CN108303699B - 超声相控阵远场超分辨率成像方法、装置、存储介质和系统 - Google Patents

超声相控阵远场超分辨率成像方法、装置、存储介质和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声相控阵远场超分辨率成像方法、装置、存储介质和系统，该成像方法包括：采集和存储超声阵列数据；对超声阵列数据中的超声回波信号进行时域处理，提取携带目标信息的散射信号；对散射信号进行频域处理，得到子空间矩阵；利用子空间矩阵生成成像函数，得到超声图像。其解决了现有的超声成像系统的成像分辨率受声波衍射限制导致的相控阵远场的超声波图像无法区分相邻两目标之间的距离小于波长的目标成像问题，从而实现了超声相控阵远场区域超分辨率成像的目的，得到高质量的超声图像，具有广泛的推广应用价值。

Description

超声相控阵远场超分辨率成像方法、装置、存储介质和系统
技术领域
本发明涉及超声波成像领域，特别地，涉及一种超声相控阵远场超分辨率成像方法、装置、存储介质和系统。
背景技术
利用超声相控阵获取超声图像在工业和医学领域应用广泛，相比较采用单阵元超声探头的检测方法，该方法具有检测效率高、灵活性强、检测区域大、检测结果可视化的优势。在超声相控阵成像系统中，通常先获取超声阵列数据，然后对其进行后处理，利用不同成像方法得到不同质量的超声图像。现有技术中，基于延迟和叠加原理的波束形成技术是常用的超声成像方法，但是该方法得到的超声图像分辨率受到声波衍射的限制，即利用波束形成技术对两个相邻点目标成像，当相邻两个点目标之间的距离小于波长时，根据波束形成技术得到的超声图像无法区分这两个相邻点目标，因此，利用波束形成技术得到的超声图像无法反映被测目标的亚波长细节信息。
已有研究表明，当超声波在被测结构中传播，遇到目标发生散射时，产生的散射波由渐逝波和传播波组成，渐逝波携带了与目标亚波长结构相关的信息，存在于目标的近场区域。已有的方法是在目标近场区域布置传感器，通过测量渐逝波，进而提取其所携带的目标亚波长结构信息，实现目标近场区域的超分辨率成像。但是，在无损检测领域，目标通常位于超声相控阵传感器的远场区域，此时，渐逝波随传播距离消失，无法被传感器接收，进而难以提取目标亚波长结构信息来实现超分辨率成像。
发明内容
本发明提供了一种超声相控阵远场超分辨率成像方法、装置、存储介质和系统，以解决现有技术无法获取位于超声相控阵远场目标的超分辨率图像的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种超声相控阵远场超分辨率成像方法，其包括：
采集和存储超声阵列数据；
对超声阵列数据中的超声回波信号进行时域处理，提取携带目标信息的散射信号；
对散射信号进行频域处理，得到子空间矩阵；
利用子空间矩阵生成成像函数，得到超声图像。
进一步地，采集和存储超声阵列数据包括：
通过半矩阵采集方法获取超声阵列数据，减少数据的冗余，节省存储空间。
进一步地，半矩阵采集方法包括：
发射阵元i发出超声信号并在试块的内部传播；
接收阵元j接收超声信号，判断i和j的大小关系，如果满足i≤j，则存储超声回波信号sij(t)，反之，则不存储超声回波信号；
发射阵元递增并循环执行上述步骤；其中，对于一个包含N个阵元的线性阵列，得到N(N+1)/2个超声回波信号。
进一步地，对超声阵列数据中的超声回波信号进行时域处理包括：
对超声阵列数据中的每一个超声回波信号sij(t)施加矩形窗函数hij(t)，获取超声纵波信号s′ij(t)作为散射信号。
进一步地，对散射信号进行频域处理，得到子空间矩阵包括：
对超声纵波信号s′ij(t)执行傅里叶变换，得到对应的频域信号Sij(ω)；
提取频域信号Sij(ω)在中心频率点ωc对应的值Sij(ωc)，作为阵列响应矩阵K(ωc)的元素Kij(ωc)；
对阵列响应矩阵K(ωc)进行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量，并将奇异向量划分为子空间矩阵，子空间矩阵包括：信号子空间US(ωc)和VS(ωc)，以及噪声子空间UN(ωc)和VN(ωc)。
进一步地，利用子空间矩阵生成成像函数，得到超声图像包括：
划定成像区域，对于其中的每一个像素点r，已知线性阵列阵元位置Rj(j＝1～N)，定义导向矢量g(r,ωc)；
基于子空间矩阵和导向矢量，定义超分辨率成像函数；
根据成像函数对超声阵列数据进行处理，得到超声图像。
根据本发明的另一方面，还提供一种超声相控阵远场超分辨率成像装置，其包括：
采集存储模块，用于采集和存储超声阵列数据；
时域处理模块，用于对超声阵列数据中的超声回波信号进行时域处理，提取携带目标信息的散射信号；
频域处理模块，用于对散射信号进行频域处理，得到子空间矩阵；
超声成像模块，用于利用子空间矩阵生成成像函数，得到超声图像。
进一步地，采集存储模块通过半矩阵采集方法获取超声阵列数据。
根据本发明的另一方面，还提供一种存储介质，该存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在的设备执行本发明的超声相控阵远场超分辨率成像方法。
根据本发明的另一方面，还提供一种超声成像系统，其包括：
线性阵列，用于对称布置于待测件表面，以发射和接收超声波信号；
阵列控制器，与线性阵列连接，用于控制线性阵列中的各个阵元的工作模式；
处理器，与阵列控制器连接，用于运行程序，程序运行时执行本发明的超声相控阵远场超分辨率成像方法。
本发明具有以下有益效果：
本发明超声相控阵远场超分辨率成像方法、装置、存储介质和系统，解决了现有的超声成像系统的成像分辨率受声波衍射限制导致的相控阵远场的超声波图像无法区分相邻两目标之间的距离小于波长的目标成像问题，从而实现了超声相控阵远场区域超分辨率成像的目的，得到高质量的超声图像，具有广泛的推广应用价值。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例超声成像系统的结构示意图；
图2是本发明优选实施例超声相控阵远场超分辨率成像方法的流程示意图；
图3是本发明优选实施例中半矩阵采集方法获取超声阵列数据的流程示意图；
图4是现有的波束形成技术得到的超声图像的示意图；
图5是本发明优选实施例超分辨率成像方法得到的超声图像的示意图；
图6是本发明优选实施例超声相控阵远场超分辨率成像装置的原理方框示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1示出了本发明优选实施例超声成像系统的结构示意图。参照图1，本实施例超声成像系统包括计算机10、阵列控制器20、线性阵列30和试块40。系统工作时，线性阵列30通过耦合剂50与试块40连接，并且按照对称方式布置在试块40表面，用于发射和接收超声信号；阵列控制器20一端与线性阵列30连接，用于控制线性阵列30中各个阵元的工作模式，一端连入计算机10；计算机10包括存储器、处理器和显示器，其中，存储器保存采集得到的超声阵列数据，处理器执行软件程序，处理超声阵列数据，得到成像结果，并以超声图像的方式显示在显示器上，给出直观的结果。本实施例中，作为列举而不构成限制，线性阵列30的中心频率为5MHz，包含64个阵元。试块40由不锈钢板材制成，超声波在其中的传播速度为5795m/s，对应波长λ为1.2mm，不锈钢块的内部有两个直径为1mm的贯通孔，贯通孔的间距d＝λ，贯通孔与线性阵列传感器的距离z＝39λ，且位于线性阵列30的远场区域。
参照图2，本发明优选实施例提供了一种超声相控阵远场超分辨率成像方法，其包括：
步骤S100、采集和存储超声阵列数据；
步骤S200、对超声阵列数据中的超声回波信号进行时域处理，提取携带目标信息的散射信号；
步骤S300、对散射信号进行频域处理，得到子空间矩阵；
步骤S400、利用子空间矩阵生成成像函数，得到超声图像。
本实施例超声相控阵远场超分辨率成像方法解决了现有的超声成像系统的成像分辨率受声波衍射限制导致的相控阵远场的超声波图像无法区分相邻两目标之间的距离小于波长的目标成像问题，从而实现了超声相控阵远场区域超分辨率成像的目的，得到高质量的超声图像，具有广泛的推广应用价值。
优选地，本实施例中，采集和存储超声阵列数据包括：
通过半矩阵采集方法获取超声阵列数据，减少数据的冗余，节省存储空间。
本实施例半矩阵采集方法的具体执行过程如图3所示。发射阵元i(1≤i≤64)发出的超声信号在不锈钢块的内部传播，并由接收阵元j(1≤j≤64)接收，判断i和j的大小关系，如果满足i≤j，则存储超声回波信号sij(t)，反之，则不存储超声回波信号；赋值i＝i+1，循环执行该过程。对于一个包含N个阵元的线性阵列，可以得到N(N+1)/2个超声回波信号，利用该方法获取的超声阵列数据一方面携带了与不锈钢块相关的最大信息量，另一方面减少了数据的冗余，节省存储空间。
优选地，对超声阵列数据中的超声回波信号进行时域处理包括：
对超声阵列数据中的每一个超声回波信号sij(t)施加矩形窗函数hij(t)，获取超声纵波信号s′ij(t)作为散射信号，完成超声阵列数据的时域处理。其中，矩形窗函数hij(t)的定义如公式(1)所示，其中，t1和t2为时间节点。时域处理过程如公式(2)。
hij(t)＝1,t1≤t≤t2 (1)
s′ij(t)＝sij(t)hij(t) (2)
优选地，对散射信号进行频域处理，得到子空间矩阵包括：
首先，对超声纵波信号s′ij(t)执行傅里叶变换，得到对应的频域信号Sij(ω)，如公式(3)；
Figure BDA0001561248240000051
其次，提取频域信号Sij(ω)在中心频率点ωc对应的值Sij(ωc)，作为阵列响应矩阵K(ωc)的元素Kij(ωc)；由于超声阵列数据中只包含N(N+1)/2个时域信号，而K(ωc)是一个N×N的矩阵，其余的元素由已有元素直接对称得到。
最后，对阵列响应矩阵K(ωc)进行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量，并将奇异向量划分为子空间矩阵，子空间矩阵包括：信号子空间US(ωc)和VS(ωc)，以及噪声子空间UN(ωc)和VN(ωc)，如公式(4)。其中，ΣS(ωc)为与信号子空间包含的奇异向量对应的奇异值，上标H表示复矩阵的共轭转置。
Figure BDA0001561248240000052
本实施例中，利用子空间矩阵生成成像函数，得到超声图像包括：
划定成像区域，对于其中的每一个像素点r，已知线性阵列阵元位置Rj(j＝1～N)，定义导向矢量g(r,ωc)，如公式(5)，其中，上标T表示复矩阵的转置。
g(r,ωc)＝[G(R1,r,ωc),G(R2,r,ωc),.......,G(RN,r,ωc)]T (5)
基于子空间矩阵和导向矢量，定义超分辨率成像函数，如公式(6)，其中，上标*表示复矩阵的共轭，|| ||表示范数。
Figure BDA0001561248240000053
根据成像函数对超声阵列数据进行处理，得到超声图像。
图4给出了利用波束形成技术对不锈钢块内两个贯通孔成像，得到的超声图像，根据成像结果，无法区分这两个贯通孔。图5给出了利用本实施例超分辨率成像方法对不锈钢块内两个贯通孔成像，得到的超声图像，根据成像结果，可以准确定位不锈钢块内贯通孔的位置。因此，本实施例提出的超声相控阵远场超分辨率成像方法可以提高超声成像系统在远场区域的分辨能力，得到高质量的超声图像。
根据本发明的另一方面，还提供一种超声相控阵远场超分辨率成像装置，本实施例成像装置用于执行上述实施例超声相控阵远场超分辨率成像方法，参见图6，其包括：
采集存储模块100，用于采集和存储超声阵列数据；
时域处理模块200，用于对超声阵列数据中的超声回波信号进行时域处理，提取携带目标信息的散射信号；
频域处理模块300，用于对散射信号进行频域处理，得到子空间矩阵；
超声成像模块400，用于利用子空间矩阵生成成像函数，得到超声图像。
优选地，采集存储模块100通过半矩阵采集方法获取超声阵列数据。
本实施例中，各模块执行过程可以参照上述方法实施例，在此不做赘述。
根据本发明的另一方面，还提供一种存储介质，该存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在的设备执行本发明实施例的超声相控阵远场超分辨率成像方法。
根据本发明的另一方面，还提供一种超声成像系统，其包括：
线性阵列，用于对称布置于待测件表面，以发射和接收超声波信号；
阵列控制器，与线性阵列连接，用于控制线性阵列中的各个阵元的工作模式；
处理器，与阵列控制器连接，用于运行程序，程序运行时执行本发明实施例的超声相控阵远场超分辨率成像方法。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本实施例方法所述的功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个或者多个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)，磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超声相控阵远场超分辨率成像方法，其特征在于，包括：
采集和存储超声阵列数据，其中，试块上的两个贯通孔位于线性阵列的远场区域，两个贯通孔之间的间距小于超声波的波长；
对所述超声阵列数据中的超声回波信号进行时域处理，提取携带目标信息的散射信号；
对所述散射信号进行频域处理，得到子空间矩阵；
利用所述子空间矩阵生成成像函数，得到超声图像；
所述采集和存储超声阵列数据包括：
通过半矩阵采集方法获取超声阵列数据，减少数据的冗余，节省存储空间；
所述半矩阵采集方法包括：
发射阵元i发出超声信号并在试块的内部传播；
接收阵元j接收超声信号，判断i和j的大小关系，如果满足i≤j，则存储超声回波信号sij(t)，反之，则不存储超声回波信号；
发射阵元递增并循环执行上述步骤；其中，对于一个包含N个阵元的线性阵列，得到N(N+1)/2个超声回波信号；
对所述超声阵列数据中的超声回波信号进行时域处理包括：
对超声阵列数据中的每一个超声回波信号sij(t)施加矩形窗函数hij(t)，获取超声纵波信号s′ij(t)作为所述散射信号，矩形窗函数hij(t)的定义如公式1所示
hij(t)＝1,t1≤t≤t2 式1
时域处理过程如公式2所示
s′ij(t)＝sij(t)hij(t) 式2。
2.根据权利要求1所述的超声相控阵远场超分辨率成像方法，其特征在于，
对所述散射信号进行频域处理，得到子空间矩阵包括：
对超声纵波信号s′ij(t)执行傅里叶变换，得到对应的频域信号Sij(ω)；
提取频域信号Sij(ω)在中心频率点ωc对应的值Sij(ωc)，作为阵列响应矩阵K(ωc)的元素Kij(ωc)；
对阵列响应矩阵K(ωc)进行奇异值分解，得到奇异值和对应的奇异向量，并将奇异向量划分为子空间矩阵，所述子空间矩阵包括：信号子空间US(ωc)和VS(ωc)，以及噪声子空间UN(ωc)和VN(ωc)。
3.根据权利要求2所述的超声相控阵远场超分辨率成像方法，其特征在于，
利用所述子空间矩阵生成成像函数，得到超声图像包括：
划定成像区域，对于其中的每一个像素点r，已知线性阵列阵元位置Rj(j＝1～N)，定义导向矢量g(r,ωc)；
基于所述子空间矩阵和所述导向矢量，定义超分辨率成像函数；
根据所述成像函数对所述超声阵列数据进行处理，得到超声图像。
4.一种超声相控阵远场超分辨率成像装置，其特征在于，包括：
采集存储模块，用于采集和存储超声阵列数据，其中，试块上的两个贯通孔位于线性阵列的远场区域，两个贯通孔之间的间距小于超声波的波长；
时域处理模块，用于对所述超声阵列数据中的超声回波信号进行时域处理，提取携带目标信息的散射信号；所述时域处理模块用于对超声阵列数据中的每一个超声回波信号sij(t)施加矩形窗函数hij(t)，获取超声纵波信号s′ij(t)作为所述散射信号，矩形窗函数hij(t)的定义如公式1所示
hij(t)＝1,t1≤t≤t2 式1
时域处理过程如公式2所示
s′ij(t)＝sij(t)hij(t) 式2；
频域处理模块，用于对所述散射信号进行频域处理，得到子空间矩阵；
超声成像模块，用于利用所述子空间矩阵生成成像函数，得到超声图像；
所述采集存储模块通过半矩阵采集方法获取超声阵列数据，所述半矩阵采集方法包括：
发射阵元i发出超声信号并在试块的内部传播；
接收阵元j接收超声信号，判断i和j的大小关系，如果满足i≤j，则存储超声回波信号sij(t)，反之，则不存储超声回波信号；
发射阵元递增并循环执行上述步骤；其中，对于一个包含N个阵元的线性阵列，得到N(N+1)/2个超声回波信号。
5.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如权利要求1至3任一所述的超声相控阵远场超分辨率成像方法。
6.一种超声成像系统，其特征在于，包括：
线性阵列，用于对称布置于待测件表面，以发射和接收超声波信号，试块上的两个贯通孔位于线性阵列的远场区域，两个贯通孔之间的间距小于超声波的波长；
阵列控制器，与所述线性阵列连接，用于控制所述线性阵列中的各个阵元的工作模式；
处理器，与所述阵列控制器连接，用于运行程序，所述程序运行时执行如权利要求1至3任一所述的超声相控阵远场超分辨率成像方法。
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