CN101077306A

CN101077306A - 一种相控阵超声二维阵列三维成像方法及其应用

Info

Publication number: CN101077306A
Application number: CN 200710118427
Authority: CN
Inventors: 杨平
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2027-07-05
Also published as: CN100512763C

Abstract

本发明属于超声检测领域，尤其涉及一种相控阵超声二维阵列三维成像方法。且在所述三维成像方法中的波束合成方法包括：划分步骤：集总相关校正步骤：邻近相关校正步骤。本发明解决了二维阵列探头阵元面积小、回波信号弱、信噪比差，以及阵列在加工和应用中不可避免地的造成部分阵元灵敏度变差或者失效的技术问题。本发明利用了集总相关校正抗噪声干扰能力强；邻近相关校正在信号信噪比较高时，估计精度较高的优点，确保最终合成信号有更高的信噪比。

Description

一种相控阵超声二维阵列三维成像方法及其应用

技术领域：

本发明属于超声检测领域，尤其涉及一种相控阵超声二维阵列三维成像方法。

背景技术：

相控阵超声技术是实现快速超声成像的关键技术，而相控阵超声二维阵列系统是实现实时三维超声成像最好的方法。但是由于受到阵列探头设计因素的影响，相控阵探头阵元之间的距离一般都比较小。对于一维阵列探头来说，阵元形状是长条状的，阵元面积较大，如图1a所示。对于二维阵列探头来说，阵元呈小的正方形或矩形，阵元面积很小，如图1b所示。对于超声换能器来说，接收信号的强度跟换能器的面积成正比，对于二维阵列探头来说，由于每个阵元的面积很小，其接收到信号的强度远远弱于一维阵列探头中每个阵元接收到的信号(即信号的信噪比很差)。如何利用信噪比很差的信号进行波束合成，最终得到较好的超声图像，是实现二维阵列三维成像的关键技术。

发明人通过多年研究并通过对现有科技文献的检索，发现针对上述问题，没有发现有关相控阵超声二维阵列三维成像波束合成方法研究。

本发明的目的是针对二维阵列探头阵元面积小、回波信号弱、信噪比差，以及阵列在加工和应用中不可避免地的造成部分阵元灵敏度变差或者失效的技术问题。并结合邻近相关校正和集总相关校正的特点，提出一种相控阵超声二维阵列三维成像的方法，且在方法中发明了一种适合的波束合成方法。

本发明的基本原理是基于相关相位校正的方法(根据参考信号的不同，相关校正分为邻近相关校正和集总相关校正，邻近相关校正是以多路信号中的一路为参考信号，集总相关校正是以多路信号的直接叠加之和为参考信号。)通过相关检测来测量各通道信号之间的相位畸变，消除相位畸变后实现波束合成。

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种相控阵超声二维阵列三维成像方法，且在所述三维成像方法中的波束合成方法包括下述步骤：

(1)划分步骤：对二维阵列中的各子阵进行划分；即根据每个子阵阵元接收到回波信号的信噪比进行划分。划分标准是使各个子阵内所有信号直接叠加后所得信号的信噪比大于5dB

(2)集总相关校正步骤：

a，集总相关校正：在每个子阵内，各路信号Sn(n＝1，2，3...)跟参考信号A做集总相关校正，求得各路信号的相位偏差；

b，消除相位偏差：对每路信号做的相位延迟后得到Sn′；

c，叠加：将每个子阵内的各路信号Sn′叠加得到每个子阵校正后的信号Sum n′，即得到了各个子阵内部的合成波束。

(3)邻近相关校正：

a，邻近相关校正：对集总相关校正后各个子阵的信号Sum n′做邻近相关校正，即各个子阵的信号Sum n′与参考信号B做邻近相关校正，求得各个子阵之间的相位偏差；

b，消除相位偏差：对各个子阵进行的相位延迟；

c，叠加：将消除了相位偏差后各子阵的信号叠加，从而得到一条总的波束的数据。

在具体的集总相关校正步骤中，参考信号A为所在子阵内所有信号的直接叠加之和Sum n；

在具体的邻近相关校正步骤中，参考信号B为任一子阵合成信号Sum n′；且在邻近相关校正前，子阵内合成信号的信噪比大于集总相关校正前合成信号的信噪比。

在具体的相控阵超声二维阵列三维成像方法中还包括以下方法步骤：

A、发射聚焦步骤：针对空间中的某一点，计算二维阵列中的每个阵元实现发射聚焦到该点所需要的延迟时间；通过控制二维阵列所有阵元的发射时间，完成发射聚焦；

B、模数转换及延迟聚焦步骤：发射完成后，将所有阵元接收到的信号转换成数字信号；并根据聚焦点的位置进行延迟聚焦；

C、，波束合成方法步骤：将各路信号根据上述提出的波束合成方法，先进行子阵划分，完成子阵内的集总相关校正；再进行子阵间的邻近相关校正；后将各路信号根据检测到的畸变做相应相位延迟后再相加，从而得到一条波束，即完成了一条扫描线的扫描；

D、重复扫描步骤：针对预扫描空间中不同的点，重复A～C步，直至完成空间所有点的发射扫描；

E、输出显示步骤：取出所有数据中的最大值，等值面阈值的选择定为比最大值低1/4倍。将三维图像数据中是最大值1/4的数据连接成面，即完成三维图像的显示。

在实际的应用中，上述三维成像方法应用在医学超声与工业超声中的相控阵超声二维阵列三维成像中。

本发明解决了二维阵列探头阵元面积小、回波信号弱、信噪比差，以及阵列在加工和应用中不可避免地的造成部分阵元灵敏度变差或者失效的技术问题。利用本发明来实现相控阵超声二维阵列三维成像检测中的波束合成，克服了集总相关校正灵敏度偏差、邻近相关校正中对信噪比敏感和存在误差传递、积累的缺点；利用了集总相关校正抗噪声干扰能力强；邻近相关校正在信号信噪比较高时，估计精度较高的优点，确保最终合成信号有更高的信噪比。

利用此发明可以解决相控阵超声二维阵列三维成像中阵元信号信噪比较低，难以进行波束合成的难题，具有重要的意义。

附图说明：

图1是一维阵列和二维阵列及其焦点的示意图；

图2是一维阵列得到二维图像的扫描过程示意图。

图3是本发明方法中实现相控阵超声二维阵列三维成像波束合成的原理图，

S1，S2，...，Sn是相位校正前的每路信号；

Sum1，Sum2，...，Sumn是每个子阵所有信号的直接叠加所得的信号；

S1′，S2′，...，Sn′是每路信号跟所在子阵直接叠加信号Sumn进行集总相关校正后所得的每路信号；

Sum1′，Sum2′...Sumn′是每个子阵在实现子阵内集总相关校正后，自子阵内各路信号叠加所得的信号。

图4中3a是二维阵列及其检测对象的示意图，3b是二维阵列实现三维扫描得到多条数据线示意图。

图5不采用本发明的直接波束合成所成三维图像的结果图。

图6采用本发明的波束合成方法所成三维图像的结果图。

上述各幅附图的具体说明将结合具体实施方式加以阐述。

具体实施方式

图1是一维阵列和二维阵列及其焦点的示意图。

一维阵列探头，阵元形状是长条状的，阵元面积较大，如图1a所示。

二维阵列探头，阵元呈小的正方形或矩形，阵元面积很小，如图1b所示。

图2一维阵列得到二维图像的扫描过程示意图。

通过控制各个阵元的发射和接收时间，在空间某条线上逐点地实现发射聚焦和接收聚焦，得到一条扫描线；多次重复后得到多条扫描线，从而完成二维图像的扇形扫描。

图3是本发明方法实现相控阵超声二维阵列三维成像波束合成的原理图，

图中：

S1，S2，...，Sn是相位校正前的每路信号；

图中所表示的三维成像方法中的波束合成方法包括下述步骤：

(2)集总相关校正步骤：

a，集总相关校正：在每个子阵内，各路信号Sn(n＝1，2，3...)跟其参考信号A做集总相关校正，求得各路信号的相位偏差；

b，消除相位偏差：对每路信号做的相位延迟后得到Sn′；

(3)邻近相关校正：

b，消除相位偏差：对各个子阵进行的相位延迟；

图4a是二维阵列及其检测对象的示意图，

图4b是二维阵列实现三维扫描得到多条数据线示意图。

图4为相控阵超声二维阵列实现三维扫描成像的示意图。图4a是二维阵列探头与待检对象的位置示意图，二维阵列探头置于待检测对象上，待检测对象中有预先加工好的人工缺陷(一个规则通孔)，通过控制阵元实现一个三角形平面上的顺序扫描，如图3a中虚线三角形所示(在该三角形平面内的扫描如同图2所示的一维阵列实现二维成像那样得到多条数据线)。按照图中虚线箭头的方向，完成多个三角形平面的扫描，从而完成对金字塔形空间的扫描。图4b是二维阵列通过电子扫描在一定的空间内得到三维图像数据(若干条数据线)的示意图，每个黑点表示一条波束。在三维图像显示中，由于等值面法能够显示三维图像的走向和形态，所以在完成对某个空间的扫描得到三维图像数据后，通过显示等值面的方法将待检测对象的三维图像显示出来。

即在具体的相控阵超声二维阵列三维成像方法中还包括以下方法步骤：

E、输出显示步骤：取出所有数据中的最大值，等值面阈值的选择定为是最大值1/4。将三维图像数据中是最大值1/4的数据连接成面，即完成三维图像的显示。

对于不同材质的母材和检测对象来说阈值选择会有所不同，所以必须根据实际情况来确定。阈值的选择以成像结果最能客观反映待检对象内部结构为标准。在三维成像实现过程中，以45#钢中有气孔为例，当阈值N取-12dB时，三维成像具有很好的效果。

相控阵超声二维阵列三维成像系统是实现实时、高分辨力三维成像最好的方法，是医学超声与工业超声研究的热点，其主要对探头下方一定的空间进行快速电子扫描得到三维图像数据。由于二维阵列探头中阵元面积小，回波信号弱、信噪比差，采用直接波束合成往往很难得到较好的图像质量。运用本发明提出的波束合成方法，可以显著地提高波束合成的质量，从而提高最终三维超声图像的质量。

上述方式只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了使用方法和原理的基础上，很容易作出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

图5不采用本发明的直接波束合成所成三维图像的结果图。

图6采用本发明的波束合成方法所成三维图像的结果图。

采用本发明的波束合成方法后，所成三维成像更能反映实际情况，空间分辨力更高，图像更清晰。

图5，图6是当阈值N＝24dB时，不采用本发明直接波束合成和采用本发明得到的三维图像。

Claims

1，一种相控阵超声二维阵列三维成像方法，其特征在于：在所述三维成像方法中的波束合成方法包括下述步骤：

(1)划分步骤：对二维阵列中的各子阵进行划分；即根据每个子阵阵元接收到回波信号的信噪比进行划分；

(2)集总相关校正步骤：

b，消除相位偏差：对各路信号做的相位延迟后得到Sn′；

c，叠加：将每个子阵内的各路信号Sn′叠加得到每个子阵校正后的信号Sum n′，即得到了各个子阵内部的合成波束；

(3)邻近相关校正：

b，消除相位偏差：对各个子阵进行的相位延迟；

2、根据权利要求1所述的相控阵超声二维阵列三维成像方法，其特征在于：

在上述(1)的划分步骤中，是根据每个子阵阵元接收到回波信号的信噪比的大小划分，划分标准是使各个子阵内所有信号直接叠加后所得信号的信噪比大于5dB。

3、根据权利要求1所述的相控阵超声二维阵列三维成像方法，其特征在于：

在(2)集总相关校正步骤中，参考信号A为所在子阵内所有信号的直接叠加之和Sum n；

在(3)邻近相关校正步骤中，参考信号B为任一子阵合成信号Sum n′；且在邻近相关校正前，子阵内合成信号的信噪比大于集总相关校正前合成信号的信噪比。

4、根据权利要求1所述的相控阵超声二维阵列三维成像方法，其特征在于：

在成像方法中，三维图像的显示方法采用等值面显示方法，等值面的阈值为-12db。

5、根据权利要求1所述的相控阵超声二维阵列三维成像方法，其特征在于：所述成像方法还包括：

C、波束合成方法步骤：将各路信号根据上述提出的波束合成方法，先进行子阵划分，完成子阵内的集总相关校正；再进行子阵间的邻近相关校正；后将各路信号根据检测到的畸变做相应相位延迟后再相加，从而得到一条波束，即完成了一条扫描线的扫描；

E、输出显示步骤：取出所有数据中的最大值，等值面阈值是最大值的1/4倍；将三维图像数据中是最大值1/4的数据连接成面，即完成三维图像的显示。

6，根据权利1-5所述的一种相控阵超声二维阵列三维成像方法的应用，其特征在于：三维成像方法应用在医学超声与工业超声中的相控阵超声二维阵列三维成像。