基于自相关算法的超声时移估计测温代码

资 源 简 介

该项目利用MATLAB开发了一套基于自相关算法的高精度超声时移估计系统，专门用于非侵入式地反演介质内部的温度变化。其基本逻辑流程是通过对加热前后的原始超声RF回波信号进行局部滑动窗口提取，并计算其复自相关函数的相位偏移。该方法有效解决了传统波形互相关算法在处理微小亚采样偏移时计算量巨大的问题，通过相位估计技术能够捕捉由于温度升高导致的介质声速变化以及热膨胀引起的回波信号偏移。算法内核包含信号解析延时计算模型，将提取出的时间位移量通过声速-温度物理映射公式转换为具体的温升数值。该程序集成了窗函数长度自适应调

详 情 说 明

超声时移自相关估计温度算法系统

项目介绍

本系统是一个基于MATLAB开发的高精度超声温度监测模拟与分析平台。它利用超声波在介质中传播时的声速变化和热膨胀效应，通过复自相关算法提取亚采样级别的时延信息，从而实现介质内部温升分布的非侵入式反演。该技术在临床热疗监测、工业无损探伤以及流体物理研究中具有重要的应用价值。

功能特性

• 亚采样级精度： 通过复自相关相位估计技术，能够捕捉远小于采样间隔的微小时延变化。
• 物理模型驱动： 严格遵循声速-温度物理映射公式，综合考虑了介质的热膨胀系数与声速温度系数。
• 全流程仿真： 集成了从原始射频（RF）信号生成、热致延迟叠加到最终温度场重构的完整闭环算法。
• 多级信号处理： 包含解析信号转换、相位解包、时延梯度计算以及多准则空间平滑滤波。
• 直观可视化： 提供时间位移曲线、温升对比分布以及误差定量分析报告。

使用方法

1. 确保计算机已安装MATLAB环境。
2. 将程序脚本放置于MATLAB当前工作路径下。
3. 运行核心脚本程序，系统将自动生成仿真数据并进行计算。
4. 观察弹出的可视化界面，查看原始回波对比、时移演变曲线及重构温度场。
5. 查看命令行输出的精度报告，包括最大温升、根均方误差（RMSE）及最大绝对误差。

系统要求

• 软件环境： MATLAB R2018b 或更高版本。
• 硬件要求： 无特殊硬件要求，标准商用笔记本电脑即可流畅运行。

逻辑流程与实现说明

程序严格遵循以下计算逻辑实现：

1. 参数定义： 设定超声参数（40MHz采样率、5MHz中心频率）与物理常数（1540m/s初始声速）。定义映射系数，该系数由热膨胀系数 $alpha$ 减去声速温度系数 $beta$ 得到。
2. 仿真环境构建：

* 在深度方向上随机分布多个散射点，利用高斯调制脉冲模拟生成加热前的原始RF信号。 * 预设一个高斯分布的温升场作为“真值”。 * 根据温升场对深度进行积分，计算出每一处回波产生的累积时间延迟。 * 利用分段三次埃尔米特插值（pchip）技术，根据时延对原始信号重采样，生成加热后的RF信号，并加入高斯白噪声。

1. 解析信号处理： 对加热前后的RF信号执行Hilbert变换，将其从实数域转换到复解析域（IQ信号），以便直接提取相位信息。
2. 滑窗相位估计：

* 设定固定长度的滑动窗口（如8个波长宽度）并设置高重叠率。 * 在每个窗口内计算前、后两组信号的复自相关函数。 * 利用四象限反正切函数提取自相关结果的相位角，该角度直接对应于该区域的平均时延。

1. 时延规律重构：

* 将相位偏移转换为具体的时间单位。 * 针对相位跳变现象（2π模糊），执行时延解包处理，确保深度方向的时延曲线具有连续性。

1. 温度映射与去噪：

* 基于时延随深度变化的梯度（导数），结合声速及映射系数，将时延梯度场转换为温升场。 * 应用中值滤波去除计算梯度时产生的脉冲噪声。 * 执行高斯平滑处理，拟合真实的物理热扩散分布。

关键算法与细节分析

• 复自相关相位估计算法： 这是系统的性能核心。相较于传统波形互相关需要进行插值以获取亚采样精度，该算法直接利用IQ信号的相位差计算位移。其公式 $R = sum(s_{pre} cdot conj(s_{post}))$ 能够以较低的计算量获得极高的位移分辨率。
• 时延梯度映射模型： 程序不仅计算总位移，更核心的是通过 $dtau/dz$（时延随深度的变化率）来推导温度。这种方法消除了前端传播路径导致的偏置，能够精准定位局部温升。
• 自定义解包逻辑： 为了防止超声中心频率导致的相位循环，程序内置了相位解包函数。它通过监测相邻深度间的位移跳变，自动补偿相位循环周期，保证了在大量级温升下的稳健性。
• 空间自适应处理： 系统通过设置窗口长度和重叠率来平衡空间分辨率与估计精度。窗口越大，抗噪性越强但空间分辨率越低；重叠率越高，则温升曲线越平滑。