CN107231811B - 用于非线性交互散射的成像的方法 - Google Patents

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Abstract

沿着第1和第2发射射束发射具有第1和第2中心频率的第1和第2脉冲波(103、104)，使得所述第1和第2脉冲波至少在重叠区(Z)中重叠以产生所述区中的非线性交互散射源。来自至少所述非线性交互散射源的经散射的信号分量由接收器(102)拾取且经处理以抑制除所述非线性交互散射信号分量以外的其它分量，以提供非线性交互测量值或图像信号。在方位角方向或组合的方位角和高度方向中扫描至少一接收射束以产生所述非线性交互散射源的2D或3D图像。

Description

用于非线性交互散射的成像的方法
技术领域
本发明解决具有弹性波和电磁波以及这些的组合的非线性散射的成像。其应用在医疗以及技术两个领域中。
背景技术
电磁(EM)波和弹性(EL)波两者的材料性质常常展示非线性性质，其中材料参数取决于波的场变量的振幅。非线性材料性质的空间变化提供EM波和EL波两者的非线性散射，且此类非线性散射源的成像在许多情形中可用于识别材料性质。前向波传播以及EM波和EL波的局部散射两者具有数学类似性，且因此用于成像的方法和仪器具有类似结构。EL波的用途的实例是利用剪切波和压缩波两者的材料测试、利用压缩波的超声医疗成像，以及声纳海底和地质学测量。EM波具有类似用途，其中具有0.1-1mm范围中的波长的高GHz和THz范围中的EM技术的尤其新的发展正被开发用于医疗成像，将添加的信息提供到超声图像。红外和光学频率范围中的EM成像还提供用于材料测试和医疗成像两者的有用信息。
非线性散射能够用于将EM波和EL波两者分成参数和谐振散射类型。对于EL波，参数散射来源于局部弹性参数随局部弹性波场的振幅的非线性变化，其中非线性变化的空间变化产生非线性散射。对于EM波，参数散射来源于局部介电常数或磁导率随局部EM波场的振幅的非线性变化，其中非线性变化的空间变化产生非线性散射。对于弹性压缩波(被称作声波)，举例来说，在软材料和硬材料之间的界面处获得强非线性参数散射，例如从来自软肿瘤组织中的微钙化的超声非线性散射或来自比如矿物或其它物体等土壤中的硬物体的声学散射所发现的。还在更硬材料和软的多的材料之间的界面处获得强非线性散射，例如从来自血液中的气体微泡或水中的鱼类等的气体填充的鱼鳔的超声散射或来自例如聚合物、聚合复合物、岩石或金属零件中的裂缝的声学散射所发现的。
对于单一频带入射波，参数非线性散射产生散射波中入射频带的谐波分量。对于局部交互的双带入射波，参数非线性散射产生入射频带的卷积周围的带，其提供入射频率的和与差周围的带。然而，材料参数的非线性变化还产生前向传播波的累积非线性失真。当高频率脉冲的脉冲长度增加到低频率脉冲的近似半周期以上时，来自非线性前向传播失真的线性散射具有与局部非线性散射类似的签名，且在此情况下难以区分从入射波的非线性前向传播失真的线性散射发生的信号分量和从局部非线性散射发生的信号分量。本发明提供呈方法和仪器的形式的解决方案，其抑制来源于由非线性前向传播失真产生的分量的强线性散射的分量，且提取局部非线性散射分量以产生局部非线性散射源的空间成像。
谐振非线性散射具有所涉及的时间滞后，其在一些情况下能够用于分离来自局部非线性散射和入射波的前向传播失真的信号分量。然而，本发明提供用于局部谐振非线性散射源的成像的进一步优点。
对于声波，气体微泡展示谐振散射，举例来说，其中谐振来源于壳层和气体的气泡的非线性弹性与具有气泡体积的近似3倍的体积的气泡周围的共振荡流体质量之间的能量交换。随着弹性和质量两者随气泡压缩而变化，谐振频率非线性地受入射声波场影响，从而产生具有入射频率的大量谐波分量(入射频率的n倍)乃至散射场中入射频率的子谐波分量(入射频率的分数)和入射频率的超谐波分量(谐波分量周围的带)的尤其强的非线性散射。然而，对于完全在气泡谐振频率以上的频率处的成像，非线性散射低得多，且本发明提供用于在谐振频率以上的频率处微泡的增强成像的解决方案。
微钙化还能够产生低频率处声波的谐振散射，其中比周围组织重的钙粒子与周围组织的剪切弹性交互以产生低谐振频率。其中操纵波的频率为低的本发明的双频解决方案能够在钙粒子较小时激发此谐振。
谐振非线性EM散射在波场与原子和分子之间的交互中发起，其在量子物理学的领域内最佳描述。EM谐振散射的实例为具有与子谐波声学散射的类似性的荧光。两个光子量子散射类似于第2谐波参数散射，但包含在过程中具有时间滞后的详细动力学。
还发现材料中的EM波和EL波之间的非线性交互，其中举例来说，EL压缩波在称为声光效应的过程中改变EM材料参数。材料中EM波的吸收产生在称为光声效应的过程中产生声波的材料的辐射力和局部加热。本发明因此解决EM波和EL波两者和这些的组合，其中描述内容和权利要求书中提及的波可以是EM波和/或EL波。
发明内容
此概述给出本发明的组件的简要概观，且并不提供关于本发明的范围的任何限制，其中本发明仅由此处所附的权利要求书界定。
本发明以声学阵列和电磁阵列两者和这些的组合操作，例如利用光声原理。使用声波作为一实例描述本发明的一般原理，其中到电磁波的转变能够由所属领域的任何技术人员进行。
第1和第2脉冲波在至少一个发射事件中在偏斜或相反方向中发射到物体中，其中第1和第2所发射脉冲在物体的非线性交互重叠区中在空间和时间上重叠。对于其中用于波散射和传播的参数取决于波场的振幅的物体，获得重叠区中的非线性交互散射源，频率分量是第1和第2脉冲波的频率分量的和与差。非线性交互散射分量由接收阵列拾取，接收阵列可以是发射阵列中的一者或单独阵列，且经由处理能够经由以下操作使非线性交互散射分量与其它接收分量分离：i)时域中的过滤，或ii)脉冲倒转技术，其中发射具有第1和第2脉冲波中的一者的极性、振幅或频率的差异的第1和第2脉冲波的两个事件，且组合来自两个发射事件的接收信号，或ⅲ)过滤和脉冲倒转的组合。
对于第1和第2发射波的相反传播，由第1和第2脉冲波的发射的相对定时确定重叠区的深度位置。由脉冲的长度确定重叠区的长度，其中通常将选择发射脉冲中的一者(感测脉冲)的短脉冲以实现良好空间图像分辨率，另一脉冲(操纵脉冲)可能相对较长以确定重叠区的长度。然而，非线性交互扫描的强度随两个所发射脉冲的振幅增加，且随着变换器阵列和物体的较长脉冲吸收加热限制了脉冲振幅，因此减小非线性交互扫描的强度。在此情形中，给定可允许的孔隙尺寸和随着深度的射束衍射加宽，有利地使用比如第1脉冲(操纵脉冲)的尽可能低的频率，而另一脉冲具有高频率以实现强散射和空间分辨率。本发明提供针对此系统的解决方案。
本发明还主张一种根据所述方法操作的仪器。所述仪器和方法能够以不同类型的阵列操作，举例来说至少两个线性或相控阵列，或环状阵列，所有均在此项技术中已知。
附图说明
图1说明用于两个射束之间的非线性交互的成像的阵列和射束的布置，图1a图示说明在高度方向的该布置，图1b图示说明在方位角方向的该布置。
图2a和2b说明入射的第1和第2所发射时间频带的和与差频带的形成，以及经由时间频域中的过滤对非线性交互散射信号的提取；
图2c说明当第1发射波的中心频率小于第2发射波的时间频率带宽时入射的第1和第2所发射时间频带的和与差频带的形成。
图3进一步说明两个波彼此成角度的传播交互。
图4说明在两个射束在相反方向中传播的情况下图1中的阵列的布置的修改。
图5说明当第1发射波的中心频率小于第2发射波的时间频率带宽时来自相反传播波的非线性交互散射。
图6说明根据本发明的仪器的框图。
具体实施方式
我们将在此处给出根据本发明的实施例的实例。所述描述并不提供关于本发明的范围的任何局限性，其中本发明仅由在此所附的权利要求书界定。
我们使用具有2阶弹性的物体中的声压波作为用于描述本发明的实例。然而，所属领域的任何技术人员将了解能够如何将此实例扩展到较复杂的弹性情形，例如谐振非线性散射器的情形、声学剪切波、声板波、声学表面波以及电磁波的使用。聚合物、聚合复合物或岩石中的裂缝提供尤其强的非线性散射。根据本发明的方法能够例如用于检测岩石中的裂缝以评估岩层的稳定性、隧道中水的流入的问题，以及油气井的邻域的评估。对于例如飞机、船舶或风车中的构造中的聚合物或聚合复合物的板，能够例如使用根据本发明的检测非线性交互散射的方法来检测裂缝或材料中的其它损坏，作为制造中的质量控制以及用于监测构造的安全操作。对于板，能够方便地使用表面或板模式弹性波或压力波，或这些的组合。
对于压力波的说明性实例，通过压力p对小体积元件ΔV的体积压缩δV能够达到压力的2阶，写成
Figure GDA0002979660810000041
其中ψ为波中的粒子位移，κ为线性可压缩性，且βn为非线性参数。在此非线性弹性的情况下，我们获得包含非线性前向传播和散射现象的波等式，为
Figure GDA0002979660810000051
其中r为空间坐标向量，t为时间，
Figure GDA0002979660810000052
为经由
Figure GDA0002979660810000053
界定的声学脉冲动量场，其中
Figure GDA0002979660810000054
为声学粒子速度，ρ(r)为物体质量密度，且
Figure GDA0002979660810000055
为声压场。c0(r)为针对低场振幅的线性波传播速度，βp(r)＝βn(r)κ(r)为非线性传播参数，hp(r,t)为表示波能的吸收加热的卷积核心。σl(r)和γ(r)为给出线性散射参数的物体的可压缩性和质量密度的相对快速(以<近似波长的尺度)空间变化，且σn(r)为非线性散射参数。左侧传播参数随r以>近似波长的尺度变化，而右侧散射参数随r以<近似波长的尺度变化。能够制定针对电磁波的类似等式，其表示EM波的类似非线性传播和散射现象。
等式(2)的不同项具有对波传播和散射的不同效应：线性传播项(1)引导入射波的线性前向传播而不产生新频率分量。线性散射源项(4)产生前向传播波的局部散射而不产生散射波中的新的频率分量。更详细分析展示，非线性传播项(2)经由项(1+2)的组合修改传播速度，为
Figure GDA0002979660810000056
其中，我们在最后的近似中已使用|2βp(r)p1(r,t)|＝|x|＜＜1，其允许近似
Figure GDA0002979660810000057
传播速度随等式(2)中的压力p的非线性变化由以下情况引起：高正压力使材料随着传播速度的相应增加而变硬，而高负压力使材料随着传播速度的相应减小而变软。此产生非线性波传播中众所周知的波的前向传播失真。波的(r 1,t1)到(r 2,t2)处的场点的传播时间t(r 1,r 2)在几何射线传播近似中，给定为
Figure GDA0002979660810000058
其中Γ(r 1,r 2)为r 1到r 2的几何射线传播路径，p(s)为依据传播而变的场点处的波压力，t0(r 1,r 2)为低振幅线性方案中的传播时间，且τ(r 1,r 2)为我们指示为非线性传播延迟的传播时间的非线性修改。
因此，对于具有相对于波场振幅的材料参数的恰当高非线性的材料，非线性影响波的传播速度和局部散射两者。非线性材料参数的缓慢变化(在>～波长度的尺度上接近恒定)将提供入射波的非线性前向传播失真，其经由等式(1)的项(2)随传播距离累积/增加量值。非线性材料参数的快速振荡(在<～波长的尺度上)经由等式(1)的项(5)产生入射波的局部非线性散射。
非线性传播(2)和散射(5)现象在材料参数的2阶近似中，两者与
Figure GDA0002979660810000061
成比例。对于是两个分量的和p＝p1+p2的波(如我们的实例中)，非线性传播和散射两者由下式给定
Figure GDA0002979660810000062
时间域中两个函数的乘法产生时间频域中函数时间傅里叶变换(即时间频谱)的卷积。此卷积在函数的乘积中引入频率分量，其为乘法的因数的频率分量的和与差。对于非线性自失真项，此产生入射频带的谐波和子谐波分量。
图1展示根据本发明用于物体100的非线性交互散射的测量或成像的一个实例实施例的变换器阵列和射束结构。图1a展示高度方向中的结构，且图1b展示射束的方位角方向中(垂直于高度方向)的结构。附图进一步展示第1变换器阵列101发射第1脉冲波束103，p1(r,t)，其在由单位向量n 1指示的方向105中传播且在下文中被称为操纵波。附图进一步展示第2超声变换器阵列102发射第2脉冲波束104，p2(r,t)，在由单位向量n 2指示的方向106中传播且在下文中被称为感测波。107指示变换器和物体(例如，水或耦合凝胶)之间的势波耦合材料。在高度平面中，存在射束方向106和105之间的角度θ。操纵脉冲波束103在横向高度平面中极宽，且相应地长，使得其以选定深度间隔Z确定两个脉冲波束之间的重叠区，其中p1p2将不同于零且因此产生非线性交互散射源。对于p1的低频率f1，有利的是利用脉冲103的特定宽度来限制衍射效应。在脉冲103的匹配长度的情况下，此宽度还增加重叠区的宽度。我们应注意，长脉冲可能归因于吸收加热而需要减小的脉冲振幅，这减小非线性交互散射的强度～p1p2，从而有利地使用短和聚焦脉冲。重叠区的长度Z能够经由脉冲射束103的横向扫描而增加，例如经由由箭头113和114指示的阵列101的旋转或横向移动，或两者的组合。
等式(1)中的非线性散射源项(5)为在所有方向上同等地从小于入射波的波长的源基本上散射的单极散射项。然而，相邻散射器和比波长大得多的散射器之间的干扰产生方向相依散射。在此实例中，所散射信号以阵列102接收，而在图6中还说明用于所散射信号的接收的实例第3阵列607。对于图像的横向分辨率，接收阵列能够划分成横向方向中的许多小元件，以根据已知方法获得图像中的横向方位角接收分辨率。此类元件划分还允许根据已知方法用电子方式导引的发射和接收聚焦。为获得高度方向中的横向分辨率，可根据已知方法使用来自阵列102的接收和发射射束，其在高度方向中较窄，由图1a中的线110展示。物体的3D成像能够根据已知方法，例如通过在由图1a中的箭头112指示的高度方向中以机械方式扫描阵列结构而获得。在二维矩阵接收阵列102的情况下，可根据已知方法获得高度方向中窄发射/接收射束的完整电子3D扫描。还可针对利用矩阵阵列的3D扫描发射在高度方向中较宽的脉冲波104，且利用接收射束获得3D高度分辨率。
在此实例中，脉冲波束103和104两者在方位角方向中较宽，图1b。.两个射束在此实例中出于说明的目的以方位角平面中的相同线108和109为界，其中在实践中，两个射束的边界将归因于不同孔隙和频率而不同。射束的两个其它方向角在此实例中经选择使得第1和第2脉冲之间的重叠区变得平行于阵列102的表面，这在许多设置中是优选的。然而，所属领域的任何技术人员应了解，射束之间的两个其它相对方向角可能在某些设置中不同于图1和4中展示的角度，且根据如所主张的本发明仍获得针对相同目的的相同效应。
为发射宽射束，阵列101可原则上由单一变换器元件组成，因为接收分辨率由阵列102获得。对于针对发射器发射高振幅的简单电阻抗匹配，然而方便的是，阵列由若干较小元件组成。此还允许发射脉冲103的电子聚焦。发射射束的聚焦增加所发射的压力振幅p1和p2，这增加了选定深度区中的非线性散射～p1p2，还优选多元件阵列用于发射，即使也可以使用透镜，这些全部根据已知方法。根据已知方法，发射射束的聚焦需要所聚焦发射射束的横向方位角扫描以实现2D或3D成像。
在时间间隔Δt期间，两个波传播距离cΔt。图3说明在高度方向中操纵脉冲103在起始时间t处在单位向量n 1的方向上传播，其中线300指示波的零波前，且±指示时间t处压力振荡的正和负摆幅。感测脉冲在此起始时间t处也说明为104，其在单位向量n 2的方向上传播。我们选择cΔT使得感测脉冲104的峰值振幅301在103和104的组合传播中在操纵脉冲103上向后移动一个波长λ1。点301随后前向传播距离cΔTn 2。场点301的路径处波103的相位随后改变为ω1(ΔT-n 1cΔTn 2/c)＝ω1(1-n 1 n 2)ΔT，其设定为针对沿着103的一个波长传播等于ω1T1，其中T1＝1/f1为第1脉冲103的周期。此给出
Figure GDA0002979660810000081
其中θ如上文和附图中所定义。对于θ→0，两个脉冲103和104获得相同传播方向且ΔT→∞，其暗示脉冲104的峰值和103的振荡之间的相位沿着其共同传播方向为恒定的，即脉冲104在脉冲103上滑行。等式(3)中p(s)的极性因而为恒定的，且等式(3)中的τ(z)表示脉冲104的非线性传播延迟的量值随深度的累积增加，这在信号处理中必须考虑。对于θ＝π/2，脉冲103与104的脉冲方向成直角传播，且我们获得ΔT＝T1，且对于θ＝π，脉冲103在脉冲104的相反方向中传播，且我们获得ΔT＝T1/2。
对于θ1＜θ＜2π-θ1，其中0＜θ1＜π/2，等式(3)中的非线性传播延迟τ的积分中包含的感测脉冲104的位置处的操纵脉冲103的压力p(s)的极性将振荡，具有脉冲的传播中的有限振幅，且因此τ也将如此。典型值βp～2·10-9Pa-1。对于操纵脉冲的峰值压力P＝1MPa，τ的最大值变得来自等式(3)，其中f1＝0.5MHz，T1＝1/f1且ω1＝2πf1
Figure GDA0002979660810000082
其中，我们已经选择θ＝(45,90,180)度且T2＝100ns，对应于感测脉冲104的频率f2＝1/T2＝10MHz。此给出τmax～(4.3,1.3,0.6)ns，其可针对θ的低值或P的高值方便地校正，以实现所接收信号中的非交互项的最大抑制。
我们界定所接收信号中的两组非线性失真项：
群组A来源于入射波中的前向累积非线性传播失真分量的线性散射，即等式(1)的项(4)，即等式(1)中的项(1+2)和项(4)的组合。自失真项始终为正，且波的谐波失真因此随传播深度累积增加，由于随谐波频率增加的吸收和波的几何散布而衰减。对于其中波以角度θ彼此交叉的非线性交互项，等式(2)中的传播速度的非线性项将归因于等式(3)中p(s)的振荡而随传播深度振荡，且在射束之间恰当大角度θ的情况下，此项的前向传播失真为振荡的且对于强非线性交互散射项可能可忽略。
群组B直接在入射波的局部非线性散射中发起，即项(5)，且针对其中前向非线性累积失真为有效的项常常比群组A弱。在第1和第2入射波之间的恰当大角度的情况下，非线性前向失真对于非线性交互项等式(5、6)为低，但对于自失真项并不如此，且这允许利用本发明对非线性交互散射的检测。
原则上还存在发现为来自入射波中的前向累积非线性传播失真分量的项(5)的局部非线性散射的群组C，即等式(1)中的项(1+2)和项(5)之间的交互，但典型非线性材料参数较低使得此群组为可忽略的。
图2a展示入射脉冲波103和104的时间频谱201和202。非线性交互项～2p1(r,t)p2(r,t)的时间频谱因而为201和202的卷积，展示为203和204。当入射频带201和202经布置使得不存在与非线性交互散射带203和204的重叠(如图2a中所展示)时，能够抑制线性散射带201和202以通过对时间频域中的接收信号的带通滤波而提取非线性交互散射分量，例如利用图2a中说明的带通滤波器205和206。为增加对非线性交互散射的敏感度，能够在图像信号的形成中合并两个带203和204的输出。
我们应注意，图中未展示201和202的谐波带。在许多情形中，能够从入射带201或202的自失真分量获得谐波带，其经由线性散射(群组A)或局部非线性散射(群组B)的前向传播失真干扰非线性交互散射带203和204，从而减小对非线性交互散射的敏感度。群组A通常最强，但在类似于超声对比剂微泡的非线性谐振散射器的情况下，群组B也可能为强。改进此情形的一种方式是使用脉冲倒转方法，其中发射第1和第2脉冲的两个脉冲集合，从而改变第2脉冲集合的p1和p2中的一者的极性。散射非线性交互项～2p1p2的极性将随后针对第2脉冲集合改变极性，而群组A和群组B散射两者的偶数(第2、第4、...)谐波自失真分量
Figure GDA0002979660810000091
和
Figure GDA0002979660810000092
将不改变极性。因此，在所述方法中从这两个发射事件减去接收信号常常被称作脉冲倒转，将因而增强入射带的偶数谐波分量上方的非线性交互散射项。所发射的脉冲103p1将在当前实例中与非线性交互散射信号同时到达接收变换器102。此脉冲倒转过程中改变p2(104)的极性将因而抑制102处所接收信号中p1的潜在所接收分量。102处来自具有改变的极性的脉冲p2的线性散射分量将在此过程中增强，且能够通过时域中的过滤来抑制。
图2b展示图2a中的谱的修改，其中f1附近的所发射谱221和f2附近的所发射谱222现如此靠近使得发现f2-f1附近的非线性交互卷积谱223处于远低于下部发射带221的频率，而发现f1+f2附近的非线性交互卷积谱224处于接近上部发射带222频率(即，接近222的第2谐波分量)的两倍的频率。低频率交互散射带223能够利用滤波器225经由带通滤波分离，且高频率交互散射带224能够利用滤波器226分离。还能够使用脉冲倒转技术，其中举例来说，高频率发射谱222的极性在第2发射事件中改变。f2附近的带停止滤波可以随后用于移除所接收信号中的222的谱。低非线性交互散射带223的减小的频率提供此散射带在接收时的低吸收率，且增加对非线性交互散射的敏感度，而低频率提供有限接收孔隙的情况下的低横向分辨率。这些方案的变型能够由所属领域的任何技术人员开发。
变换器阵列101和102之间的距离L的情况下，操纵波(第1波)传播距离L-z到交互深度z，而感测波(第2波)来回传播距离2z到交互深度z。第2波p2(感测波)的频率f2选择为尽可能高以获得适当信号和深度范围的最佳可能分辨率。为进一步改进非线性交互项～2p1(r,t)p2(r,t)的敏感度，其中L-z大，有用的是选择第1波p1(操纵波)的频率f1尽可能低以实现低吸收率，但恰当高以获得恰当准直脉冲103p1。我们将此称为低频率(LF)脉冲。高频率(HF)f2选择为高以获得到物体中的给定成像深度的适当空间分辨率，例如频率比率f1:f2～1:3-1:30。在特别优选的实施例中，所述比率为大约～1:10。对于超声成像，举例来说，可在一个应用中选择f2～10MHz来向下成像到40mm(f1～1MHz)，或在另一应用中选择f2～3.5MHz来向下成像到150mm(f1～0.3MHz)，即频率比率约1:10。发现类似实例用于EM波的散射。对于远高于气泡谐振频率的频率f2处的对比剂微泡的成像，将优选地选择低于谐振频率或谐振频率附近的f1，因为LF脉冲103将随后操纵气泡直径。
图2c中，对于此情形展示p1的实例入射LF谱210和p2的实例入射HF谱211，其中卷积和与差频谱作为212和213来自等式(5)中的p1和p2的非线性交互乘积。212和213的中心频率分别为f2+f1和f2-f1。和与差频谱212和213在此实例中彼此重叠，且与入射HF谱211重叠。在频谱210和211之间的卷积中，获得LF谱210的带宽B1上HF谱211的相邻频率分量的平均。此平均还产生谱212和213的偏斜边沿。当HF脉冲比LF脉冲短得多时，HF谱211中的频率分辨率比210的带宽B1宽，且此平均对和与差谱212和213的影响可忽略，且允许假设连续LF振荡，即等式(5)中的分析中无限长的LF脉冲。
图2c展示其中存在和与差谱212和213与原始HF谱211之间的相当大的重叠的实例。在此情况下，能够经由脉冲倒转技术通过使用组合LF和HF脉冲发射的两个发射事件从而改变针对第2发射事件的LF脉冲p1的极性而从所接收信号检索群组B分量。散射非线性交互项(212和213)～2p1p2的极性将随后改变第2发射事件的极性，而线性散射HF信号(211)并不这样。从两个发射事件减去所接收的信号将随后很大程度上抑制线性散射HF信号(211)，且提取非线性散射HF信号(212和213)。LF脉冲的偶数谐波分量在此过程中也将被抑制。
图4展示根据本发明的另一实例实施例，其为所发射射束的相反方向(θ＝π)的情况下图1中的实施例的专门化。命名与图1中相同。重叠区的范围因而为Z＝(Z1+Z2)/2，其中Z1为第1脉冲103的长度且Z2为第2脉冲104的长度。为获得图像中的高范围分辨率，我们想要具有最短可能脉冲长度Z2的第2发射射束104的高频率。重叠区的长度Z因而由第1发射脉冲103的长度Z1主导。重叠区的长度能够因而依据脉冲长度Z1选择，而范围分辨率由脉冲长度Z2确定，且重叠区的位置依据第1和第2发射脉冲之间的相对定时来选择。
图4中的实例实施例还可用于板构造中的表面波或板波以检测板中的裂缝，作为制造中的质量控制以及针对结构的安全操作的监测。此对于例如飞机和其它运输物体及风车中的聚合复合物尤其相关。为从非线性交互散射检测裂缝的存在，而不进行其详细成像，接收射束也可较宽，其中原则上阵列102由单一元件组成。然而，为了电阻抗匹配以最大化接收信噪比，方便的是还将接收器阵列划分为若干元件。为获得距阵列某一距离处的极宽波以覆盖宽表面，还可使用阵列来产生凸面波。可在此情况下使用极简单的射束成形器，用于发射和接收两者。
为获得强非线性散射，想要尽可能高振幅的第1发射脉冲，且此限制脉冲长度以避免变换器阵列和组织的过热。我们应注意，利用阵列的此布置，第1发射脉冲103将与来自Z的振幅低得多的非线性散射信号分量同时命中接收器阵列102。此可能致使难以适当抑制脉冲103的接收分量以在高敏感度的情况下，尤其在脉冲103的频率f1和待检测的非线性交互分量之间的低差的情况下展示非线性交互散射分量。图2c中描述的频率选择给出f1和待检测的频率分量之间的大差，且就此而言具有优点。通过允许射束之间的角度相对于180度(π)的小偏差使得第1脉冲103在具有低接收敏感度的方向上命中接收阵列102乃至从接收阵列102外部通过来减小此问题。此给出变换器阵列附近的重叠区的一些限制，能够通过增加阵列和物体之间的距离而使这些限制可忽略。为使此效应最小化，应使阵列附近的材料高度吸收传入效应。
当操纵脉冲p1具有比成像脉冲p2低得多的频率时(如图2c中例示)，交互散射在LF振荡的峰值处最强(如图5中所说明)。此图中，501展示LF脉冲振荡且503展示第1时间点中的HF脉冲，其中HF脉冲在LF脉冲振荡的峰值处。此峰值LF压力很大程度上产生HF散射的非线性改变。使用利用两个发射的脉冲倒转(其中LF脉冲改变极性)能够在LF脉冲的峰值振荡附近提取此非线性交互散射。LF和HF脉冲两者分别在其前向方向502和504中传播。在T1/4的时间滞后之后(其中T1为LF脉冲的时间周期)，LF脉冲已前向移动λ1/4(其中λ1为LF脉冲的波长)到位置505，而HF脉冲已在其方向中前向移动到位置506在LF脉冲的谷值处，其为LF脉冲和HF脉冲之间的强非线性交互散射的下一深度。此对应于相对于等式(5)的分析，其中θ＝π。在LF脉冲的脉冲倒转的情况下，能够也在脉冲的此位置处检索非线性交互散射。HF脉冲503和506的位置之间的范围距离为λ1/4，其中λ1为LF脉冲的波长。使用脉冲倒转技术提取HF脉冲的非线性交互散射信号。
利用此方法，因此获得强非线性交互散射区，具有整个重叠区内的深度距离λ1/4，指示为图5中的重叠区500内的线507。如果这些线之间的距离对于以短HF脉冲获得的图像分辨率来说太大，那么能够通过新图像获得填补线，具有HF脉冲和LF脉冲的发射事件之间的小变化(例如T1/8)。还能够方便地通过所获得图像点之间的内插获得遗漏图像点的估计值。.
根据已知方法，所发射的脉冲振幅可以增加以通过以下操作增加非线性交互散射：使用重叠的聚焦发射脉冲103和104，以及利用经调适的接收射束扫描在方位角方向中针对2D成像且在方位角和高度两个方向中针对3D成像扫描所述聚焦射束。针对3D成像的高度扫描能够通过如图1和4中的箭头112所说明的阵列结构的机械运动进行。在矩阵阵列的情况下，能够利用此项技术中已知的方法获得针对3D成像的电子高度扫描。
图6中展示根据本发明的仪器的框图，其中相对于图1和图3-5描述阵列101和102以及重叠区。框601含有用于阵列101和102的第1和第2脉冲射束的发射射束成形器，并且还接收用于来自阵列102的元件信号的射束成形器。射束成形器根据已知原理操作，例如聚焦或宽射束的发射(例如平面波成像)，和图像点中接收聚焦图像数据的重建。接收射束成形器的输出传递到处理单元602，处理单元602经由时间滤波、脉冲倒转方法或两者的组合提取非线性交互散射信号。处理单元优选地经设置以根据已知方法还单独地从物体提取线性散射信号。图像从处理单元传递到显示单元603，其中非线性散射分量可以例如以颜色代码展示，颜色代码与线性散射分量通常在灰度等级方面重叠。所有单元取得输入且将反馈数据提供到控制单元604，控制单元604从用户接口单元606取得输入。根据已知方法，控制单元能够方便地经由总线系统605与其它单元通信。
为提供对非线性交互散射信号中的频率分量的最大敏感度，散射信号还可以由第三阵列拾取，例如图6中说明为607，其经定位使得其能够从重叠区Z接收非线性交互散射信号。
当物体可能完全由阵列包围时(例如，如同胸部成像)，能够方便地使用此项技术中已知的环状阵列用于脉冲射束103和104的发射，其中射束的方向可通过选择用于发射的环状阵列的元件而自由选择。环状阵列给出用于挑选接收阵列孔隙的大灵活性。此选择方便地提供由射束的不同方向获得的图像的空间复合，如此项技术中已知。为发射频率较宽分离的脉冲103和104(如图2c中)，能够使用如美国专利7,727,156或8,182,428中给定的阵列结构，其还便于接收高频带中的频率分量。
图1和3-5中，脉冲波前说明为极其直的线，即由平面波近似。在切实可行的情形中，具有有限孔隙的衍射使波前少许弯曲，尤其在射束的边沿处。此可以在电子接收射束成形中考虑。图4、5中，我们已说明第1和第2发射射束在相同平面中。此在许多情形中可能是一个优点，因为交互区的深度位置能够经由第1和第2脉冲波的发射定时关系的变化而获得。
我们已使用超声成像作为一实例，但根据本发明发射器和接收器的类似几何布置还可以用于EM波。对于具有GHz和THz范围中的频率的EM成像，发射构件和接收构件可以是条带天线或微波激射器/激光二极管，以及这些的元件的阵列。对于红外-光学频率范围中的EM成像，发射构件的简单解决方案为激光二极管的阵列，或以机械方式导引方向的激光二极管。接收检测器构件的简单解决方案可以是光感测二极管/晶体管或聚焦相机系统(例如CCD相机)，其提供来自整个交互区的散射信号的实时成像。
为进一步增加对非线性交互散射信号的敏感度，能够根据已知方法方便地针对每一个别交互区对来自许多发射事件的接收信号或图像信号求平均。
因此，虽然上文已展示、描述并指出应用于本发明的优选实施例的本发明的基本新颖特征，但是应理解，所述领域的技术人员可在不脱离本发明的精神的情况下对所说明的装置的形式和细节以及操作作出各种省略、取代和改变。
还明确地打算使以实质上相同方式执行实质上相同功能来实现相同结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合处于本发明的范围内。此外，应认识到，与任何所公开的本发明的形式或实施例结合展示和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可以作为一般设计选择而并入在任何其它所公开或描述或建议的形式或实施例中。因此，意图将本发明仅限于由随附权利要求书所指示的范围。

Claims (26)

1.一种用于产生波散射的具有非线性材料参数的材料物体中的两个波之间的非线性交互散射的测量或成像的方法，其包括以下步骤：
a)发射至少一个发射事件，包括i)沿着具有第1发射方向的第1发射射束的具有第1发射时间和第1发射中心频率的至少一个第1发射脉冲波，和ii)沿着第2发射射束的具有第2发射时间和第2发射中心频率的至少一个第2发射脉冲波，其中所述第1发射射束与所述第2发射射束在高度方向中在所述发射射束的前向传播方向之间以角度θ交叉，其中θ是区间160-200度内的任何角度，且其中所述第1和第2发射射束以及第1和第2发射时间经布置使得来自所述第1和第2发射脉冲波的所述脉冲在重叠区Z中的空间中重叠，以及
b)选择以下中的一或两者：i)所述第1和第2发射时间之间的时间关系，和ii)所述第1和第2发射脉冲中的至少一者的脉冲长度，以控制在所述物体内产生非线性交互散射的所述第1和第2发射脉冲波之间的非线性交互的所述重叠区Z的深度位置和尺寸，以及
c)以至少一个接收器从所述重叠区Z接收至少散射波分量，且产生包含至少非线性交互散射信号分量的至少一个接收信号，所述非线性交互散射信号分量与从所述重叠区中的所述第1和第2发射脉冲波之间的所述非线性交互散射的波相关，以及
d)处理所述至少一个接收信号以提取所述非线性交互散射信号分量从而形成来自所述重叠区的非线性交互测量值或图像信号。
2.根据权利要求1所述的用于测量或成像的方法，其中所述用以提取非线性交互信号分量的过程包含所述接收信号的时间频率滤波，其中所述滤波使所述非线性交互散射信号分量通过且阻挡其它时间频率分量。
3.根据权利要求1或2所述的用于测量或成像的方法，其中
a)所述发射步骤包括至少两个发射事件，其中所述第1和第2发射射束以及所述第1和第2发射时间之间的时间滞后对于所述至少两个发射事件来说是相同的，且其中
b)所述第1和第2发射脉冲波中的一者的极性、振幅、相位和频率中的至少一者在所述至少两个发射事件之间变化，包含所述第1和第2发射脉冲波中的至少一者针对所述发射事件中的至少一者具有零振幅的可能性，且其中
c)所述用以提取非线性交互散射信号分量的过程包含来自所述至少两个发射事件的所述接收信号的组合。
4.根据权利要求3所述的用于测量或成像的方法，其中所述第1发射脉冲波的所述中心频率小于所述第2发射脉冲波的所述中心频率的1/3。
5.根据权利要求3所述的用于测量或成像的方法，其中来自所述至少两个发射事件的所述接收信号中的至少一者在来自所述至少两个发射事件的所述接收信号的组合之前进行延迟校正。
6.根据权利要求3所述的用于测量或成像的方法，其中所述用以提取非线性交互散射信号分量的过程另外包含所述接收信号的时间频率滤波，其中所述滤波使所述非线性交互散射信号分量通过且阻挡其它时间频率分量。
7.根据权利要求6所述的用于测量或成像的方法，其中所述角度θ与180度相差很大使得发生以下情况中的一者：i)所述第1发射脉冲以接收阵列的减小的敏感度成角度地命中接收阵列，和ii)在所述接收阵列外部通过。
8.根据权利要求1或2所述的用于测量或成像的方法，其中所述第1和第2发射脉冲波中的至少一者基本上为平面波。
9.根据权利要求1或2所述的用于测量或成像的方法，其中所述第1和第2发射脉冲波中的至少一者为聚焦波。
10.根据权利要求1或2所述的用于测量或成像的方法，其中在i)方位角方向和ii)高度方向中的一或两者中扫描至少一接收射束以产生所述非线性交互散射的2D和3D图像。
11.一种用于产生波散射的具有非线性材料参数的材料物体中的两个波之间的非线性交互散射的测量或成像的设备，其包括：
a)发射构件，其经布置以发射至少一个发射事件，包括i)沿着具有第1发射方向的第1发射射束的具有第1发射时间和第1发射中心频率的至少一个第1发射脉冲波，和ii)沿着第2发射射束的具有第2发射时间和第2发射中心频率的至少一个第2发射脉冲波，其中所述第1发射射束与所述第2发射射束在高度方向中在所述发射射束的前向传播方向之间以角度θ交叉，其中θ是区间160-200度内的任何角度，且其中所述第1和第2发射射束以及第1和第2发射时间经布置使得来自所述第1和第2发射脉冲波的所述脉冲在重叠区Z中的空间中重叠，以及
b)控制构件，其经布置以选择以下中的一或两者：i)所述第1和第2发射时间之间的时间关系，和ii)所述第1和第2发射脉冲中的至少一者的脉冲长度，以控制在所述物体内产生非线性交互散射的所述第1和第2发射脉冲波之间的非线性交互的所述重叠区Z的深度位置和尺寸，以及
c)接收构件，其经布置以利用至少一个接收器从所述重叠区Z接收至少散射波分量，且产生包含至少非线性交互散射信号分量的至少一个接收信号，所述非线性交互散射信号分量与从所述重叠区中的所述第1和第2发射脉冲波之间的所述非线性交互散射的波相关，以及
d)处理构件，其经布置以处理所述至少一个接收信号以提取所述非线性交互散射信号分量且形成来自所述重叠区的非线性交互测量值或图像信号。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述处理构件包括用于对所述接收信号进行时间频率滤波的构件，其中所述滤波使所述非线性交互散射信号分量通过且阻挡其它时间频率分量。
13.根据权利要求11或12所述的设备，其中
a)所述发射构件经布置以发射至少两个发射事件，其中所述第1和第2发射射束以及所述第1和第2发射时间之间的时间滞后对于所述至少两个发射事件来说是相同的，且其中
b)所述发射构件包括用于改变的构件，其在所述至少两个发射事件之间改变所述第1和第2发射脉冲波中的一者的极性、振幅、相位和频率中的至少一者，包含所述第1和第2发射脉冲波中的至少一者针对所述至少两个发射事件中的至少一者具有零振幅的可能性，且其中
c)所述处理构件包括用于在所述重叠区中形成图像信号的过程中组合来自至少两个发射事件的所述接收信号的构件。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述发射构件包括用以在小于所述第2发射脉冲波的所述中心频率的1/3的中心频率的情况下发射所述第1发射脉冲波的构件。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述处理构件经布置用于在来自所述至少两个发射事件的所述接收信号的组合之前对来自所述至少两个发射事件的所述接收信号中的至少一者进行延迟校正。
16.根据权利要求13所述的设备，其中所述处理构件包括另外包含所述接收信号的时间频率滤波的构件，其中所述滤波使所述非线性交互散射信号分量通过且阻挡其它时间频率分量。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述发射构件包括用以以与所述第2发射射束所成角度θ发射所述第1发射射束的构件，其中θ与180度相差很大使得发生以下情况中的一者：i)所述第1发射脉冲以接收阵列的减小的敏感度成角度地命中接收阵列，和ii)在所述接收阵列外部通过。
18.根据权利要求11或12所述的设备，其中所述发射构件发射所述第1和第2发射脉冲波中的至少一者，作为基本上平面波。
19.根据权利要求11或12所述的设备，其中所述发射构件发射所述第1和第2发射脉冲波中的至少一者，作为聚焦波。
20.根据权利要求11或12所述的设备，其中所述处理构件包括用以针对相同测量值或图像区域对来自多个发射事件的接收到的信号求平均以减小噪声和改进敏感度的构件。
21.根据权利要求11或12所述的设备，其中所述接收构件包括用以在方位角方向中扫描接收射束以产生所述非线性交互散射的2D图像的构件。
22.根据权利要求11或12所述的设备，其中所述接收构件包括用以在方位角方向和高度方向两者中扫描接收射束以产生所述非线性交互散射的3D图像的构件。
23.根据权利要求11到12中任一权利要求所述的设备，其中所述第1和第2发射脉冲波中的至少一者为弹性压缩波。
24.根据权利要求11到12中任一权利要求所述的设备，其中所述第1和第2发射脉冲波中的至少一者为弹性剪切波。
25.根据权利要求11到12中任一权利要求所述的设备，其中所述第1和第2发射脉冲波中的至少一者为电磁波。
26.根据权利要求23所述的设备，其中所述接收构件为聚焦相机。
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