CN101571510A - 空间多波束并行合成相控阵超声检测 - Google Patents

Abstract

本发明的目的就是提供一种相控阵超声检测波束合成的新方法——空间多波束并行合成相控阵超声检测。波束合成属于相控阵超声信号处理的一个中心环节，其根本意义就是要在特定的方向形成一个扫描波束，以便检测成像。采用空间多波束并行合成技术可以形成指定方向上所需的多条扫描波束，从而提高侧向空间分辨率，从而改善检测成像的效果。

Description

空间多波束并行合成相控阵超声检测

技术领域

本发明涉及超声波检测技术，尤其是相控阵超声检测波束合成方法。

背景技术

超声检测时往往需要对物体内某一区域进行成像，为此，必须进行声束扫描。常规相控阵超声检测是通过控制换能器阵中各个阵元激励(或接收)脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控波束合成，形成成像扫描线技术，原理如图1所示。

相控阵超声检测成像的空间分辨率是检测成像的重要指标，是衡量系统检测能力的重要依据，因此也是国内外相控阵研究者不懈努力追求的目标。

相控阵成像的空间分辨率，取决于相控聚焦区的大小。在聚焦点处的相控聚焦声束宽度最小，在焦点附近的有限区域内，聚焦声束宽度小于各阵元同时激励(即不聚焦)时的声束宽度；但在此区域之外，聚焦声束宽度反而扩散开来，大于不聚焦声束宽度，如图2所示，图中焦点的深度和直径如下式所给出：

聚焦深度： $F_e=8.16\mathrm{\λ}{\left(\frac{F}{D}\right)}^2,(2F/D>1)---\left(1\right)$

焦点直径：b＝1.03λF/D                (2)

侧向分辨率也称横向分辨率，它是在超声扫描平面内沿着与超声波束垂直的方向上可区分的两个点目标的最小距离。侧向分辨率与超声聚焦波束的有效宽度(焦点直径)b成反比；阵列聚焦的有效宽度b与孔径D、焦距F、轴向距离x有下述关系：

$x\≈F,b=1.03\frac{\mathrm{\λx}}{D};---\left(3\right)$

波束的有效宽度b∝λF/D，侧向分辨率与波长的大小成反比，频率越高，波长λ越小，b越小，能分辨两个目标间的距离越小，侧向分辨率越高；它与孔径大小成正比，孔径D越大，焦点附近b越小，能分辨两个目标间距离越小，侧向分辨率越高。

发明内容

解决问题：目前以GE、OLYPUS为代表的工业领域的相控降超声检测设备和相关研究仍处于单发单收阶段，即一条扫描线上只有一次发射聚焦和相应位置的一次接收聚焦，焦域内聚焦声束有效宽度变细，可获得优良的侧向分辨率；但焦域的轴向尺寸较小，焦域以外的声束比未聚焦时发散得更快。所以在焦域内侧向分辨率和检测灵敏度较高，但在扫描线上远离焦点处侧向分辨率和灵敏度降低甚至不如非聚焦声束。如何更好的改善侧向分辨率和信噪比，就是本发明的目的。

技术方案：为实现以上目的，本发明特提出以下技术方案：对于给定的聚焦点或偏转方向相控阵超声单次发射聚焦扫描后，接收时并行进行多次虚拟聚焦扫描。

一种相控阵超声波检测波束合成技术，其特征是：多次虚拟聚焦接收是在与发射聚焦的物理聚焦声轴附近的扫描线方向进行的。

一种相控阵超声波检测波束合成技术，其特征是：将接收聚焦由线扩展到空间。

技术效果：对预埋球状体散射体进行二维成像，球散射体直径10mm。仿真试验如图3所示，表明基于单次发射单次接收聚焦的波束合成形成扫描成像后已无法辨别散射体形状；而使用空间多波束并行波束合成后，形状已可以得到，而且分辨率有很大提高。

表1空间多波束并行仿真参数

具体实施方式

实现波束合成要经过一系列运算，包括加权、延时及对空间各阵元收到的信号求和，这就是延时叠加算法。波束合成的过程可以看作是一个空域上的滤波器，将各阵元来的信号进行适当的组合，波束形成器的时间延时匹配于从特定方向入射的声压场的信号传播延迟，从而使波阵面的振幅相对于背景噪声和指向性干扰得到增强。

相控阵检测中波束合成的基本算法就是延时叠加波束合成算法，其原理如图4(a)。设阵元中心间距为d，换能器孔径为D，聚焦点为P，焦距为F，媒质声速为C。根据几何声程差，可以计算出为使各阵元发射声波在P点聚焦，第n个阵元所需激励信号延迟时间应为：

${\mathrm{\τ}}_n=\frac{F}{C}\{1-{[1+{\left(\frac{\mathrm{nd}}{F}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}\}+{\mathrm{\τ}}_0---\left(3\right)$

式中：n-阵元序号；

τ₀-为一个足够大的时间常数，目的是为了避免τ_n出现负的延迟时间。

接收聚焦如图4(b)所示，它是一个和发射聚焦互逆的过程，同样遵守几何聚焦延迟规律。各阵元接收回波信号，按设计的聚焦延迟量进行延迟，然后相加。数学描述为：

$y_j\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n{x}_{\mathrm{jn}}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jn}}),t\∈[t_1,t_2]---\left(4\right)$

式中：τ_n为各阵元相应的接收聚焦所需相位延时；

w_n为加权系数，用来实现幅度加权变迹；

x_jn(t)为各阵元接收信号；

y_j(t)为合成后波束；

若以单次发射和接收聚焦波束合成形成扫描线，则t的取值只要在检测空间内即可；若是以单发多收或多发多收为基础波束合成形成扫描线，则t的取值应在焦域附近，具体取值取决于侧向分辨率。

在空间多波束并行合成中，首先需要分别确定侧向并行系数，并计算出相应的轴向最小聚焦间距，然后结合空间分辨率要求设定合适的聚焦间距，从而得出对所设定的焦点位置聚焦对应的接收延时进行波束合成。

算法可以如下描述：

(1)根据系统数据处理能力和实时性要求，确定波束合成的侧向并行系数；

(2)由设定的并行系数计算出相应侧向聚焦间距h_t；

(3)根据阵列参数和聚焦位置，计算由聚焦声束决定的最高空间分辨率即相应最小侧向聚焦间距h_r；

(4)判断是否满足h_t＞h_r，如满足继续；否则需要调整系统需求，从(1)重新开始；

(5)在检测空间以所得到的聚焦间距h_t进行多次接收聚焦；

(6)侧向波束合成形成空间成像扫描线。

附图说明

附图说明

图1为相控阵超声检测聚焦和偏转图。图示线性超声换能器阵列，通过控制换能器阵中各个阵元激励(或接收)脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控波束合成，形成成像扫描线技术，实现相控聚焦和偏转。

图2聚焦深度和焦点直径。

图3空间多波束并行合成仿真结果(球散射体)，图中标示意义分别是：SESR20——侧向20条扫描线；SECR 20(4)——侧向80条扫描线，侧向并行系数4。

图4相控聚焦原理示意图。

Claims (3)

1、一种相控阵超声波检测波束合成技术，其特征是：相控阵超声单次发射聚焦扫描后，接收时并行进行多次虚拟聚焦扫描。

2、如权利要求1所述的相控阵超声波检测多波束并行合成技术，其特征是：多次虚拟聚焦接收是在与发射聚焦的物理聚焦声轴附近的扫描线方向进行的。

3、如权利要求1所述的相控阵超声波检测多波束并行合成技术，其特征是：将接收聚焦由线扩展到空间。

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