CN114415188A - 一种适用于空气声三维成像的阵元平面阵列排布方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波成像领域，具体涉及阵元布局的优化设计。本发明是通过以下技术方案得以实现的：一种适用于空气声三维成像的阵元平面阵列排布方法，包含如下步骤：S01、阵列排布结构确定步骤；确定费马螺旋为阵列排布结构；S02、阵元总数最小值N_min确定步骤；S03、阵元排布螺旋最小直径D_min确定步骤；S04、确定螺旋发散角α；S05、阵列排布生成步骤；设定阵元总数N大于等于N_min，设定螺旋直径D大于等于D_min，基于发散角α，以费马螺旋为阵列排布结构，得到最终的阵元阵列排布布局。本发明的目的是提供一种适用于空气声三维主动超声成像的阵元平面阵列排布方法，限定了在成像过程中阵元的平面空间布局的方式，优化了硬件消耗成本，保证了超声成像质量。

Description

一种适用于空气声三维成像的阵元平面阵列排布方法

技术领域

本发明涉及超声波成像领域，具体涉及阵元布局的优化设计。

背景技术

随着电子技术和超声理论的发展，超声成像检测设备已广泛应用于各行业中，如医学成像诊断、海底地貌绘制、资源勘测、工业无损检测、超声测距、水下沉船打捞、舰艇识别等众多领域。超声成像是指利用超声波束对目标物体进行探测，并对接收到的回波或透射波信号进行检测、存储等处理步骤后，根据不同的成像方式获得目标距离、轮廓以及内部结构等信息，最后以图像的方式将上述信息显示出来。

空气声三维成像即为空气声呐的应用，空气声呐以空气作为介质，它是由一定数目的声音传感器按一定几何形状排列组合而成的电子设备。如授权公告号为CN 110057921B的中国发明专利公开了一种三维超声成像系统，该种系统包含发射声波信号单元和接受信号单元。其中，接受信号单元包含多个阵元，阵元的数量和排布方式都为工程设计人员来指定。若阵元的数量太少，则会在接受声波信号时存在遗漏，最终影响成像质量。而若阵元的数量设置的过多，则由于每个阵元都对应一个数据采集通道，若所有阵元处于工作状态，则大量的数据采集通道的硬件消耗导致技术方案的成本过高。

而在实际的产品中，如授权公告号为CN 105596027 B的中国专利文件公开了基于三维超声成像的二维阵列超声换能器及其制备方法。其包含上文所述的多个阵元，而这些阵元的排布往往使用均匀网格正方形阵列和均匀网格圆形阵列，无论是哪一种，都存在上文存在的阵元数量设计缺陷。

进一步的，公开号为CN 112368600 A的中国专利文件公开了一种通过稀疏采样进行的超声成像和相关联的设备、系统和方法。该专利申请文件也公开了阵元数量过高的技术缺陷，基于此，其技术方案是进行稀疏采样配合权重计算，即并不对所有的阵元进行采样，而只让部分阵元进行工作。进一步的，对不同位置的阵元进行权重的调整，从而使得最终的成像质量有保证。然而，这样的技术方案存在如下缺陷：首先，阵元的布置并没有减少，只是某一时刻通信的阵元数量减少了，阵元的布置成本依然客观存在。其次，需要权重调整，而这一步的权重计算操作又加大了系统的计算负荷，降低了系统的成像效率。第三，最为重要的，是权重参数确定的科学性，权重的参数数值的确定和参数分配的规则的确定，不同的规则和数值使得最终的结果差距也很大，经常会出现在某一场景下由于数值和规则的不当使得最终的成像质量不理想的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于空气声三维主动超声成像的阵元平面阵列排布方法，限定了在成像过程中阵元的平面空间布局的方式，解决了成像质量和阵元数量之间的设计矛盾，优化了硬件消耗成本，保证了超声成像质量。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：一种适用于空气声三维成像的阵元平面阵列排布方法，包含如下步骤： S01、阵列排布结构确定步骤； 确定费马螺旋为阵列排布结构； S02、阵元总数最小值N_min确定步骤；

其中，r为系统成像距离；a₀为半球形超声发射器半径；K为玻尔兹曼常数；T为实际测得的空气温度；f₀为信号的中心频率值；c为水中声速；

为发射信号带宽；SNR为可靠成像要求的最低信噪比；Ic为超声发射器可发射的最大声强；σ为散射目标等效截面积；

S03、阵元排布螺旋最小直径D_min确定步骤；

，

其中

为中心频率

的波长，

为系统角度分辨率，本步骤基于系统角度分辨率的要求，得到D的最小值D_min；

S04、确定螺旋发散角α；

S05、阵列排布生成步骤；

设定阵元总数N大于等于N_min，设定螺旋直径D大于等于D_min，基于发散角α，以费马螺旋为阵列排布结构，得到最终的阵元阵列排布布局。

作为本发明的优选,在所述S04步骤中，计算最优螺旋发散角，计算最优螺旋发散角的标准包含MSL最小标准和MSR最大标准。

作为本发明的优选,在所述S04步骤中，计算最优螺旋发散角，计算最优螺旋发散角的标准为MSL最小标准，计算不同的发散角对应的MSL值，取MSL最小值对应的发散角为最终的所述最优螺旋发散角。

作为本发明的优选,计算不同的发散角对应的MSL值采用遍历算法，发散角的遍历范围为0°到180°，遍历变化间隔为0.01°。

作为本发明的优选,在所述S03步骤中，要求系统角度分辨

小于或等于1°

综上所述，本发明具有如下有益效果：

1、本案采用费马螺旋为指定的排布架构，阵列直径确定时，只需要阵元个数和发散角两个参数即可确定阵的布局；螺旋非均匀布局分散每个阵元对旁瓣的贡献，整体会降低螺旋阵列波波束指向性图的旁瓣电平；费马螺旋的外部阵元分布相对更紧凑，这将使阵元遮挡变弱，从而在所有一维等效投影阵列中保持更加周期性；

2、在有效稀疏阵元数量，控制硬件成本的同时，保证了信噪比的要求；

3、对螺旋的直径进行了限定，保证了系统角度分辨率的要求；

4、使用了MSL作为最优发散角的方案，遍历算法利于实施，取值精准。

附图说明：

图1是现有技术空气三维成像场景中发射端的示意图；

图2是现有技术空气三维成像场景中接收端的示意图；

图3是实施例1中不同发散角的阵元排布示意图；

图4是实施例2中不同发散角对应的MSL值示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例1，一种适用于空气声三维成像的阵元平面阵列排布方法,如图1和图2所示，图1和图2分别是现有技术中空气三维成像的场景。图1为发射端的示意图，发射器向目标发射信号，图2为接收端的示意图，图中的多个黑点即为阵元，在X轴Y轴确定的二维平面上进行排布，用于接收信号。

以常见的圆形阵列为例，综合考虑成像系统的距离分辨率要求、角度分辨率要求，应有

。（具体推导方式见下文），其中，D为圆形平面接收阵的直径，λ₀为中心频率f₀的波长。此处为了便于计算，把D设定为

。

现有技术中，阵元之间的间隔往往为半波长，则，若采用网格正方形阵列，若其边长为

，阵元数量可达120×120，即14400个。对于网格圆形阵列，若其直径为

，阵元数量同样高达11305。

而一个阵元对应一个数据采集通道。以上的阵列，若所有阵元都工作，上万个数据采集通道的硬件消耗将导致成本过高。因此，阵列稀疏技术是非常必要的。

在本发明中，首先，确定了阵元的阵列布局方式。本发明的阵列布局不用传统的正方向阵列或圆形阵列，而采用螺旋阵列。

并且，本发明排除了其他螺旋结构，例如阿基米德螺旋、双曲螺旋、对数螺旋结构，指定采用费马螺旋这一种螺旋结构。

这是由于经过发明人分析，费马螺旋用于阵列设计存在三方面的优势：

首先，阵列直径确定时，只需要阵元个数和发散角两个参数即可确定阵的布局，参数优化容易实现。

其次，螺旋非均匀布局分散每个阵元对旁瓣的贡献，整体会降低螺旋阵列波波束指向性图的旁瓣电平；

第三，和其他螺旋结构如阿基米德螺旋、双曲螺旋、对数螺旋相比，费马螺旋的外部阵元分布相对更紧凑，这将使阵元遮挡变弱，从而在所有一维等效投影阵列中保持更加周期性。

确定了费马螺旋为基本排布结构后，进入第二步骤：阵元总数确定步骤。

在这一步骤中，主要用于确定阵元数量的最小值。

此处对N阵元理想宽带阵的指向性进行简要分析。假定每一个阵元接收的信号幅度均为1。在阵列波束指向的方向，所有阵元接收信号相干叠加，阵列输出信号最大幅度为N。理想宽带条件下，阵元接收的脉冲足够短，所有相邻阵元间隔均超过脉冲长度。理想阵列在阵列指向方向之外的其他方向上，阵元接收信号之间是分离的，不能相干叠加。因此，其他方向上理想阵列输出信号的幅度为1。理想宽带阵列的旁瓣电平可表示为

。

根据以上公式，32阵元的阵列即可获得-30dB的旁瓣电平。但是，32阵元的宽带阵并不一定能够保证足够的信噪比。信噪比是决定成像质量的关键因素之一。

决定成像系统信噪比的关键因素有：发射功率、吸收衰减、最大成像距离、成像目标的截面积、噪声功率和阵元个数。

在本案中，成像系统需要的最少阵元个数和所需的信噪比之间的理论关系可表示为以下公式：

以上公式中，r为系统成像距离；a₀为半球形超声发射器半径；K为玻尔兹曼常数；T为实际测得的空气温度；f₀为信号的中心频率值；c表示水中声速；

为发射信号带宽；SNR为可靠成像要求的最低信噪比；Ic为超声发射器可发射的最大声强；σ为散射目标等效截面积。以上数值为常数或者为已知数，即可算的阵元个数的最小值。

在本实施例中，举例

、

、

、

、

，算出最小阵元数N_min为463。即阵元数量只要大于等于463即可，至此，本步骤结束。而本例为了便于计算，可设定为500个。

随后进入步骤三，螺旋直径确定步骤。

此处用到的公式为：

。

其中

为中心频率

的波长，

为系统角度分辨率。

在本实施例中，要求系统角度分辨

小于或等于1°，应有

。

至此，本步骤结束，给予系统角度分辨率的要求，可得出阵元螺旋阵列的最小直径。本实施例中，同样为了便于计算，把D设定为

至此，阵元的形状设定、阵元的数量设定、阵元排布的直径设定都已完成，只要确定螺旋发散角即可。

费马螺旋第n个阵元位置可表示为

其中，

即为发散角；

为阵元总数；

为由阵的直径D确定一个常数，其表达式为

。

故，在直径已经确定的情况下，通过确定发散角α，即可确定阵元在螺旋阵列中的具体位置。如图3所示，图3绘制的是在不同发散角下，阵元总数为500的费马螺旋阵。

螺旋发散角可工程设计人员自行设定。螺旋发散角设定结束后，本发明技术方案完成，整个阵元的平面阵列布局都已确定。

实施例2，与实施例1不同的是，最后一个步骤，螺旋发散角的设定环节存在螺旋最优发散角确定步骤。

最优发散角寻找的过程中，可参考使用的标准有两个，分别是MSL标准和MSR标准。MSL即为平均旁瓣电平，其值应越低越好。MSR为主旁瓣比，其保证足够的主瓣能量，其值越高越好。因此，在寻找最优发散角α的过程中，若使用MSL标准，则选择MSL值最低时的发散角，若使用MSR标准，则选择MSR值最高时的发散角。若使用两者的综合标准，则需要综合判断两个指标，选择一个发散角既拥有较高的MSR，又拥有较低的MSL，两个标准之间的权值权衡可设计人员自行考虑指定。

在本实施例中，并不使用综合选择标准，而是选择单一标准，即将MSR值最高所对应的发散角定为最优发散角，或者将MSL值最低所对应的发散角定为最优发散角。

下文对这两个标准的选择过程进行阐述。

令

为

的变化间隔。为确定设计过程中

的大小，使用不同

值进行优化。使用MSL最小和MSR最大两个标准，进行了两次设计。

计算中发现，当

时，得到的MSL或者最大MSR基本保持不变。因此在整个设计过程中，

取值为0.01° ，这样既保证了设计的有效性也降低了计算的复杂度。

时，可确定设计过程中需要计算18000个宽带BP。

令

，即

的取值范围为0°到180°，

，计算18000个费马螺旋阵宽带波束指向性图（BP）。需要说明的是，在计算阵列波束指向性图这一过程中，即能得到对应的MSL值和对应的MSR值，而这个计算过程是现有技术，是本领域技术人员能实现的，具体的，可参见Bogdan Piwakowski 与Khalid Sbai发表的论文《A New Approach toCalculate the Field Radiated from Arbitrarily Structured Transducer Arrays》，或参见Jargen Arendt Jensen和Niels Bruun Svendsen发表的论文《Calculation ofPressure Fields from Arbitrarily Shaped, Apodized, and Excited UltrasoundTransducers》，本文此处不再赘述。

此外，本实施例在此处使用的是宽带波速指向性图，而非窄带。实际上，窄带指向最优的阵列，宽带条件下，指向性并不一定是最优的。相比之下，本文使用的是宽带波束指向性图，得出的结果可保证是宽带和窄带条件下均是最优，通用性和针对性更好。

如图4所示，图4是计算之后各个发散角对应的MSL图。遍历之后，MSL的最小值为-32.49 dB，此时对应的发散角为

。

而若选择MSR最大为判断标准时，遍历之后，MSR的最大值为-10.14 dB，此时对应的发散角为

。

即，两种不同的标准下，最优发散角分别为73.02°和89.17°。

进一步分析，

时，MSL=-32.49 dB，MSR=-11.27 dB。

时，MSL= -27.41 dB，MSR=-10.14 dB。两种设计结果对比发现，

时的MSL比

时的MSL要小很多，而

时的MSR与

时的MSR很接近。因此，可判断使用MSL最小的标准，可以获得更好的设计结果。本文将MSL最小作为阵列设计的判断标准。

即最终，最优发散角使用的判断标准为MSL最小，最优发散角

。

Claims (5)

1.一种适用于空气声三维成像的阵元平面阵列排布方法，其特征在于，包含如下步骤： S01、阵列排布结构确定步骤； 确定费马螺旋为阵列排布结构； S02、阵元总数最小值N_min确 定步骤；

其中，r为系统成像距离；a₀为半球形超声发射器半径；K为玻尔兹曼常数；T为实际测得 的空气温度；f₀为信号的中心频率值；c为水中声速；

为发射信号带宽；SNR为可靠成像要 求的最低信噪比；Ic为超声发射器可发射的最大声强；σ为散射目标等效截面积； S03、阵元 排布螺旋最小直径D_min确定步骤；

，

其中

为中心频率

的波长，

为系统角度分辨率，本步骤基于系统角度分 辨率的要求，得到D的最小值D_min； S04、确定螺旋发散角α； S05、阵列排布生成步骤； 设定 阵元总数N大于等于N_min，设定螺旋直径D大于等于D_min，基于发散角α，以费马螺旋为阵列排 布结构，得到最终的阵元阵列排布布局。

2.根据权利要求1所述的一种适用于空气声三维成像的阵元平面阵列排布方法，其特征在于：在所述S04步骤中，计算最优螺旋发散角，计算最优螺旋发散角的标准包含MSL最小标准和MSR最大标准。

3.根据权利要求1所述的一种适用于空气声三维成像的阵元平面阵列排布方法，其特征在于：在所述S04步骤中，计算最优螺旋发散角，计算最优螺旋发散角的标准为MSL最小标准，计算不同的发散角对应的MSL值，取MSL最小值对应的发散角为最终的所述最优螺旋发散角。

4.根据权利要求3所述的一种适用于空气声三维成像的阵元平面阵列排布方法，其特征在于：计算不同的发散角对应的MSL值采用遍历算法，发散角的遍历范围为0°到180°，遍历变化间隔为0.01°。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种适用于空气声三维成像的阵元平面阵列排布 方法，其特征在于：在所述S03步骤中，要求系统角度分辨

小于或等于1°。

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