及乘法器檢波等四種，但由于s（t）受多普勒頻移成分的非線(xiàn)性調(diào)制，振幅檢波、鑒相檢波兩種解調(diào)方式將產(chǎn)生失真，鑒頻檢波輸出的電壓幅值中將包含與頻移Ωi成正比的量，也不可取。乘法器檢波用參考信號(hào)cosω0t與接收信號(hào)s（t）相乘，再用低通濾波器濾除高頻分量，得到輸出：

　　這種方法得到的輸出沒(méi)有引起失真，因此在傳統(tǒng)的工業(yè)管道超聲多普勒流量計(jì)中得到了廣泛的使用。

　　1.2.3流速方向信息提取

　　現(xiàn)有工業(yè)管道超聲多普勒流量計(jì)均不能判斷流速的方向，在醫(yī)學(xué)血流測(cè)量領(lǐng)域，流速方向信息的提取主要有時(shí)域法、頻域法和相域法，分別介紹如下：

　?。?）時(shí)域法

　　基本原理是將接收到的超聲多普勒信號(hào)s（t）同時(shí)送入兩個(gè)乘法器，分別與有一定相位差β0的兩個(gè)同頻信號(hào)cosωot和cos（ω0t +β0）相乘，再低通濾波除去高頻分量，于是得到第一路的輸出為：

　　第二路的輸出為：

　　若血流方向?yàn)檎瑒tΩi》0 ，第一路輸出的相位超前第二路輸出的相位；若血流方向?yàn)樨?fù)，則Ωi《0，第二路輸出的相位超前第一路輸出的相位。因此比較兩路輸出在時(shí)間上的先后就可以檢測(cè)出血流的方向信息。

　?。?）頻域法

　　超聲波經(jīng)血流散射后，其頻譜位于發(fā)射頻率ω0的兩側(cè)。血流方向?yàn)檎龝r(shí)，回波信號(hào)頻率高于ω0，成為上邊帶；血流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，回波信號(hào)頻率低于ω0，成為下邊帶。頻域法方向檢測(cè)的關(guān)鍵是制作性能優(yōu)良的高頻上、下邊帶濾波器分離頻譜的上下邊帶，使得正、反向血流信號(hào)分別在兩個(gè)通道中輸出

　?。?）相域法

　　假設(shè)超聲多普勒回波信號(hào)表示為：

　　式中腳標(biāo)p，n分別表示正向和反向血流。

　　相域法分離正、反向血流信號(hào)的框圖如圖1-4所示。

　　用兩個(gè)同頻正弦正交信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并低通濾波除去高頻分量后得到：

　　經(jīng)過(guò)兩個(gè)全通移相網(wǎng)絡(luò)，得到：

　　正向輸出為：

　　反向輸出：

　　這樣就完成了正、反向血流信號(hào)的檢測(cè)和分離。相域法需要保證兩路通道中低通濾波器和移相網(wǎng)絡(luò)增益的嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜。

　　1.2.4頻譜估計(jì)方法

　　傳統(tǒng)超聲多普勒信號(hào)的頻率估計(jì)常采用零交叉計(jì)數(shù)法和快速傅立葉變換法（FFT）等經(jīng)典譜估計(jì)算法，這些方法存在頻率分辨率低，旁瓣泄漏嚴(yán)重等缺點(diǎn)。為克服這些問(wèn)題，以參數(shù)模型為基礎(chǔ)的現(xiàn)代譜估計(jì)方法得到了很大的發(fā)展，并在超聲多普勒血流測(cè)量中得到很好的應(yīng)用。參數(shù)模型法的思路是假定需分析的多普勒信號(hào) x（n）（n= 1，2，。..，N ）是一個(gè)輸入序列u（n）激勵(lì)一個(gè)線(xiàn)性系統(tǒng)H（z）的輸出，由已知的x（n）估計(jì)H（z）的參數(shù)，再由H（z）的參數(shù)來(lái)估計(jì)x（n）的功率譜。x（n）和 u（n）之間有如下的輸入輸出關(guān)系：

　　式中b0 =1，若b1，b2，。..， bq全為零，則為AR（Autoregressive）模型；若a1，a2，。..，ap 全為零，則為MA（Moving Average）模型；若a1，a2，。..，ap， b1，b2，。..，bq 不全為零，則ARMA（Autoregressive Moving Average）模型。當(dāng)參數(shù)模型為AR模型時(shí)，H（z）和功率譜Px（ejω）分別表述如下

　　式中σ2為u （n）的方差。AR模型的系數(shù)求解算法有自相關(guān)法、Burg算法和改進(jìn)的協(xié)方差（MCOV）算法等。采用MCOV算法時(shí)，AR模型的參數(shù)可以通過(guò)求解改進(jìn)的協(xié)方差方程組進(jìn)行估計(jì)：

　　式中fs是采樣率。采用這種方法時(shí)，計(jì)算復(fù)雜性會(huì)隨著階次p的增加而增大。確定階次p的常用方法有最終預(yù)測(cè)誤差準(zhǔn)則和信息論準(zhǔn)則等。血流分析中，根據(jù)多普勒信號(hào)的特點(diǎn)，一般取階次p=4。

　　1.2.5數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

　　DSP器件采用并行的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，運(yùn)算速度快、集成度高，于20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)，到20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始高速發(fā)展，近年來(lái)在超聲多普勒血流測(cè)量領(lǐng)域受到高度重視，被廣泛用來(lái)分析多普勒信號(hào)的頻譜。另外，在數(shù)字信號(hào)處理中也有人用FPGA（Field Programmable Gate Array）來(lái)實(shí)現(xiàn)一些比較固定的算法，如FFT、FIR（Finite Impulse Response）濾波等。

　　采用高速DSP以及FPGA等器件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法使得傳統(tǒng)基于硬件的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到基于軟件設(shè)計(jì)，信號(hào)處理研究的重點(diǎn)在很大程度上可以放到軟件算法上來(lái)，從而在抗干擾、提高檢測(cè)精度、實(shí)現(xiàn)儀器的智能化等方面具有傳統(tǒng)基于硬件設(shè)計(jì)方法所沒(méi)有的若干優(yōu)點(diǎn)。另外，由于器件的高速性，測(cè)量方法也由最初的非實(shí)時(shí)應(yīng)用轉(zhuǎn)向高速實(shí)時(shí)應(yīng)用。

　　1.2.6多普勒譜峰搜索方法

　　CW Doppler流量測(cè)量的多普勒信號(hào)具有以下特點(diǎn)：

　?。?）由于換能器具有指向性，在流場(chǎng)中發(fā)射換能器和接收換能器的兩個(gè)指向性波束重疊區(qū)域（取樣域）

　　內(nèi)粒子所反射的信號(hào)將以不同的幅度和相位在接收換能器上進(jìn)行疊加，由于這些粒子的速度有差異，反射角度不同，產(chǎn)生的多普勒頻移也不一樣，疊加的結(jié)果使得多普勒信號(hào)頻帶加寬，形成以對(duì)應(yīng)管道中心軸線(xiàn)上最大流速的多普勒頻率為譜峰的左右兩個(gè)邊帶；

　?。?）由于取樣域的擴(kuò)展以及聲衰減的影響，導(dǎo)致頻譜中低頻成分的增加，使得頻譜的實(shí)際峰值位置向低頻方向偏移；

　　（3）工業(yè)管道流量測(cè)量中，管道一般較粗，換能器只能在流場(chǎng)中的局部區(qū)域取樣，這樣多普勒信號(hào)的頻譜不能反映管道截面的完整狀況。

　　傳統(tǒng)超聲多普勒流量測(cè)量技術(shù)在估計(jì)流體管道截面上的平均流速時(shí)采用零交叉計(jì)數(shù)法或計(jì)算全頻域多普勒平均頻率的方法，由多普勒信號(hào)的上述特點(diǎn)可知，這些方法將會(huì)產(chǎn)生很大誤差。而用搜索管道中心軸線(xiàn)上最大流速對(duì)應(yīng)的多普勒譜峰頻率來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方法將可以有效減小這些誤差，二次平均譜峰搜索方法因此得到發(fā)展并在一定程度上修正了多普勒譜峰的偏移 。該方法先求全頻域的多普勒平均頻率，然后在平均頻率以上的高頻有效區(qū)域再求一次平均頻率，將得到的平均頻率值作為近似的多普勒譜峰頻率，可以修正多普勒低頻偏移的影響，但是增大了運(yùn)算量，實(shí)時(shí)性變差。

　　另外在醫(yī)學(xué)血流檢測(cè)中還有相位估計(jì)法和Teager估計(jì)法等 ，這些算法的一個(gè)共同特點(diǎn)是運(yùn)算量均比較大、實(shí)時(shí)性差。因此無(wú)論是在工業(yè)管道流量測(cè)量還是在醫(yī)學(xué)血流檢測(cè)中，均缺少一種運(yùn)算量小、實(shí)時(shí)性好的譜峰搜索方法。