CN102621223B - 一种基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法，在预设焦点处放置一假想声源发射声脉冲，由介质结构计算出换能器各阵元接收的声信号；将得到的声信号进行时间反转处理，并将其作为激励脉冲加载到对应的换能器阵元上进行激励，使声场在预设焦点处聚焦；换能器各阵元再接收回波声信号，进行采集和存储；将回波声信号进行时间反转处理，通过相关计算得到上述预设焦点处的声信号，将这个声信号作为检测数据进行分析和判断；不断改变上述预设焦点位置，重复上述过程，从而对整个检测区域进行扫描和检测。本发明利用声波时间反转自适应聚焦及超声相控阵电子扫描方式实现多种波包同时聚焦的超声扫描与检测，且可得到较高的信噪比和图像分辨率。

Description

一种基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法，可实现多种波包同时聚焦、扫描和检测。

背景技术

超声相控阵技术是近年发展起来的一种超声无损检测技术。该技术能有效地提高检测速度和检测信号的信噪比，具有快速、可靠、准确等特点。超声相控阵扫描采用电子技术控制超声换能器各阵元激励脉冲的时延和幅度，产生形状和方向电子可调的超声聚焦声束，进而在不需要移动换能器位置或少移动换能器位置的情况下，对待检区域进行扫描、检测与成像，对待检物的内部结构和缺陷隐患进行查扫并给出图像。

迄今为止，人们关于超声相控阵聚焦和扫描的理论都是建立在均匀介质的条件下，即假定待检介质的背景为均匀介质。在这种假定下采用单一的波包速度计算时间延迟，来进行聚焦发射和聚焦接收处理。这种聚焦方式只能对单一成分的波包(如纵波或横波)进行聚焦处理。然而，在固体介质中，由于存在多种成分的波包，即使是单一方式的激励，在接收信号中也会存在着纵波和横波，甚至还存在导波等。如果只对其中单一波包进行聚焦处理，将不能显著地提高聚焦后的信噪比，尤其是，如果进行处理的波包的自身信号很小，那么对这种波包进行相控阵聚焦处理，则聚焦后的信号仍然比较小，不能达到有效提高信噪比的效果。因此，目前的超声相控阵技术采用单一波包进行聚焦处理，当介质中存在多个波包传播时，不能保证在整个检测空间中都有较好的信噪比和聚焦分辨率，有时聚焦效果会很差。

声波时间反转法是一种自适应聚焦方法，即只需要把实际接收到的信号进行时间反转处理后再重新发射出去，声波自动聚焦在原声源位置处，这一过程不需要介质结构等信息。因此，其最大的优点是不需要知道介质的性质就能实现聚焦，并且时间反转法可以同时将固体介质中的纵波和横波(甚至导波)都同时实现聚焦，是一种自适应的聚焦方法。若能利用时间反转法对多种波包同时实现聚焦，结合超声相控阵的扫描和检测方式的灵巧特点，则可开发出一种在整个检测空间上分辨率更高、聚焦效果更好的超声扫描和检测方法。

发明内容

为了解决传统超声相控阵扫描中单一波包聚焦效果不佳等问题，本发明的目的在于提供一种基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法。其利用声波时间反转自适应聚焦及超声相控阵电子扫描方式实现多种波包同时聚焦的超声扫描与检测。该方法可将介质中纵波、横波及导波等多种波同时实现聚焦、扫描和检测，从而在整个检测空间中得到较高的信噪比和图像分辨率。

为了实现上述目的，本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法，包括如下步骤：

(a)首先，在待检测区域上的任意位置预设一个焦点A，并假设在该预设焦点A处放置一个假想声源发射声脉冲信号，然后，由介质结构计算出换能器各阵元接收的由该假想声源发出的声信号，假设将该声信号记为U_i(t)，其中下标i表示换能器各阵元的编号(最后一句话已删除)。

(b)将计算出的各阵元接收到的所述声信号U_i(t)进行时间反转处理，即在时序上进行反序得到U_i(T-t)，其中T为一个相对较长的时间宽度，表示在时间反转处理过程中开窗所取的时间宽度，然后将这个时间反转信号U_i(T-t)作为激励脉冲加载到对应的换能器阵元上进行激励，使声场在预设焦点处聚焦，根据时间反转法原理，此时声场将自适应地聚焦于A点处，来自不同阵元和以不同速度传播的波包都同时到达A点，多种波包在A点同时聚焦，聚焦声束具有较高的信噪比。

(c)然后，所述换能器各阵元再接收回波声信号，将回波声信号进行采集和存储，并记为U′_i(t)。

(d)接着，将U′_i(t)进行时间反转处理得到U′_i(T-t)，然后假定将U′_i(T-t)作为激励信号f′_i(t)加载到换能器对应的阵元上，使换能器所有阵元进行激励，通过计算得到A点处的声信号U_A(t)，该U_A(t)就是聚焦接收后的检测信号，作为检测数据进行分析和判断；

(e)不断地改变A点的位置，重复进行上述(a)～(d)的处理过程，从而对整个检测区域实现聚焦、扫描和检测。

另外，所述步骤(a)中计算换能器各阵元接收的由该假想声源发出的声信号U_i(t)的方法包括：射线近似法、有限差分法以及有限元法(已删除等字)。当采用射线近似法时，假设该假想声源的激励脉冲为f(t)，在背景介质为均匀介质并只考虑纵波和横波的条件下，U_i(t)可写为：

其中，下标i表示换能器各阵元的编号，

和

分别为第i阵元上的纵波和横波的幅度，r_i为该假想声源到第i阵元的距离，v_p和v_s分别为背景介质中纵波和横波的传播速度。

所述步骤(d)中计算聚焦接收后的检测信号U_A(t)的方法包括：射线近似法、有限差分法以及有限元法等。当采用射线近似法时，假设在背景介质为均匀介质且只考虑纵波和横波时，则

其中，

N为换能器阵元的个数，f′_i(t)＝U′_i(T-t)，

和分别为第i阵元激励时焦点处的纵波和横波的幅度，r_i为第i阵元到焦点的距离。

有益效果：

本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法的有益效果在于，可以将介质中的多种波包实现同时聚焦和扫描，改善了传统相控阵方法中单一波包聚焦引起的聚焦效果不佳的问题。本发明基于声波时间反转法实现自适应的聚焦方式，由于多种波包同时聚焦，从而大大增强了检测信号的信噪比和图像分辨率。同时，本发明还具有超声相控阵扫描和检测的优势，在不移动或少移动换能器阵列位置的情况下，对检测区域实现快速扫描和检测。本方法既具有时间反转法的自适应聚焦功能，又具有超声相控阵的扫描和检测灵巧优势。

附图说明

图1是本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法的流程框图。

图2是表示本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法中假设在待测位置A处放置一个假想声源发射声脉冲信号从而计算出换能器各阵元接收到的声信号[第i阵元接收到的声信号记为U_i(t)]。

图3是表示本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法中将计算出的各阵元的时间反转信号U_i(T-t)加载在对应阵元上进行激励。

图4是表示本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法中换能器各阵元接收回波信号[第i阵元接收到的回波信号为U′_i(t)]。

图5是表示本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法中假定将各阵元的时间反转信号U′_i(T-t)加载在对应阵元上进行激励，计算出A点的声信号U_A(t)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法进行详细的说明。

图1是本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法的流程图，如图1所示，本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法，具体包括如下步骤：

(a)首先，在待检测区域上的任意位置预设一个焦点A，并假设在该预设焦点A处放置一个假想声源发射声脉冲信号，换能器各阵元将会收到声信号，这个声信号将包括纵波和横波等多种波包，我们将这个声信号记为U_i(t)，其中下标i表示换能器各阵元的编号。

图2是表示本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法中假设在待测位置A处放置一个假想声源发射声脉冲信号从而计算出换能器各阵元接收到的声信号[第i阵元接收到的声信号记为U_i(t)]。如图2所示，这里，我们可以将介质背景作为均匀介质，例如通过射线近似法、有限差分法或者有限元法等常用的计算方法进行计算，因而很容易通过计算得到包含多个波包的声信号U_i(t)。

例如，这里我们采用射线近似法来计算该声信号U_i(t)，如果该假想声源的激励脉冲为f(t)，在背景介质为均匀介质并只考虑纵波和横波的条件下，U_i(t)可写为

其中，下标i表示换能器各阵元的编号，和

分别为第i阵元上的纵波和横波的幅度，r_i为该假想声源到第i阵元的距离，v_p和v_s分别为背景介质中纵波和横波的传播速度。

(b)将计算出的各阵元接收到的声信号U_i(t)进行时间反转处理，即在时序上进行反序得到U_i(T-t)，其中T为一个相对较长的时间宽度，表示在时间反转处理过程中开窗所取的时间宽度，然后将这个时间反转信号U_i(T-t)作为激励脉冲加载到对应的换能器阵元上进行激励，使声场在预设焦点处聚焦。

图3是表示本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法中将各阵元的时间反转信号U_i(T-t)加载在对应阵元上进行激励。如图3所示，根据时间反转法原理，这时声场将自适应地聚焦于A点处，来自不同阵元和以不同速度传播的波包都将同时到达A点，即多种波包在A点是同时聚焦，聚焦声束具有较高的信噪比。

(c)然后，换能器各阵元都接收回波声信号，我们将回波声信号进行采集和存储，并记为U′_i(t)。

图4是表示本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法中换能器各阵元接收回波信号的情况。

(d)接着，将U′_i(t)进行时间反转处理得到U′_i(T-t)。然后假定将U′_i(T-t)作为激励信号f_i′(t)加载到换能器对应的阵元上，使换能器所有阵元进行激励，我们通过计算得到A点处的声信号U_A(t)，该U_A(t)就是我们聚焦接收后的检测信号，可作为检测数据进行分析和判断。

图5是表示本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法中假定将各阵元的时间反转信号U′_i(T-t)加载在对应阵元上进行激励，计算出A点的声信号U_A(t)。

这里，计算聚焦接收后的检测信号U_A(t)也可以采用射线近似法、有限差分法以及有限元法等常用方法。

例如，这里我们同样也采用射线近似法来计算该声信号U_A(t)，假设在背景介质为均匀介质且只考虑纵波和横波时，则

其中，

N为换能器阵元的个数，f′_i(t)＝U′_i(T-t)，

和

分别为第i阵元激励时焦点处的纵波和横波的幅度，r_i为第i阵元到焦点的距离。

(e)不断地改变A点的位置，重复进行上述(a)～(d)的处理过程，从而对整个检测区域实现聚焦、扫描和检测。

以上步骤中(a)和(b)为聚焦发射过程，而(c)和(d)为聚焦接收过程。不断地改变A点的位置重复进行(a)～(d)的处理过程，不管A点处在什么位置，多种成分的波包总是自适应地聚焦到该A点上。由此，通过不断地改变A点的位置并进行计算，从而可对整个检测区域实现聚焦、扫描和检测。

综上所述，本发明的基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法采取的技术方案是将时间反转法自适应聚焦特点和超声相控阵扫描与检测方式结合起来实现多种波包同时聚焦和扫描，其中，时间反转法可以同时将固体介质中的多种波包同时聚焦，这是一种自适应聚焦方法，然后再结合相控阵的扫描与检测方法，使多种波包同时聚焦形成的聚焦声束对检测区域进行扫描和检测。本发明的方法结合了时间反转法自适应聚焦特性和相控阵电子扫描与检测的特性，利用了多种波包同时到达焦点的特点，大大改善了声束的聚焦效果，较大程度地提高了信噪比和图像分辨率。

本发明的方法是基于时间反转法得到换能器阵列各阵元的激励脉冲信号，使各阵元发出的各种波包同时到达焦点处形成相干叠加。同时，采用时间反转原理对反射回波进行接收聚焦处理，得到高信噪比的检测信号。

本发明的技术优势在于可以将介质中的多种波包实现同时聚焦和扫描，改善了传统相控阵方法中单一波包聚焦引起的聚焦效果不佳的问题。本发明基于声波时间反转法实现自适应的聚焦方式，由于多种波包同时聚焦，从而大大增强了检测信号的信噪比和图像分辨率。同时，本发明还具有超声相控阵扫描和检测的优势，在不移动或少移动换能器阵列位置的情况下，对检测区域实现快速扫描和检测。本方法既具有时间反转法的自适应聚焦功能，又具有超声相控阵的扫描和检测灵巧优势。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于声波时间反转法的超声扫描与检测方法，包括如下步骤：

(a）首先，在待检测区域上的任意位置预设一个焦点A,并假设在该预设焦点A处放置一个假想声源发射声脉冲信号，然后，由介质结构计算出换能器各阵元接收的由该假想声源发出的声信号，假设将该声信号记为U_i(t)，其中下标i表示换能器各阵元的编号；

(b)将计算出的各阵元接收到的所述声信号U_i(t)进行时间反转处理，即在时序上进行反序得到U_i(T-t)，其中T为一个相对较长的时间宽度，表示在时间反转处理过程中开窗所取的时间宽度，然后将这个时间反转信号U_i(T-t)作为激励脉冲加载到对应的换能器阵元上进行激励，使声场在预设焦点处聚焦，根据时间反转法原理，此时声场将自适应地聚焦于A点处，来自不同阵元和以不同速度传播的波包都同时到达A点，多种波包在A点同时聚焦；

(c)然后，所述换能器各阵元再接收回波声信号，将回波声信号进行采集和存储，并记为U′_i(t)；

(d)接着，将U′_i(t)进行时间反转处理得到U′_i(T-t)，然后假定将U′_i(T-t)作为激励信号f_i′(t)加载到换能器对应的阵元上使换能器所有阵元进行激励，通过计算得到A点处的声信号U_A(t)，该U_A(t)就是聚焦接收后的检测信号，作为检测数据进行分析和判断；

(e)不断地改变A点的位置，重复进行上述(a)～(d)的处理过程，从而对整个检测区域实现聚焦、扫描和检测；

所述步骤（a）中计算当该假想声源激励时换能器各阵元接收到的声信号U_i(t)的方法包括：射线近似法、有限差分法以及有限元法，当采用射线近似法时，假设该假想声源的激励脉冲为f(t)，在背景介质为均匀介质并只考虑纵波和横波的条件下，则U_i(t)写为： $U_i\left(t\right)=U_i^{P}f(t-r_i/v_p)+U_i^{S}f(t-r_i/v_s),$

其中,下标i表示换能器各阵元的编号，和

分别为第i阵元上的纵波和横波的幅度，r_i为该假想声源到第i阵元的距离，v_p和v_s分别为背景介质中纵波和横波的传播速度；

所述步骤（d）中计算聚焦接收后的检测信号U_A(t)的方法包括：射线近似法、有限差分法以及有限元法，当采用射线近似法时，假设在背景介质为均匀介质且只考虑纵波和横波时,则 $U_A\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i^A\left(t\right),$

其中， $U_i^A\left(t\right)=U_i^{\mathrm{AP}}{f_i}^{\′}(t-r_i/v_p)+U_i^{\mathrm{AS}}{f_i}^{\′}(t-r_i/v_s),$ N为换能器阵元的个数，f_i′(t)＝U′_i(T-t)，

和分别为第i阵元激励时焦点处的纵波和横波的幅度，r_i为第i阵元到焦点的距离。

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