CN116685847A - 用于对象的合成孔径超声成像的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了用于使用并入对象模型的波束形成器进行合成孔径超声成像的技术、系统和设备。在一些方面，一种系统包括：换能器阵列，用于对对象发送和/或接收声学信号，其利用对象形成系统的合成孔径；对象波束形成器单元，用于(i)根据换能器相对于对象模型的位置、朝向和/或几何形状对对象进行相干波束形成，以及(ii)产生波束形成输出信号，该输出信号包括从对声学回波进行波束形成得到的关于对象的空间信息；数据处理单元，用于处理数据，并且基于由数据处理单元确定的相对于阵列的坐标系的对象的位置、朝向、几何形状和/或表面属性的再现而产生对象的图像。
Description
相关申请的交叉引用
本专利文档要求2020年11月13日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FORTOMOGRAPHIC SYNTHETIC APERTURE ULTRASOUND IMAGING OF AN OBJECT PRODUCINGSURFACE REFLECTIONS”的美国临时专利申请第63/113536号的优先权和利益。前述专利申请的整体内容通过引用被并入作为本专利文档的公开内容的一部分。
技术领域
本专利文档涉及多维声学图像形成。
背景技术
声学成像是一种成像模态，其在包括医学成像在内的各种应用中，采用通过介质传播的声波的特性以及声能与介质之间的相互作用来获得介质或介质区域的图像。
发明内容
公开了用于与点散射体的传统成像相比使用由多个空间上分离的发送器、接收器和/或发送器和接收器(即，收发器)组成的孔径来生成对象整体的图像设备、系统和方法，以使得来自对象的声学散射结合对象波束形成器和定位对象的优化方法来有效产生对象的合成孔径。在一些实施方式中，所公开的系统、设备和方法提供精密的对象特征检测器和定位器，其可以识别对象表面上的特定点或区域，使得能够测量对象上的特定点或区域相对于彼此和/或相对于换能器阵列的距离和角度。在一些实施方式中，所公开的系统、设备和方法提供整个对象相对于系统的参考系的位置和朝向(orientation)。
在一些实施例中，根据合成孔径成像和反射断层扫描(tomography)的标准实践，成像孔径以使得对象从许多方向被声穿透并且从许多方向接收到返回的回波的方式，形成部分或完全地围绕待成像的对象的断层扫描孔径。然而，所公开的系统、设备和方法使用根据合成孔径反射断层扫描的发送和接收方法结合对象波束形成器和在三维中定位对象的优化方法来形成对象的图像，而不是通过断层扫描来形成对象的3D图像，例如，根据以传统方式生成的对象的两个或更多个2D横截面波束形成图像来重构对象。
在一些实施例中，一种断层扫描合成孔径声学成像系统包括：(i)换能器元件阵列，可操作用于发送、接收和/或发送和接收声学信号从而利用对象形成合成孔径；(ii)对象波束形成器单元，用于生成波束形成器，该波束形成器(a)根据换能器元件阵列的几何形状、位置和朝向以及对象模型来相干地定位对象的一个或多个区域，以及(b)产生作为所有输入的函数的一个或多个波束形成输出信号；以及(iii)显示单元，用于显示定位的对象，例如，使得对象的再现可以被可视化并在阵列的参考系或任何(多个)外部参考系中是有用的并且可操作用于更新和可视化对象与阵列之间的相对运动。在一些实施例中，例如，断层扫描合成孔径声学成像系统可以被配置为定位一个或多个对象表面上的一个或多个区域，并且提供测量两个或更多个区域之间的距离和角度的手段。
在一些方面，一种断层扫描合成孔径声学成像系统包括：换能器元件阵列，可操作用于对对象发送、接收和/或发送和接收声学信号，其利用对象形成声学成像系统的合成孔径，其中声学信号包括发送的声学信号和接收的从对象返回的声学回波；对象波束形成器单元，包括一个或多个处理器和一个或多个存储器，并且被配置为(i)根据换能器元件阵列相对于对象模型的位置、朝向和/或几何形状来针对对象的一个或多个区域对对象进行波束形成，对象模型包括表示对象的信息，以及(ii)产生数字格式的一个或多个波束形成输出信号，该一个或多个波束形成输出信号包括从对声学回波进行波束形成中得到的关于对象的一个或多个区域的空间信息；数据处理单元，包括处理器和存储器，与对象波束形成器单元和换能器元件阵列进行通信，并且被配置为优化一个或多个波束形成输出信号，以确定位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个；以及显示单元，可操作用于基于由数据处理单元确定的相对于换能器元件阵列的坐标系的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个的再现来产生对象的图像。
在根据本技术的一些实施例中(示例B36)，一种用于断层扫描合成孔径声学成像的方法包括：由换能器元件阵列的换能器元件通过基于对对象发送换能的声学波形和接收从对象返回的声学回波而形成合成孔径来对对象发送声学信号和从对象接收声学信号；使用接收的从对象的一个或多个区域返回的返回声学回波的回波样本对对象进行波束形成，以产生一个或多个波束形成输出信号，其中一个或多个波束形成输出信号是用于波束形成的一个或多个输入的函数，其中用于波束形成的一个或多个输入包括表示对象的信息；优化一个或多个波束形成输出信号，以确定对象的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个；以及基于对象的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个的再现来产生对象的图像。
附图说明
图1A示出了合成孔径的简单示例，该合成孔径包括也作为接收器进行操作的发送器元件和单独的接收元件。
图1B示出了利用合成孔径创建的虚拟元件的概念。
图1C示出了与图1A相比作为对象的位置变化的函数的对象表面上的空间采样的概念。
图1D示出了对对象表面上标记为“A”-“F”的六个空间上分离的散射区域进行采样的、包括作为发送器和接收器两者的三个元件合成孔径的概念。
图1E示出了说明根据本技术的断层扫描合成孔径超声系统的示例实施例的图。
图1F-图1H示出了根据本技术的示例断层扫描合成孔径超声系统的换能器元件阵列的示例实施例的示意图。
图1I示出了说明根据本技术的示例换能器元件阵列的换能器阵列分段的示例实施例的图。
图2示出了根据本技术的经由合成孔径发送和接收的超声信号对对象表面进行波束形成的方法的示例实施方式的图。
图3示出了描绘在使用根据本技术的示例对象波束形成器技术的数值仿真的示例实施方式中使用的几何形状的图表。
图4示出了描绘仿真的接收回波的图表，其中在纵轴上是以微秒为单位的时间，在横轴上是回波索引。
图5示出了描绘在示例实施方式中用于旋转和平移的示例对象波束形成器的输出的数据图表。
图6示出了描绘针对旋转和平移幅度范围的图5所示的示例对象波束形成器的输出的归一化积分功率的数据图表。
图7示出了根据本技术的断层扫描合成孔径对象成像系统的另一示例实施例的图。
图8A示出了说明根据本技术用于通过对对象整体进行波束形成来进行对象的断层扫描合成孔径成像的方法的示例实施例的图。
图8B示出了说明根据图8A的方法的在图7所示的断层扫描合成孔径对象成像系统上可操作的前端硬件和软件模块的示例实施例的数据和变量流程图。
图8C示出了说明根据图8A的方法并且延续图8B的实施例的在图7所示的断层扫描合成孔径对象成像系统上可操作的后端硬件和软件模块的示例性实施例的另一数据和变量流程图。
图8D示出了根据图8A的方法并且延续图8C的实施例的在图7所示的断层扫描合成孔径对象成像系统上可操作的后端硬件和软件模块的示例实施例的如图8C所示的另一图。
图9示出了描绘根据本技术的示例对象波束形成器中使用的示例完全阵列几何形状和4×4稀疏阵列几何形状的图。
图10示出了说明在类似于结合图9所讨论的示例对象波束形成器中使用的球体对象模型的图。
图11示出了说明在类似于结合图9所讨论的示例对象波束形成器中使用的复杂对象模型的图。
图12A示出了描绘示例球体对象特有STA RF回波的数据图。
图12B示出了描绘示例复杂对象特有STA RF回波的数据图。
图13示出了描绘100次试验的示例球体对象SAOI估计的和机器人测量的X、Y和Z位置的图表。
图14A示出了描绘100次试验的示例复杂对象SAOI估计的和机器人测量的X、Y和Z位置的图表。
图14B示出了描绘100次试验的示例复杂对象SAOI估计的和机器人测量的EAX、EAY和EAZ角度的图表。
具体实施方式
本专利文档中公开的声学成像技术可以用于各种成像应用，包括用于医学诊断用途和用于成像指引手术系统的声学成像，其中声学成像信息用于为手术系统提供指引以定位靶标(target)手术区域并执行手术。所公开的声学成像技术可以用于高频声学成像，包括对动物和人类的内部结构和功能进行观看和成像。高频声波可以处于不同的频率，例如在1和20MHz之间，或者甚至更高的频率，并且通常被称为超声波。包括不足的空间分辨率、对比度分辨率和图像信噪比在内的一些因素可能导致超声成像中的图像质量不够理想，这可能限制其在许多临床适应症或应用中的使用。所公开的声学成像技术可以被实施为使用断层扫描和/或合成孔径成像技术来提高超声图像质量。
在对各种对象进行成像时，可以通过某些手段(例如，声学、电磁等手段)询问(interrogat)多个体素来实现图像形成，从而从每个体素内的一个或多个测量量中采集信息。该信息可以被呈现为一维或更高维度的空间分布，这产生可以在其中通过智能手段可视化和检测对象的图像。以这种方式，传统的医学超声学成像系统例如利用作为利用多个声波询问体素内的散射体并处理多个接收回波的结果的、包含在体素内的振幅和相位信息，以便通常以对象的2D或3D图像的形式来概括关于被询问的散射体的信息。与传统成像技术相比，所呈现的系统和方法以不同的方式应用于对对象进行成像。
为了将对象整体进行成像，关于对象的空间和时间信息被构造为可以以不同方式阐述的问题。例如，从询问集合中，成像系统可以使用关于对象和询问方法的知识来确定对象是否存在于空间中以及对象存在于空间中的何处。在声学成像中，例如，该问题可以被阐述为使用合成孔径成像方法对空间中的对象进行成像，该方法利用了以下各项：(i)观察对象时发送器和接收器元件的已知换能器阵列几何形状，(ii)待成像对象的已知模型，(iii)通过阵列内发送器和接收器的某种组合发送和接收的波形，(iv)对接收的回波波形进行处理，以同时检测对象和使用对象本身的模型定位对象的位置(例如，笛卡尔坐标)和朝向(例如，欧拉角)，以及(v)以图像的形式显示对象的代表性模型。
在对空间中的对象进行声学成像的当代方法中，对接收的回波的处理发生在波束形成器中，该波束形成器概括关于以点为中心的空间中的体素的相干信息，并且该对象是相对于由许多体素组成的图像内的阵列而被可视化的。以这种方式对对象进行成像的缺点之一在于，对象可能不会以可视化对象所需的高度相干性来散射声波，因为每个体素定位空间中的点的相干信息，而该相干信息通常不伴随由对象散射的相干信息的总和。
挑战在于，从对象的表面或体积进行的散射可能不在可观察的方向上。例如，在使用聚焦波束的传统真实波束成像中，入射波形从特定方向到达对象(例如，对象的表面)，因为它被引导和聚焦，并且散射波形根据来自对象(例如，表面)的镜面散射或其他散射而返回到特定的一个或多个方向，但是在散射波形的一个或多个方向上可能不存在一个或多个接收器。以这种方式，对象的成像仅依赖于单站(monostatic)散射或者发送波形的分量直接回到并置接收器的散射。在合成发送孔径操作模式中，源是未聚焦的或弱聚焦的；因此，散射波形将会到达接收器的机会高得多，因为散射波形从(例如，由发散波前创建的)一系列入射方向入射到对象上的许多点处，从而从许多方向上的许多点创建散射波形。这样，对象的成像依赖于单站散射和双站(bistatic)散射两者，其中双站散射是发送波形向一个或多个与发送器不在同一位置的接收器的散射。另外的挑战在于，对象(例如，表面)可能表现出复杂的散射特性，例如，由于使散射波形分散和/或相移的粗糙度、纹理、多孔性、衰减、吸收、层、不均匀性、异质性等。因此，需要一种新的方法来产生高分辨率表面图像，而不管表面的位置、朝向或散射特性如何。
在所描述的对对象进行成像的方式(采用来自空间上分离且未聚焦的源和接收器的单站散射和双站散射)中，即，所公开的方法可以被视为反射断层扫描的一种形式(也称为反射成像、反射断层扫描、合成聚焦和衍射断层扫描)。在传统的反射断层扫描中，待成像的区域通常被圆形孔径围绕，其中发送器和接收器指向内部(即，大致朝向圆心)。对于孔径内的对象，对对象的横截面进行成像。在空间有限的发送器和接收器的集合的情况下，较小孔径往往被机械地(例如，沿着圆)扫描以合成地创建大得多的孔径。在孔径(例如，圆形孔径)物理上较大但具有有限数量的电气发送器和接收器的情况下，较大孔径内的子孔径可以利用相同原理进行操作，除了用电子扫描代替机械扫描，例如，通过复用有限数量的发送器和接收器来操作跨越整个孔径的多个子孔径。可以以多种方式处理得到的断层扫描生成的接收回波，但是两种主要的传统方法是(i)对局限到平面的空间中的点进行延迟及求和波束形成，以及(ii)(例如，使用诸如滤过反投影或逆拉东变换之类的方法)解决基于接收回波确定对象的结构和/或形状的逆问题。使用这种方法的图像形成的一个重大挑战是由孔径的仰角方向(即垂直于成像平面)上的衍射导致的。由散射体返回的成像平面之外的波瓣能量可能在图像平面内产生使图像质量劣化的伪像。为了在平面中进行图像形成，来自平面之外的散射能量是不期望的；然而，了解产生散射能量的对象有助于抑制该能量。更进一步地，当考虑从对象反射和散射的所有相干能量的叠加(例如，求和)时，了解对象有助于对该对象进行成像。需要新的技术用于对象的断层扫描成像，特别是用于声学成像。
公开了用于使用利用对象形成的断层扫描合成孔径来重构对象的第三方法的系统、设备和方法，其中对接收回波进行相干波束形成和处理，以便基于将对象的已知或参数化定义的模型与接收回波进行匹配来相对于成像孔径检测和定位对象。在一些实施例中，所公开的用于对象的合成孔径成像的系统、设备和方法包括用于以采用以下各项的方式对在合成孔径发送和接收图样中采集的回波进行波束形成的技术：(i)基于物理对象模型(对象模型)的双站散射(例如，与典型的单站散射相对)或组合的双站散射和单站散射，该物理对象模型可以是存储在系统存储器中的预先存在的模型或实时生成和/或实时更新的模型(例如，参数化对象模型)，以及(ii)阵列的模型(阵列模型)，其可以是存储在系统存储器中的预先存在的模型或实时生成和/或实时更新的模型(例如，参数化阵列模型)。
在本文中，物理对象模型(对象模型)是指来自欧几里德空间中的任意三维对象的表面(表面散射)或体积(体积散射)的散射任何可能的数学和/或数值定义。虽然在本文中描述的所公开的实施例及其示例实施方式主要涉及对象模型的表面散射，但是应该理解，这是为了便于理解本技术的基本概念，并且根据本技术的所公开的实施例还可以包括使用对象模型的体积散射或其他散射(例如，内部反射、共振)。对象可以被定义为整体对象，即一个对象，例如，可以不失一般性地被定义为球体。对象可以被定义为部分整体对象，即对象的一部分，例如，可以不失一般性地被定义为球体的半球。对象也可以被定义为整体对象或部分对象的多个子区域，即，一个对象由多个散射区域组成，例如，可以不失一般性地被定义为由六面组成的立方体。由多个散射区域组成的对象模型可以近似对象模型的数学定义，或者它可以近似对象的测量值。
散射区域可以是作为不必平坦(即其曲率不必为零)的广义平面的表面。例如，散射表面可以是无限的，例如，可以不失一般性地作为无限平面。散射表面可以在空间上被任意约束，例如，可以不失一般性地被约束为三角形。为了便于计算，散射表面可以被概括，例如，可以不失一般性地被概括为其中三角形可以被表示为点、单位法向量和面积。以这种方式，由多个散射表面组成的对象模型可以被概括为点、单位法向量和面积的列表。
在一些示例实施方式中，对象模型可以被参数化地定义，例如，可以不失一般性地被参数化地定义为其中根据半径和3D位置坐标参数化地定义球形对象。以这种方式，对象模型可以是可变的，但是被约束为特定类型的形状，例如，可以不失一般性地被约束为球体。
在本文中，孔径的模型(孔径模型、阵列模型)是指确切地、大致地、参数化地和/或功能性地表示可操作用于发送声波和接收声波的物理孔径的任何可能的数学和/或数值定义。在一些实施方式中，例如，孔径可以由在较大阵列(例如，换能器阵列)内几何排列的多个分立的换能器元件组成。在一些实施方式中，例如，元件本身可以被参数化地定义(例如，具有可变面积的正方形元件)，和/或阵列几何形状可以被参数化地定义(例如，具有可变半径的圆形阵列)。
例如，与空间中的点的传统成像(例如，波束形成)相比而言，所公开的系统、设备和方法使用物理对象的模型对从该对象接收的合成孔径回波进行波束形成以生成对象的图像。在所公开的合成孔径对象波束形成技术的一些示例中，合成孔径系统对来自对象的一个或多个区域(例如，表面)的双站散射或者双站散射和单站散射的组合以及关于该系统的信息进行处理以创建该对象的成像系统的有效孔径，例如，通过使用对象的几何形状的知识和系统的换能器元件的参数的知识来产生用于对对象进行成像的新型合成孔径。
例如，为了概念性地示出利用待成像的对象创建声学成像系统的阵列的有效孔径的所公开的技术，考虑从有限孔径(例如，类似于相机的孔径)的视角看光学反射的对象是什么样子。从孔径的视点来看，对象反射孔径的横向反转图像(例如，相机的镜反射)。例如，反射图像可以是孔径的(横向反转的)失真副本(例如，类似于哈哈镜)，或者它可以是孔径的(横向反转的)准确副本(例如，如在平面镜中一样)。在任何情况下，孔径现在都与对象不可分离地联系在一起，因为孔径所观察到的反射是对象、孔径及它们的相对朝向的函数。实际的示例是当驾驶汽车时经典的盲点侧视镜问题。如果主驾驶员在其自己的侧视镜中不能看见另一驾驶员的眼睛，那么另一驾驶员在主驾驶员的盲点中。如果将它想象成另一驾驶员的两个眼球(即，(例如两个相机的)成像孔径)与他们的镜子(即，对象)和主驾驶员的两个眼球(即，(例如两个不同相机的)第二成像孔径)一起形成合成孔径，那么在该示例中，镜子通过光的传播不可分离地联系到每个成像孔径，并且镜子的位置、朝向、形状、尺寸、曲率、表面属性等影响由任一孔径观看到的响应(即，图像)。延续这一概念性的示例，驾驶员/侧视镜/驾驶员问题是双站合成孔径的示例，其中镜子通过成为孔径的一部分而产生有效的更大孔径，即，两对眼球的物理孔径与对象(即，侧视镜)一起成为合成孔径。
所公开的合成孔径对象波束形成技术不同于基于对空间中的多个点进行成像的对象的真实孔径成像或其他模态的合成孔径成像的某些实施方式，其中除了位置信息之外的点定位的知识不包含关于对象的信息，也不包含关于对象的先验信息(这可能影响来自点的单站散射或双站散射)。本专利文档中公开的系统、设备和方法被设计成使用图像形成中的对象和孔径的知识来实现合成孔径，该合成孔径可以实际上更大并且实际上包含比孔径中的元件的物理范围和物理数量更多的元件。
在一些实施方式中，所公开的成像技术使用对象模型作为波束形成器的组成部分来对对象进行波束形成，例如，与对点进行波束形成以在笛卡尔网格或其他空间采样上形成图像相反，然后将图像的空间信息与对象模型进行匹配以使用配准算法来检测和空间配准图像内的对象，配准算法包括但不限于基于相关性的对准、点云配准和机器学习算法。重要的是，所公开的技术可以直接检测和配准对象，而过去的技术使用配准算法间接检测和配准图像内的对象。
在所公开的空间中的对象的图像形成方法中，对对象本身进行波束形成。也就是说，当从对象接收的回波实现与波束形成器内的对象模型的相干性时，并且当对象同时在位置和朝向上被定位时，对象在相对于换能器元件阵列的位置和朝向中的表示可以被显示为用于波束形成的对象的可视化的图像。对象模型包括表示被声穿透的物理对象的任何信息，例如，包括但不限于物理属性(例如，密度、体积模量(bulk modulus)、声学阻抗等)、点表面(例如，拓扑、几何形状)和/或体积特征(例如，材料分布、内层、中空等)。这种方法解决了与一类称为逆问题的问题相关的问题，例如，根据观察值集合计算产生它们的因果因子。例如，根据从发送波形的反射测量(即观察)的波形集合，计算反射该波形的对象(即因果因子)。然而，本问题并不准确地是逆问题，因为对象模型是先验量，即因果因子是已知的；然而，在逆问题中，解是确定导致观察值集合的对象。更准确地，对所提出问题的解是由阵列模型、对象模型、与阵列模型和对象模型相关的空间变换以及声波的传播和衍射所约束的时域回波的高维空间中的拟合优化问题。
所提出的对象成像和定位的问题也可以在空间滤波问题的上下文中看待。波束形成器的功能是对回波进行空间滤波，以便定位与相对于换能器阵列的空间中的特定定位或点相对应的信息。代替用于定位空间中的点处的信息的空间滤波(即，点空间滤波器)，空间滤波可以被应用于定位关于空间中的对象的信息(例如，对象空间滤波器)。这里，空间滤波器是对象模型、其位置、其朝向、阵列模型、阵列模型的位置、阵列模型的朝向和/或从(i)对象模型、(ii)衍射物理现象、(iii)散射物理现象、(iv)声波传播物理现象和/或(v)机电换能物理现象中推导出的发送参数和/或散射参数的函数。在本公开中，为了区分对象空间滤波器与点空间滤波器，对象空间滤波器此后被称为对象波束形成器。
对象空间滤波器(对象波束形成器)也可以被视为一种匹配滤波器，由此，当包含在对象波束形成器中的换能器元件阵列模型(即阵列模型)和物理对象模型(即对象模型)两者的试验相对位置和朝向与物理阵列和物理对象的真实相对位置和朝向相匹配时，对象波束形成器的输出被最大化，并且物理对象被匹配和检测到。
在一些实施例中，声学成像系统被配置为对来自对象的回波进行波束形成并产生其图像，其中声学成像系统包括换能器阵列、发送器和接收器电路、包括并入了对象模型和换能器阵列模型的对象波束形成器模块的数据处理设备、用于寻找对象拟合问题的最优解的处理模块、以及用于对合成孔径发送和接收进行排序的控制模块。在一些实施例中，声学成像系统可以可选地包括用于相对于已知或参考坐标系(例如，阵列模型的坐标系)对对象的图像进行可视化的显示设备。
在一些实施例中，一种使用声学成像系统对来自物理对象的回波进行波束形成并产生对象的图像的方法，涉及通过使用齐次变换矩阵或任何等效的一系列空间变换对应用于发送器和接收器坐标的位置和朝向进行优化来操纵阵列模型，其中在对象模型参考系中应用的操纵(例如，旋转和/或平移)利用所述阵列模型和对象模型来优化对象波束形成器的输出。类似的功能等效的实施例涉及通过使用齐次变换矩阵或任何等效的一系列空间变换对应用于对象模型坐标的位置和朝向进行优化来操纵对象模型(而不是阵列模型)，其中在阵列模型参考系中应用的操纵(例如，旋转和/或平移)利用所述阵列模型和对象模型来优化对象波束形成器的输出。例如，公共参数集包括阵列模型和对象模型的相对位置和朝向，这可以从阵列模型参考系或对象模型参考系中观看。
图1A-图1D示出了说明根据本技术的断层扫描合成孔径成像和对象波束形成技术的示例实施方式的图。
图1A示出了示例合成孔径的概念，示例合成孔径可由所公开的系统和方法实施以用于一维的两个空间上分离的换能器元件，不失一般性地用于多于一维。在示例中，元件1既是发送器又是接收器，而元件2仅作为接收器进行操作。假设两个元件都是点源/接收器，使得它们发射球面波前，因此，箭头所示的光线追踪足以说明代表性的散射路径。对于所示的一维对象表面，元件1上的发送导致从元件1上的散射区域A接收的回波以及从元件2上的散射区域B接收的回波。在元件1上接收的回波是单站散射的结果，而在元件2上接收的回波是双站散射的结果。示出了由元件2上的接收产生的孔径比仅由元件1上的发送和接收产生的孔径大得多。以这种方式产生了合成孔径。可以增加更多的发送器和/或接收器元件，以进一步扩展合成孔径，例如，以包围或部分包围待成像的对象。这里，例如，合成孔径的优点在于相对较大的孔径可以由相对较少的换能器元件形成。
图1B通过添加使用元件1和元件2之间虚拟元件的创建进行的处理，示出了使用图1A所示的相同硬件的合成孔径感测操作，该虚拟元件与由元件1和元件2产生的双站采样相比对具有垂直入射的散射区域B进行单站采样。假设散射与入射角无关，例如，对于单站采样和双站采样，来自散射区域B的信息将在很大程度上相同。以这种方式，由元件1上的发送以及元件1和元件2上的接收组成的合成孔径实际上是相同的尺寸，就好像在元件1上发送和接收、随后在虚拟元件1-2的位置中的元件上发送和接收一样。换句话说，由元件2上的接收产生的孔径被物理地扩展了从发送元件到接收元件的距离的某一分数(fraction)，在该情况下恰好是一半。
图1C示出了与图1B所示的几何形状相比对象表面简单旋转了10度，以示出对象表面上的散射区域A和B的位置变化以及所导致的虚拟元件位置的变化，虚拟元件位置不再是图1B所示的元件1和元件2之间距离的一半。以这种方式，通过在元件1上发送以及在元件1和元件2上接收而产生的有效合成孔径与对象形状、位置和朝向不可分离地联系在一起，并且得到的合成孔径被认为是利用对象形成的。虽然合成孔径的一些定义通常被认为是独立于靶标的，但是例如，根据本技术与波束形成器结合的合成孔径可操作用于定位空间中可能与或可能不与对象表面重合的点处的相干能量。根据公开的技术，与波束形成器结合的合成孔径可操作用于根据从对象表面散射的相干能量来检测和定位对象。
图1D示出了可操作用于发送和接收两者的三个空间上分离的收发器元件的完全发送合成孔径的示例。例如，在完全合成发送孔径中，发送事件发生在收发器元件1上，随后是所有三个收发器元件的接收，随后是收发器元件2上的发送后跟所有三个收发器元件上的接收，最后是收发器元件3上的发送后跟所有三个收发器元件上的接收。以这种方式，对对象表面上标记为A、C和F的三个单站散射区域进行采样，并且对对象表面上标记为B、D和E的三个双站散射区域进行采样。同样，可以通过增加发送器和/或接收器的数量来增加对象表面的特有样本数量。
此外，如图1D的示例所示，区域A-区域F由无限数量的无穷小散射点组成，每个散射点通过声学衍射为三个收发器元件中的每个收发器元件针对每次发送所接收的回波贡献分量。以这种方式，当考虑所有这样的路径时，存在散射路径的急剧倍增，这针对包括散射区域A在内的五个位置而示出。针对区域A的每个示出的散射路径，随着入射角偏离0度，存在路径的灰度的分级递减，以指示回波强度的递减。因此，在所公开的用于对对象进行成像的方法中考虑的是由合成孔径产生的单站散射和/或双站散射，该合成孔径包括分离的发送器、接收器和/或与按照对象模型的几何形状所描述的散射路径相结合的发送器和接收器。在该示例中，每个散射区域给定对象表面的五个样本，对于这个简单的一维对象表面，散射路径的数量从6增加到30。等效的二维对象表面可以利用每个散射区域25个样本来表示，从而导致由三个空间上分离的物理元件组成的合成孔径的150个散射路径。这样，所公开的合成孔径技术与对象波束形成器技术集成在一起，如下面的示例实施例中所讨论和示出的。
在本专利文档中公开的示例中，使用“合成孔径”、“合成孔径阵列”和“合成孔径技术”等是指(i)根据合成孔径技术(例如，包括但不限于合成发送孔径成像、非聚焦发送、非聚焦接收)可操作的物理孔径和/或物理阵列，和/或(ii)可从物理孔径和/或物理阵列中推导出并根据合成孔径技术产生的任何虚拟孔径和/或虚拟阵列，和/或(iii)根据应用于物理孔径和/或物理阵列的合成孔径技术利用对象产生的任何虚拟孔径和/或虚拟阵列，以及(iv)根据合成孔径技术由物理和/或虚拟孔径和阵列产生的对象上的任何空间采样。
在一些实施例中，对象波束形成器可以体现为计算设备的硬件和/或软件模块，其包括可由计算机处理器和存储器执行的指令，以基于阵列模型坐标和对象模型根据表面散射来计算回波延迟和权重，其中应用于经延迟和加权的回波的线性和非线性运算的一些组合产生一个或多个波束形成回波，以作为到对象波束形成器的输出。
对象波束形成器的输出可以由计算设备处理，以在时间窗口内对(多个)波束形成器回波的功率进行积分；该时间窗口的持续时间与声学成像系统的双向冲激响应的持续时间成比例。可以体现在计算设备上的数据处理单元(例如，包括计算机处理器和存储器)可以被配置为通过使用(例如，存储在数据处理单元的存储器中的)优化算法改变参数以最大化波束形成回波功率来确定在对象波束形成器内利用的阵列坐标的位置和朝向。
优化的阵列位置和朝向可以用于在阵列的参考系中生成对象的显示，使得对象可以(例如，在与计算设备进行通信的显示单元或计算设备的用户界面的显示组件上)被可视化。另外，还可以显示或输出对象的位置和朝向以及对象模型以供使用。例如，在所公开的用于合成孔径波束形成对象成像(也称为合成孔径对象成像(synthetic aperture objectimaging，SAOI))的系统和方法的一些实施方式中，与对象表面的特定点或区域相关联的位置和/或朝向数据可以被准确识别，例如，可以相对于可作为合成或真实孔径进行操作的换能器阵列的参考系被准确识别。所识别的对象表面的一个或多个点或区域的位置和/或朝向可以利用参考系内的周期性位置和/或朝向更新来实施。
在各种实施方式中，所公开的系统和方法主要旨在用于对具有显著阻抗差异的对象进行成像，从而实现来自对象表面的镜面反射。例如，该系统和方法可以应用于对任何种类的组织进行成像和/或对具有有助于检测和区分周围的硬物质或软物质的反射特征和/或散射特征的可植入对象进行成像。例如，可以共同设计阵列和对象，使得阵列充分利用特定对象的被设计成在对象的参考系中的特定方向上散射的镜面反射表面。
除了镜面反射(也称为非散射反射和镜面散射)之外，还有散射反射(也称为漫反射(例如，Lambertian反射))和非镜面散射。对于对象，不同程度的散射声学反射和非散射声学反射是可能的，这主要取决于(a)对象相对于波长的大小，和(b)对象表面特征相对于波长的大小。比波长小得多的对象表现出瑞利散射，其中来自这种对象集合的散射波以随机的相位集合到达空间中的点。波长量级的对象产生氏(Mie)散射，米氏散射由于对象表面上的相位变化而导致散射波中的干涉效应。所公开的技术主要应用于等于或大于波长的对象以及具有等于或大于波长的表面特征的对象；然而，不失一般性地，所公开的系统、设备和方法可以应用于产生非散射声学反射和散射声学反射的对象。两种类型的散射波的通用术语，镜面散射和漫散射，此后可互换地称为反射和散射，除非其中一个或另一分量被特别提及，例如镜面反射。
图1E示出了根据本技术的合成孔径超声系统150的示例实施例。系统150包括由多个声学换能器设备151(例如，在图1E的图表157中被示为相对于对象161排列在三维空间中的八个点的位置)组成的合成孔径阵列，声学换能器设备151可以被配置为发送换能器、接收换能器和/或发送-接收换能器或声学收发器(被配置为发送和接收声学信号)。多个声学换能器设备151中的每个声学换能器设备可以包括不同发送或接收声学换能器元件的阵列矩阵，并且声学换能器设备151的集合可以被实施为形成作为合成孔径阵列的发送器-接收器单元，以用于改善对象161的成像。系统150包括与合成孔径阵列对接的发送器-接收器单元152，其中发送器-接收器单元152被配置为在特定阵列元件上产生和驱动发送波形，并且在特定元件上接收回波并将信号转换到数字域。声学换能器设备151被放置在空间中相对于靶标对象的已知位置处以及合成孔径阵列内相对于彼此的某些相对位置处，以用于将声波引导至靶标对象并从靶标对象接收声学信号以进行成像。取决于应用，在一些成像系统设计中，声学换能器设备151可以处于固定位置，而在其他成像系统设计中，它们可以被放置在一个或多个致动臂或框架上，以允许它们的位置和在合成孔径阵列内的相对位置被调整。可以使用各种运动致动器和旋转设备。
图1F-图1H示出了用于对靶标对象161进行成像的示例合成孔径超声系统150的声学换能器设备151的阵列的示例实施例的图，声学换能器设备151的阵列可以包括换能器阵列分段。在这些示例中，每个声学换能器设备151包括声学发送或接收或发送-接收声学换能器元件的二维阵列。对象161可以是具有至少三个可确定自由度的任何对象。
图1F示出了声学换能器设备阵列151F的示例实施例，其包括沿着围绕对象161的立方体的八个点排列的八个刚性连接的换能器阵列分段151F1、151F2、……、151F8，其中每个换能器阵列分段指向对象161。声学换能器设备阵列151F包括分别将换能器阵列分段151F1、151F2、……、151F8电连接到发送器-接收器单元152的连接结构192F1、192F2、……、192F8。在一些实施例中，例如，连接结构192F1、192F2、……、192F8包括刚性框架、外壳或外罩，使得相应的换能器阵列分段151F1、151F2、……、151F8不会相对于192F1、192F2、……、192F8移动。声学换能器设备阵列151F可以可选地包括刚性结构191F，刚性结构191F刚性地耦合换能器阵列分段151F1、151F2、……、151F8中的至少一些。在一些实施例中，例如，声学换能器设备阵列151F可以包括定位系统(例如，电动步进机等)，该定位系统可以相对于另一换能器阵列分段和/或相对于对象161移动换能器阵列分段151F1、151F2、……、151F8中的一些或所有的三维位置。在示例实施方式中，例如，取决于对象和相对于声学换能器设备阵列151F的朝向以及换能器阵列分段151F1、151F2、……、151F8的重新定位，声学换能器设备阵列151F能够被系统150用来确定椭球体的六个自由度(例如，如图1F的图中所示)。在系统150的这种实施期间，被选择用于发送和/或接收的各个换能器元件的数量、换能器阵列分段151F1、151F2、……、151F8的几何形状、朝向等相对于参考系对于系统150是已知的。在示例换能器设备阵列151F的一些实施方式中，例如，在功能上，分段151F1、151F2、……、151F3中的每个分段的单一阵列元件可以由点源和接收器表示。
图1G示出了声学换能器设备阵列151G的示例实施例，其包括沿着围绕对象161的三个点排列的三个刚性连接的换能器阵列分段151G1、151G2、151G3，其中每个换能器阵列分段指向对象161，使得三个刚性连接的换能器阵列分段151G1、151G2、151G3在三个不同的方向面向对象161。在示例实施方式中，例如，取决于对象和相对于声学换能器设备阵列151G的朝向以及换能器阵列分段151G1、151G2、151G3的重新定位，声学换能器设备阵列151G能够被系统150用来确定球形对象(例如，如图1G的图中所示)的至少三个自由度以及其他类型的对象(例如，立方体、椭球体等)的多达六个自由度。
图1H示出了声学换能器设备阵列151H的示例性实施例，其包括分别沿着围绕对象161(例如，在该示例中为立方体对象)的三个垂直平面xy、xz和yz排列的三个刚性连接的换能器阵列分段151H1、151H2、151H3，其中每个换能器阵列分段指向对象161。在示例实施方式中，例如，取决于对象和相对于声学换能器设备阵列151H的朝向以及换能器阵列分段151H1、151H2、151H3的重新定位，声学换能器设备阵列151H能够被系统150用来确定(例如，具有指向三个正交面的阵列分段的立方体的)六个自由度。
在一些实施例中，例如，在图1F、图1G和图1H的示例中，用于连接和保持不同声学换能器设备151的一个或多个刚性杆或框架可以由一个或多个可调整的杆或框架或者刚性杆或框架与致动器的组合来代替，以允许它们的位置和相对位置被调整以适应不同形状的不同靶标对象。在这种设计中，一旦声学换能器设备151的位置和朝向被调整到期望位置并被固定，则声学换能器设备151相对于靶标对象的空间位置和某些相对位置是已知的。
在示例实施方式中，例如，示例换能器设备阵列151F、151G和151H包括含有跨越一个或多个子阵列的各种换能器元件组合的各种阵列分段，一个或多个子阵列可以用于生成要在对象161处发送的各种声学波形，例如，包括用于生成一个或多个复合声学波形(例如，超声波束)的编码声学波形。
图1I示出了说明示例换能器设备阵列151F、151G和151H的换能器阵列分段的非限制性示例的图，在图中示出为换能器分段阵列151I。在该示例中，换能器分段阵列151I包括排列在四个换能器分段(例如，换能器分段1、2、3和4)中的64个单独的换能器元件。虽然该图示出了空间上接近的四个换能器分段，但是应该理解，四个换能器分段可以在空间上分开排列，例如，包括分开的、刚性连接的换能器分段，如图1F、图1G和图1H所示。在图1I的这个示例中，一个或多个子阵列，包括64个单独的换能器元件中的任何一个(例如，包括四个换能器分段中的一个或多个分段当中的换能器元件)，可以发送(例如，顺序地、同时地或随机地)单独的声学波形(例如，包括单独的编码声学波形)。子阵列可以包括一个换能器分段中或多个换能器分段当中的单个换能器元件的组合。例如，子阵列1包括换能器分段1的换能器元件2、3、6、7、10、11、14和15以及换能器分段3的换能器元件2和3；子阵列2包括换能器分段2的换能器元件1、2、3、5、6、7、9、10和11；子阵列3包括换能器分段3的换能器元件9、10、11、12、13、14、15和16以及换能器分段4的换能器元件9和13；并且子阵列4包括换能器分段4的换能器元件5、6、7、9、10、11、13、14和15。可以使用开关元件(例如，诸如复用器单元)来产生子阵列的配置，在一些实施例中，开关元件可以被包括在发送器-接收器单元152中。
回头参考图1E，系统150包括在计算设备上实施的对象波束形成器单元154，该计算设备包括与一个或多个存储器设备(例如，随机存取存储器(random-access memory，RAM))进行通信的一个或多个处理器。发送器-接收器单元152的(多个)输出被传送到对象波束形成器单元154，对象波束形成器单元154被配置为在包含在对象波束形成器单元154内的对象波束形成器内的相干组合之前利用待成像的对象模型(示为对象模型155)结合关于阵列几何形状的信息来确定回波延迟和权重计算。
系统150包括数据处理和控制单元156(例如，有时称为数据处理单元)，数据处理和控制单元156包括与对象波束形成器单元和发送器-接收器单元进行通信的处理器和存储器。在一些实施例中，对象波束形成器单元154被配置在与数据处理和控制单元156相同的计算设备上；而在其他实施例中，对象波束形成器单元154被配置在与包括数据处理和控制单元156的计算设备进行通信的单独的计算设备上。数据处理和控制单元156被配置为调整描述阵列几何形状相对于对象模型(如阵列模型153所示)的位置和朝向的参数，使得对象波束形成器输出被最大化(在下面详细描述)。数据处理和控制单元156被配置为控制发送器-接收器单元152，用于对声学信号的发送和接收进行排序。
例如，在所公开的系统和方法的一些实施方式中，当数据处理和控制单元156确定在对象波束形成器单元154中波束形成的接收合成孔径回波集合、对象模型、阵列模型和/或阵列相对于模型的位置和朝向之间的匹配时，发生对象的检测。在一些实施方式中，例如，通过将寻求匹配的优化过程的一个或多个输入和/或输出(例如，变量)或者一个或多个输入和/或输出的变化(例如，迭代之间的不同变化)与一个或多个阈值进行比较来确定对于是否达到匹配的决策。确定一个或多个阈值的值可以基于经验数据、仿真数据、蒙特卡罗方法、扰动理论和/或用于确定阈值的多种统计方法或检测理论方法(例如，包括但不限于统计假设检验、t检验、二元分类器的接收器操作特性、贝叶斯假设检验等)。优化过程的一个或多个可变输入和/或输出所需的一个或多个阈值和条件(例如，输入或输出大于或小于阈值)在本文中有时被称为检测标准。例如，对于数值优化，这种标准可以被称为容差标准(例如，阈值)或停止标准(例如，当超过阈值时，优化过程停止)。在本文中，检测标准和停止标准是指用于基于应用于优化过程的输入和/或输出的条件来检测对象的相同标准。在涉及数值优化的所公开的方法和系统的实施方式中，例如，优化过程的核心是负责搜索使目标函数最大化或最小化的解的算法。本文提到的优化算法也被称为求解器或优化器。此外，负责寻找解的特定算法可以被称为求解器或优化器。存在许多类型的优化器，并且它们被宽泛地分类为线性或非线性优化器。在根据本技术的一些实施例中，非线性优化器用于求解参数集，该参数集是变化的，直到找到匹配，即满足一个或多个检测标准。关于优化过程的更多内容将在下文讨论。
在一些实施例中，系统150可以包括用户界面(user interface，UI)和显示单元158，以便于用户向系统150输入并且根据描述对象的参数而呈现产生的输出159(例如，物理对象的图像)，该参数包括但不限于由与对象波束形成单元154和发送器-接收器单元152相结合地工作的数据处理和控制单元156产生的对象的位置和/或朝向。
在系统150的一些实施例中，例如，发送器-接收器单元152被配置为操作围绕对象的多个换能器元件位置的阵列，并且可操作用于产生稀疏孔径，即，具有大空隙(void)和元件之间的较大物理间隔的一个或多个实例的孔径区域，其中间隔通常大于一个波长。
在图1E的示例中，存在产生稀疏孔径的八个换能器元件位置。不要求被显示为立方体的八个换能器元件的准确的几何放置；但是要求多个换能器元件完全或至少部分地包围对象并且元件大部分指向对象，例如，阵列元件的表面法向向量平行于对象上的至少一个表面法向方向。以这种方式，孔径可以有效地作为大得多的孔径工作，但是与将会完全围绕对象的孔径相比，具有非常少的元件(例如，稀疏孔径)。
在图1E所示的阵列模型153的示例中，例如，当阵列元件的表面法线(示为从每个元件位置发出的箭头)与至少一个表面法线平行时，则预期单站散射，即直接回到发送元件的反射。当来自一个元件的发送被反射到第二个元件的方向上时，发生双站散射。单站反射或双站反射所源自的对象上的点或区域在对象表面上产生反射采样位置。元件的总数是重要的，因为取决于对象的形状，必须总共有至少三至六个具有显著间隔的对象的特有单站或双站反射样本，以便确定对象在空间中的可确定位置和/或可确定朝向。可以使双站样本和单站样本重叠，因此需要元件之间的显著间隔或者大量的单站样本和双站样本，使得尽管采样中有冗余，并且取决于对象的形状，实际上产生对象的至少三到六个特有样本。例如，球形对象具有可确定的位置但不可确定的方向，因此需要至少三个特有样本来确定对象的位置。其他类型的对象具有可确定和不可确定的自由度二者，包括但不限于例如正圆柱体、无限圆柱体、圆锥体和椭球体。作为对具有可确定的位置和朝向的任意对象的一般要求，例如，需要对象的至少六个特有样本来确定对象的位置和朝向。例外情况包括但不限于例如立方体、直角棱镜、四面体和正棱锥体，它们具有少于六个样本的可确定的位置和朝向。
在图1E中系统150的示例性实施例所示的示例排列中，存在至少八个单站样本(即元件索引i上的发送和相同元件索引i上的接收)。使得j不等于i的双站样本(即元件索引i上的发送和元件索引j上的接收)的数量取决于对象相对于阵列的位置和朝向以及对象的形状，使得元件索引i上的发送将生成到元件索引j的反射。换句话说，对于8元件阵列，存在对象的28个双站样本，但是其中几个双站样本是不相关的，因为可能没有反射。
如图1E所示，换能器元件连接到发送器-接收器单元152的发送器设备和/或接收器设备，发送器-接收器单元152包含在所有8个元件上复用的至少一个发送器通道和至少一个接收器通道。在一些实施例中，例如，发送器-接收器单元152包含8个发送器通道和8个接收器通道，使得不需要复用。在一些实施方式中，例如，发送器-接收器单元152使用模拟放大器或数字放大器来驱动换能器，以产生分数带宽至少为1％但优选地带宽大于50％的未聚焦声学波形。该波形可以具有低或高时间带宽积，例如具有低时间带宽积的高斯形状波形或编码波形，诸如具有高时间带宽积的线性调频啁啾波形。这里，取决于从元件到靶标的最近距离，长持续时间的波形可以折叠到其自身上，即，当从波形的起始处接收到第一个回波时，它可能仍然在发送。这里，持续时间必须减少，使得发送不与接收重叠，即，介质中波形的物理长度小于从阵列元件到对象再回到接收器元件的最短往返距离。
在系统150的各种实施例中，例如，发送器-接收器单元152的换能器元件可以由锆钛酸铅(lead zirconate titanate，PZT)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)、电容性微加工超声学换能器(capacitive micromachined ultrasonictransducer，CMUT)、压电微加工超声学换能器(piezoelectric micromachinedultrasonic transducer，PMUT)或者将电能转换成机械能以及将机械能转换成电能的任何其他压电材料或设备构成。发送器-接收器单元152中的发送器通道可操作用于利用电波形驱动换能器，以产生声学波形。使用所需的电路来保护发送器-接收器单元中的接收器通道免受发送器的影响，所需的电路包括但不限于二极管扩展器和限制器、高压开关、变换器和双工器。接收器通道可操作用于对接收的回波信号进行放大和滤波，但是也可以执行其他操作，诸如模拟域中的微波束形成或波束形成，其中模拟采样和求和用于组合来自多个通道的模拟信号。
发送器-接收器单元152可以包括电路和电子组件，包括但不限于功率放大器、RF放大器、可变增益放大器、双工器、复用器、数模转换器、模数转换器、混频器、解调器、检测器、ASIC、FPGA、DSP、RF变压器、模拟滤波器、数字滤波器、以太网电路、PCI电路、数字缓冲器、RAM、非易失性存储器、通信组件、模拟总线、数字总线、开关和供电电子器件。发送器-接收器单元152的电路和电子组件通信耦合到换能器元件和系统150的数据处理单元。
在一些实施方式中，例如，使用足够高的采样率(至少是最高频率分量的两倍)来放大接收的回波信号并将其转换成数字信号，以满足奈奎斯特采样定理和量化比特深度，使得有效但微弱的回波可从噪声中分辨出来。在一些实施方式中，例如，模拟抗混叠滤波器可以在数字转换之前以保证满足奈奎斯特采样定理。
在一些实施方式中，例如，发送器-接收器单元152从数据处理和控制单元156接收排序信息。数据处理和控制单元156内的控制单元传送关于在哪个或哪些元件上发送以及在哪个或哪些接收器上接收并转换成数字信号的信息。除了使用哪些元件之外，排序信息还包含定时信息，例如(多个)发送延迟和(多个)接收延迟。例如，在定义的延迟之后，可以在元件1上进行发送，并且在定义的延迟之后，可以在元件2上进行第二次发送。在接收时，元件1上的模数(analog-to-digital，ADC)转换在定义的延迟之后开始，并且元件2也是如此。
在系统150的一些实施例中，例如，换能器元件阵列可以各自包括换能器元件的集合，使得它们作为虚拟发送器和/或虚拟接收器进行操作——显然，这不同于上面关于合成孔径技术讨论的虚拟孔径和虚拟阵列。在这种情况下，每个元件上的延迟必须是可独立控制的，即分别经由发送波束形成器促成虚拟源点，和/或经由接收波束形成器促成虚拟接收器点，波前似乎源自该接收器点和/或从该接收点被观察到。例如，由于虚拟元件由一个以上的物理元件组成，因此它们有利于增加发送时的发送能量和接收时的增益，从而与使用单个元件进行发送和接收相比，提高了总体信噪比。例如，在功能上，系统150与虚拟源和接收器一起操作，其操作方式与它与单个元件源和接收器一起操作的方式相同，尽管在接收器和对象波束形成器单元154内适应额外的信号和ADC通道具有更大的复杂性。
在系统150的一些实施例中，例如，虚拟源的相位中心或有效位置在阵列后面，因此产生近似于点源的发散发送波前。在一些实施例中，在对阵列后面的虚拟发送器的类似操作之后，虚拟接收器可以通过对回波进行数字波束形成而形成，就好像到达阵列后面的点一样。在一些实施例中，例如，虚拟源的相位中心或有效位置在阵列的前面，因此产生发散超过所述相位中心或发源点(也近似点源)的声源。在一些实施例中，在对阵列前面的虚拟发送器的类似操作之后，虚拟接收器可以通过对回波进行数字波束形成而形成，就好像到达阵列前面的点一样。
在系统150的一些实施例中，例如，可以使用微波束形成器在模拟域中对由多个元件组成的虚拟接收器进行波束形成，以便例如从虚拟接收器生成一个或多个波束形成信号，因此消除了使额外的接收器通道适应每个虚拟接收器的复杂性。例如，给定由64个元件组成的虚拟接收器和聚焦在同一虚拟接收器点的一组八个8比1微波束形成器，得到的八个微波束形成信号仅需要八个接收器通道(例如，由模拟滤波器(ADC)等组成)而不是64个通道。得到的微波束形成信号可以由对象波束形成器以与处理来自物理接收器的回波相同的方式进行处理。
在系统150的一些实施例中，例如，阵列元件可以各自包括作为聚焦的发送器进行操作的元件集合，使得聚焦的波束在空间中的可以与或不与对象上的点相对应的一个或多个焦点处发送，但是由于聚焦而声穿透(insonify)对象的有限区域。聚焦的发送有助于限制来自不想要的对象或障碍物的干扰，并且增加发送能量，例如，因此提高接收回波的信噪比。如同在虚拟发送器的情况下，聚焦的发送器的每个元件上的延迟必须是独立可控的，以在空间中任意聚焦波束。此外，如在虚拟接收器的情况下，可以对接收回波进行波束形成以进一步定位来自一个或多个方向的回波，其中接收焦点可以对应于或不对应于对象上的点。
在一些实施方式中，例如，发送器-接收器单元152还可以包括模拟和/或数字滤波器，例如，每个ADC可以在转换之前集成带通或低通模拟抗混叠滤波器。每个ADC还可以集成用于输出的数字滤波器，或者发送器-接收器单元152可以并入这样的数字滤波器。
在一些实施方式中，例如，发送器-接收器单元152可以在数字转换之前在模拟域中对信号进行下变频或解调。例如，在以接收波形的中心频率进行模拟解调的情况下，两个ADC通道可以同时对同相正交(in-phase and quadrature，IQ)信号进行采样，或者一个ADC通道可以执行IQ信号的交错采样，例如，同相采样后跟正交采样再后跟同相采样，等等。可以(例如，使用数字插值器或固定延迟全通滤波器)补偿同相样本与正交样本之间的延迟。例如，模拟解调有助于降低宽带回波的采样率，因此减少需要存储的样本数量和传输到波束形成器的数据量。
在一些实施方式中，例如，可以使用数字IQ解调来代替模拟IQ解调，以获得类似的结果，但是具有能够调谐解调频率和带宽的额外优点。调谐解调频率和带宽有助于补偿频率和深度相关衰减，这有效地降低了作为回波深度的函数的中心频率和带宽。
在一些实施方式中，代替IQ解调，例如，用于宽带信号的相干IQ处理的更精确技术包括在转换到数字域之后对信号应用希尔伯特变换，以便获得解析信号，如下：
其中sa(t)是解析信号，s(t)是输入信号或同相分量，并且是希尔伯特变换信号或正交分量，其按如下公式获得：
其中*是卷积算子。希尔伯特变换可以使用快速傅立叶变换(fast Fouriertransform，FFT)来计算，其中对所有正频率分量添加-90度相移，并且对所有负频率分量添加+90度相移，如下：
其中是傅里叶变换算子，是希尔伯特变换算子，sgn(x)是x的符号函数，ω是角频率，并且S(ω)是s(t)的傅里叶变换。由于希尔伯特变换是频域中的乘法算子，因此也可以使用有限冲激响应(finite impulse response，FIR)滤波器来近似它。用于IQ处理的希尔伯特变换技术是有益的，因为它不受接收回波的频率和深度相关衰减的影响。也可以通过正交采样方法获得解析信号的近似。
在一些实施方式中，例如，得到的数字回波信号(例如，IQ形式或纯实数形式)被传输到对象波束形成器单元154，在对象波束形成器单元154中，它们被存储在随机存取存储器(RAM)中以用于波束形成。在一些实施方式中，例如，除了对象波束形成之外，对象波束形成器单元154还可以被配置为对虚拟接收器进行波束形成。
对象模型最初通过各种手段加载到数据处理单元156中，例如，读取存储系统中的文件，或者从计算机辅助设计(computer aided design，CAD)软件传输，或者使用计算机程序根据数学模型生成，或者根据对对象进行成像并将图像转换成模型的外部手段生成。例如，对象模型可以由简单的凸多边形组成，诸如三角形、四边形、六面体等具有复杂反射率的形状。例如，对象模型可以由德劳内(Delaunay)三角化模型组成，德劳内三角模型包括顶点列表和面列表，其中每个面包括顶点列表中的三个索引。模型内最大元件的最大尺寸应该是一个波长或更小，但是优选为一半波长或更小，其中波长对应于对象周围介质的声速除以传输的中心频率。还优选的是，多边形的面位于圆或外接圆上，使得所有面的所有外接圆的直径在所有面上相等或近似相等，并且使得最大外接圆直径为一个波长，但是优选为一半波长或更小。三角模型和四边模型是优选的，因为对于这些几何形状存在高效的光线追踪算法。在一些实施方式中，例如，计算面中心位置并将其与模型一起存储，这些位置通常通过计算面的所有顶点上的平均坐标来找到，但是用于中心位置计算的其他方法也是可能的。另外，还计算每个面的单位表面法向量并将其与模型一起存储。另外，可以计算每个顶点的顶点法线并将其与模型一起存储。可以被计算并与模型存储在一起的其他量例如可以包括普吕克(Plücker)坐标，其可用于有效的光线追踪，以及低对比度对象的复杂表面反射率。
在一些实施例中，数据处理单元156可以驻留在一个或多个计算机上，例如，台式计算机、膝上型计算机、经由互联网(例如，在“云”中)彼此进行数据通信的计算机设备的网络、或者其他计算设备，包括但不限于智能电话、平板电脑、或可穿戴计算/通信设备。在一些实施例中，数据处理单元可以驻留在也包括发送器-接收器单元152和/或对象波束形成器单元154的设备结构(例如，外壳)中。发送器-接收器单元152可以经由数字接口与数据处理单元进行通信，例如，数字接口可以是任何接口或接口集合，包括但不限于USB、火线(FireWire)、以太网、PCI、IEEE 1394串行、Wi-Fi、光纤信道、光纤、无线总线、串行总线或并行总线。
在一些实施例中，数据处理单元156可以包括可编程处理单元和存储设备，其可以包括但不限于以下组件，例如，一个或多个处理器、串行处理器、并行处理器、数学协同处理器、通用图形处理单元(graphical processing unit，GPU)、FPGA、ASIC、DSP、非易失性存储器、RAM、数字缓冲器、存储设备、硬盘驱动器、USB、火线、以太网、PCI、IEEE 1394串行、Wi-Fi、光纤通道、光纤、无线总线、串行总线、外部显示适配器、外部显示驱动器、并行总线、通信组件和供电电子器件。
在一些实施例中，例如，系统150还可以包括UI和显示设备158，UI和显示设备158可以包括例如监视器、扬声器或者用于产生视觉、听觉或触觉输出的组合的其他设备。例如，在一些实施例中，当数据处理单元驻留在计算机上时，例如，诸如驻留在单个单元中或者通过到外部显示器的电缆而分开地驻留，UI和显示设备158可以与数据处理单元合并在一起。
在各种实施例中，数据处理和控制单元156包括处理数据的一个或多个处理器以及与处理器通信以存储数据的一个或多个存储器。例如，处理器可以包括中央处理单元(central processing unit，CPU)或微控制器单元(microcontroller unit，MCU)。例如，存储器可以包括处理器可执行代码，当由处理器执行时，处理器可执行代码配置数据处理和控制单元156以执行各种操作，诸如接收信息、命令和/或数据，处理信息和数据，以及向另一实体(例如，外部设备)发送或提供信息/数据。为了支持数据处理和控制单元156的各种功能，存储器可以存储其他信息和数据，诸如指令、软件、值、图像和由处理器处理或参考的其他数据。各种类型的随机存取存储器(RAM)设备、只读存储器(read only memory，ROM)设备、闪存设备和其他合适的存储介质可以用于实施存储器的存储功能。存储器可以存储数据处理和控制单元156以及系统的其他单元的数据和信息。例如，存储器可以存储系统单元参数和硬件约束，以及用于系统上的操作的软件参数和程序。在该示例中，数据处理和控制单元156包括输入/输出(input/output，I/O)单元，I/O单元可以允许数据处理和控制单元156与系统的其他单元的通信可连接性。例如，I/O单元可以提供数据处理和控制单元156与其他设备或系统进行通信，例如，使用与典型数据通信标准兼容的各种类型的有线或无线接口，例如，包括但不限于通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)、IEEE 1394(火线)、蓝牙、IEEE 802.111、无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)、无线个人区域网(Wireless Personal Area Network，WPAN)、无线广域网(Wireless Wide Area Network，WWAN)、WiMAX、IEEE 802.16(微波接入全球互通(WIMAX))、3G/4G/LTE/5G蜂窝通信方法和并行接口。I/O单元还可以提供数据处理和控制单元156与外部接口(例如，外部设备)、数据存储源或显示设备(例如，UI和显示设备158)的通信可连接性。数据处理和控制单元156的I/O单元还可以与其他外部接口、数据存储源和/或视频或音频显示设备等对接，以检索和传输可以由处理器处理、存储在存储器中或在系统150的输出单元(例如，UI和显示设备158)上表现的数据和信息。
对象波束形成器单元154包括软件，该软件包含表示对象的预定模型的代码和/或坐标列表和/或向量信息、和/或用于基于由数据处理和控制单元156提供给对象波束形成器单元154的关于对象的新信息而生成对象的新模型或修改对象的新模型或现有模型的代码。在一些实施例中，对象波束形成器单元154是数据处理和控制单元156的数据处理模块，其中对象波束形成器单元154利用数据处理和控制单元156的硬件，例如包括但不限于数据处理和控制单元156的一个或多个处理器和一个或多个存储器。然而，在一些实施例中，对象波束形成器单元154包括耦合到一个或多个存储器单元的一个或多个处理器，该一个或多个存储器单元与数据处理和控制单元156的一个或多个存储器分离。
在一些实施方式中，例如，在波束形成之前，对象模型是从数据处理和控制单元156加载到对象波束形成器单元154内的可寻址RAM单元中的。同样在波束形成之前，换能器阵列元件位置和法向量是从数据处理和控制单元156加载到对象波束形成器单元154中的。换能器阵列元件的位置和阵列法向量被存储在数据处理和控制单元156中，作为其自身参考系中的模型，如在图1E的示例中的阵列模型153下所描绘的。从数据处理和控制单元156传送到对象波束形成器单元154的换能器阵列元件的位置和阵列法向量通过应用由旋转分量和平移分量组成的变换来改变。平移分量被表示为三维的笛卡尔坐标，即x、y和z。旋转分量由通过关于x轴、y轴和z轴的角度以各种连续次序(例如，xyz、yzx、zxy、xzy、zyx、yxz，另外称为泰特布莱恩角)而进行的连续旋转来确定。
示例3×3旋转矩阵计算如下：
其中，R表示其偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)和滚转角(roll)分别为α、β和γ的旋转。更正式地，它是其泰特布莱恩角分别为关于z、y、x轴的α、β、γ的固有旋转。用于计算3×3旋转矩阵分量的其他方法包括欧拉角、轴角表示、罗德里格斯旋转公式和四元数。旋转和平移如下应用于阵列模型坐标：
Ac′＝RAc+h
其中Ac′是变换后的坐标集合，R是3×3旋转矩阵，Ac是阵列坐标的输入集合，并且h是3×1平移向量。阵列元件An的法向量也变换如下：
An′＝RAn
其中Sn′是变换后的阵列法线的集合。变换后的坐标和法线被传送到波束形成器单元以用于权重和延迟计算。旋转和平移也可以如下阐述为数学上等效的4×4刚性齐次变换T：
其中h1是x平移，h2是y平移，并且h3是z平移，并且
并且
T是对坐标集合执行平移和旋转变换的有效方式，例如，坐标集合排列为4×N矩阵P，其中P的第4行包含全1，如下所示：
P′＝TP,
其中P′是变换后的坐标集合。简单地通过将P的第4行设置为零来省略平移。这种操作在运动学和计算机图形学领域是可以理解的。
图2示出了说明根据本技术的经由合成孔径发送和接收的超声信号对对象表面进行波束形成的对象波束形成器方法的示例实施方式的图。在系统150的一些示例实施例中，用于对对象进行波束形成的算法在对象波束形成器单元154内执行，并且包括对象波束形成器的示例数学运算的集合。图2的图还示出了用于通过可由对象波束形成器单元实施的算法来计算特定参数的示例等式，该示例等式可以包括镜面散射权重参数、方向性权重参数和散射延迟参数(也在下面示出)。
镜面散射权重参数方向性权重参数散射延迟参数
在对象波束形成器的一些实施方式中，对于每个发送器和接收器组合，对象波束形成器被配置为计算几个量，这几个量确定在求和之前应用于回波的延迟和权重。在图2的示例中，存储在对象波束形成器内的对象模型的几何形状是针对单个三角形面而示出的，其中应该理解，对象可以由多个这样的三角形面组成，并且每个面可以以所示面的方式处理。
同样，在图2中，还示出了单个发送器和单个接收器定位的几何形状，其中应该理解，相同的几何构造适用于包括换能器阵列的多对发送器和/或接收器，并且不限于占据不同物理或虚拟位置的发送器和接收器。还应理解，单个发送器或单个接收器的描述可以由一个或多个换能器元件组成，该一个或多个换能器元件被波束形成以产生单个回波，就好像是从位于所示位置和朝向的单个发送器或接收器中得到的一样。
值得注意的是，在对象波束形成器内使用的发送器和接收器的几何形状是基于应用于换能器阵列模型的变换的，其中该变换是可控的，并且在对象模型的参考系中操纵该模型。相比而言，可以对对象模型应用等效的变换，并且可以在阵列模型的参考系中在空间中操纵对象模型；然而，与阵列模型相反，关于对对象模型应用变换的当今计算设备的计算需求通常多得多，并且可能妨碍实时运算。应该理解，两种方式是等效的，则假设前一种方法。根据由数据处理单元156确定的变换，在对象波束形成器单元154或数据处理单元156内计算变换后的坐标。
如图2所示，对于每个发送器位置，对象波束形成器被配置为计算从发送器位置到模型上一个或多个面上的位置的距离(dt)。同样，对于每个接收器位置，对象波束形成器被配置为计算从接收器位置到模型上一个或多个面上的位置的距离(dr)。在本文中，发送器位置是一个或多个发送换能器元件的已知位置和/或通过声学传输参数已知的(多个)换能器元件所发送的声学信号的已知位置，诸如相位中心定位；类似地，接收器位置是一个或多个接收换能器元件的已知位置和/或通过声学参数已知的(多个)换能器元件所接收的声学回波的已知位置。用于距离计算的面位置可以是面中心位置，或者它可以是(例如，通过从发送器或接收器到多边形上的交点的光线追踪)所确定的不同位置。面位置也可以例如从相邻顶点、面法向量和顶点法向量的组合中确定，以便基于模型的局部曲率求解插值的面位置。
出于该示例的目的，假设围绕对象的介质的全局平均声速用变量c表示。因此，从发送器到模型上的点再到接收器的延迟τ是根据以下等式通过将往返路径dt+dr除以介质速度来计算的：
除了延迟之外，对于每个发送器位置，波束形成器单元被配置为计算模型上的一个或多个面的入射单位向量同样，波束形成器单元可以被配置为根据以下等式计算镜面反射单位向量
其中是面的单位法向量，是来自发送器位置的入射向量，并且量是单位向量和之间的点积，即角度的余弦。
同样，对于每个接收器位置，波束形成器单元被配置为计算模型上一个或多个面的接收器单位向量对于发送器位置、面位置和接收器位置的每个组合，波束形成器单元被配置为根据以下等式计算镜面散射权重ws：
其中是单位向量和之间的点积，即角度的余弦，并且p是幂项，也称为镜面指数，其通常具有至少为1的值，但是可以增加以缩小镜面散射角，例如，以匹配实验观察到的反射强度。
在该示例中，波束形成器单元被配置为将ws箝位到0至1的范围，使得负值被赋予值0，即，镜面反射是不可能的。如果和是平行的，则ws＝1。如果和是垂直的，则ws＝0。如果和是反平行的，则ws＝0。该基本加权项仅负责对模型上的散射元件的镜面散射贡献进行加权。
对回波加权的其他贡献可以包括发送元件方向性加权wdt，wdt可以被近似为发送器单位法向量与单位入射向量的逆之间的点积的绝对值，如下：
其中qt是类似于上述p的幂项，其值取决于给定元件的方向性而通常为1。在上面的定义中，发送方向性在数学上等效于发送器法向量与其入射向量之间的角度的余弦，这与平面波源的第一瑞利-索末菲解中的cos(θ)倾角因子一致。
类似地，回波加权还可以包括接收器元件方向性加权wdr，接收器元件方向性加权wdr可以被近似为接收器单位法向量与单位接收向量的逆之间的点积的绝对值，如下：
其中qr是类似于上述p的幂项，其值取决于给定元件的方向性而通常为1。在上面的定义中，接收器方向性在数学上等效于接收器法向量与接收向量之间的角度的余弦，这与平面波源的第一瑞利-索末菲解中的cos(θ)倾角因子一致。
给定发送器和接收器对的总方向性wdtr由单独的发送器方向性和接收器方向性的乘积给出，如下所示：
wdtr＝wdtwdr，
其中方向性的分离允许发送与接收之间不同的空间响应。注意，例如，当考虑极限情况时，wdtr的含义变得更清楚，例如，当和垂直时，wdt＝0，或者如果和垂直，则wdr＝0，任一情况都会导致wdtr＝0。同样，当和平行时，wdt＝1，并且如果和平行，则wdr＝1。
基于发送元件和接收元件的解析公式和/或测量的方向性图样的针对元件方向性wdt和wdr的更确切表达式也是可能的，例如，使用对作为与元件法线的角度的函数的场幅度测量值的多项式拟合。
在一些实施例中，例如，也可以包括其他加权因子以例如说明给定面的面积。如果由于对象模型在多边形边长、多边形面积或外接圆直径方面被均匀网格化，所有面具有大致相同的面积，则来自一些面的贡献比其他面的贡献高或低可以忽略不计，并且可以省略面积加权项。
可以包括的其他加权因子的示例可以包括复数反射率项wr，复数反射率项wr将实数的和复数的散射行为集总在一起，这些散射行为可以取决于频率和入射角，但是也可以取决于对象的物理参数，包括但不限于声速、密度、声学阻抗、可压缩性、衰减、表面纹理、表面上或表面下的不均匀性以及多个层。复数反射率项可以采取以下形式：
wr＝α+jβ，
其中α是反射率的实分量，β是反射率的复分量，并且j是单位虚数。应该理解，α和β可以都具有对其他量(例如，频率、入射角等)的复杂依赖性。这里wr可以包括漫散射的效应，类似于光学中的朗伯余弦定律。
可以包括的其他加权因子的示例可以包括补偿权重wc，补偿权重wc补偿频率相关的和距离相关的衰减以及1/r振幅扩展损耗(假设点源)。例如，wc为最长传播路径分配高值，并且为最短传播路径分配低值。以这种方式，与来自最短传播路径的回波相比，与最长传播路径相对应的补偿回波具有相似的振幅。
对于给定的发送器、接收器和模型面，总体复权重w被建立为如下形式：
w＝wswdtrwrwc
在对象波束形成器的一些实施方式中，对象波束形成器被配置为根据以下等式计算与多个发送器位置、接收器位置和模型点相对应的回波样本的总和：
其中f(t，MA，T，MO)是波束形成的信号，t是时间，MA是由包括NTX个有源发送器的坐标和NRX个有源接收器的坐标的各种参数组成的阵列模型，T是应用于有源发送器和接收器位置的齐次变换矩阵，其是包括六个自由度的三个平移距离和三个旋转角度的函数，MO是由包括NMP个模型点位置的各种参数组成的对象模型，i是有源发送器索引，j是有源接收器索引，k是模型点索引，wijk(MA，T，MO)是总体复波束形成器权重，sij(t)是存储的合成孔径回波信号，并且τijk(MA，T，MO)是计算的波束形成器延迟。
在上面的示例对象波束形成器实施方式中，该对象波束形成器可以在数学上比作传统合成孔径超声图像形成(例如，诸如合成孔径点波束形成)中使用的延迟求和波束形成器，尽管是不同的。例如，更传统的广义合成孔径点波束形成器可以采用以下数学形式：
其中t是时间，IP表示一个或多个图像点，MA是阵列的模型，wij(MA，IP)是2D权重阵列，其可以是或可以不是图像点和阵列模型的函数，并且τij(MA，IP)是去往和来自阵列中的给定图像点的往返延迟。在传统的波束形成器中，对于给定的阵列，权重可以是固定的；例如，切趾(apodization)函数(例如，wij(MA))是被选择为对于空间中所有波束形成点都是相同值的2D权重阵列(例如，对于给定阵列模型，wij(MA)是常数)，或者权重可以是可变的2D权重阵列，例如，空间中给定点相对于阵列模型的函数，例如动态切趾函数，例如wij(MA，IP)。许多可能的切趾函数是可能的。与传统成像中使用的传统延迟求和波束形成器相比，示出所公开的对象波束形成器技术与传统的点波束形成器的主要区别在于(i)如何根据阵列模型、对象模型及其相对朝向来计算权重，例如，wijk(MA，T，MO)，以及(ii)如何在对象模型上对回波求和，例如，在NMP个模型点上的第三次求和。例如，f(t，MA，T，MO)、fconv(t，MA，IP)和其他类似的数学公式都可以被视为波束形成器。尽管所公开的对象波束形成器不是严格意义上的点波束形成器，但是例如在一些实施方式中，通过设置NMP＝1(即，去除第三次求和)、设置MO＝IP、将wijk(MA，T，MO)重新定义为wij(MA，IP)以及将τijk(MA，T，MO)重新定义为τij(MA，IP)，可以将对象波束形成器重新定义为点波束形成器。
在对象波束形成器的一些实施方式中，对象波束形成器被配置为基于查找表确定波束形成信号的总体复波束形成器权重和/或其他变量和参数。
在一些实施方式中，换能器元件阵列包括N个换能器元件，其中至少一些换能器元件用于完全合成发送孔径操作中的发送和接收两者(即，NTX＝NRX，并且i＝j是指同一元件)。由于源和接收器对之间的声学互易性的属性，因此，对于每个互易的双站发送器和接收器对，即满足(ij)和(j，i)使得i≠j的对(例如，(ij)＝(1，2)和(i，j)＝(2，1))，仅需要计算一次权重和延迟。在数学上，对象波束形成器可以修改如下：
其中，对于i≠j，aij＝2，并且对于i＝j，aij＝1。等效地，根据互易性原理，对象波束形成器也可以修改如下：
其中，对于i≠j，aij＝2，并且对于i＝j，aij＝1。这种实施方式的好处是，从N2至运算减少了大约1/2。
在一些实施方式中，例如，单站回波或单站回波的子集(例如，上述i＝j的至少一些)和/或双站回波或双站回波的子集(例如，上述i≠j的至少一些)可以在对象波束形成器中求和。
在一些实施方式中，例如，对象波束形成器输出可以乘以时域窗口函数。例如，
ftdw(t，MA，T，MO)＝wf(t)f(t，MA，T，MO)，
其中wf(t)是时域窗口函数，例如汉恩窗口，由以下函数给出：
其中L是时域中的窗口长度。时域窗口函数可以用于抑制远离t＝0的不期望的回波分量。也可以使用其他窗口函数，包括但不限于：汉明、布莱克曼、纳托尔、高斯、图基、凯泽、帕森、韦尔奇、斯莱皮恩、超球形、指数形、平顶形、三角形、正弦形和矩形。
发送的波形可以是空间编码的、时间编码的或者空间和时间编码的。假设回波sij(t)在波束形成之前被解码。这里隐含地假设时间变量t被采样，例如，t＝n dt，其中n是整数，dt＝1/fs，并且fs是存储的回波样本的采样率。在量τijk(MA，T，MO)不落在的整数倍dt上的情况下，波束形成器单元可以被配置为使用任何数量的有效插值算法和宽带波束形成器的方法对来自相邻样本的分数延迟值进行插值。上面所示的求和仅仅是包括加权延迟求和波束形成器的一个实施例。可以通过线性运算和非线性运算的其他组合来获得函数f(t，MA，T，MO)，从而抑制非相干的回波能量。
波束形成器单元的输出被传输到数据处理单元，在数据处理单元中，该输出被用在优化过程的目标函数中，其中优化器改变确定变换T的六个自由度中的每个自由度，以便最小化目标函数。目标函数g(t)的一个示例如下给出：
其中t1是起始时间，并且t2是结束时间。并入了上述时间窗口的目标函数g(t)的另一示例如下给出：
优化器的目标是如下最大化g(MA，T，MO)：
其中通过改变与T相对应的六个自由度中的每个自由度以及对象模型变量的集合MA来最大化范围从t1到t2的时间窗口上的波束形成器输出的积分功率，以找到最优变换器Topt和最优对象模型变量的集合时间窗口持续时间Δt＝t2-t1与接收回波的中心频率和带宽成反比。例如，对于利用高斯调幅正弦脉冲p(t)建模的波形发送，如下所示：
其中bw是-6dB双向分数带宽比，即对称频谱的带宽除以中心频率，并且fc是中心频率，-6dB幅度截止时间由下式给出：
这里，其与中心频率和分数带宽成反比。应该理解，可以使用其他幅度截止和截止时间，以便增加或限制对波束形成回波功率进行积分的窗口，但是上面的解析公式给出了关于窗口持续时间和积分极限必须如何根据频率和带宽而改变的指引。
如所描述的，进行了进一步的示例实施方式。执行了对对象波束形成器的操作的数值仿真以展示其使用包括5个元件的稀疏合成孔径在包括25个散射位置的简单对象上进行定位的能力。图3示出了散射体和阵列元件位置的几何排列。
图3示出了描绘在使用示例对象波束形成器技术的数值仿真的示例实施方式中使用的几何图形的图表，该图表由被建模为点靶标(用“x”符号标记)的对象散射体位置和被建模为点源和接收器的阵列元件位置组成。在对象波束形成器内使用的用“o”符号标记的阵列元件位置是用“+”符号标记的真实阵列元件位置的变换版本。通过围绕向量将真实阵列元件位置旋转0至10度的角度、随后将旋转后的坐标在向量的方向上平移0至10毫米的幅度，来获得变换后的坐标。用灰度来编码与真实位置的递增距离。
为了展示对象波束形成器的功能，例如，每个阵列位置可以是发送器和接收器，因此考虑了单站散射和双站散射两者。假设发送器和接收器是具有cos(θ)灵敏度的点源和点接收器，例如，根据图2的几何形状以及上面用qt＝1和qr＝1定义的wdr和wdt的定义，关于发送的方向灵敏度由给出，并且关于接收的方向灵敏度由给出。阵列的几何形状是一个4cm2的方形稀疏孔径，其中在每个角上有一个发送器/接收器，并且在中心有一个发送器/接收器。例如，根据图2的几何形状和上述用p＝1定义的ws的定义，假设散射体位置是具有入射波的cos(θ)散射振幅的点反射体。使用如上定义的高斯调制正弦压力波形、使用1MHz的中心频率fc和60％的双向-6dB分数带宽bw来对从每个源生成的发送波形进行建模。声速被设置为1500m/s，从而导致波长为1.5毫米。
例如，使用由以下等式给出的压力源的时域中的近似瑞利积分公式来回波进行数值计算：
其中p(x，t)是在空间中的向量位置x和时间t处的声压波形，c0是介质声速，ps(x，t)是声源的表面压力分量，A是面积的被积函数，||x-x′||是向量x-x′的欧几里德长度，并且是由向量x-x′与声源表面法线之间的角度给定的倾角项(等效于上面所示的Cos(θ)方向性)。假设互易性、均匀介质和一阶玻恩近似(即没有多次散射)，脉冲回波场ppe(x，t)可以由下式近似：
ppe(x，t)＝pt(x，t)*tpr(x，t)，
其中pt(x，t)是散射体处的场，pr(x，t)是来自散射体处的源的接收器处的场，并且*t算子表示时域中的卷积。对于点源、接收器和点散射体的集合，各个散射体的脉冲回波响应通过每个组合的相应加权来相加，例如基于方向性和散射振幅加权而相加。利用发送器和接收器的单位法向量的知识，发送器和接收器响应的方向性(例如，Cos(θ)项)很容易被包括在如上所述的发送器、接收器和散射体位置的每个组合中(例如，wdtr)。同样，散射波的方向性很容易被包括在如上所述的散射体单位法向量的知识中(例如，ws)。不失一般性地，例如，频率和深度相关衰减在仿真中被忽视。
为了仿真接收的合成孔径回波，例如，使用了真实的阵列单元位置，如图3所示，每个位置标有“+”。根据合成发送孔径成像，每个源被单独激励，并且每个接收器的回波通过来自所有点散射体的所有散射事件的叠加来仿真，也在图3中示出，每个点散射体标有“x”。以这种方式，每个发送事件产生与五个可能的接收器相对应的五个接收回波，这然后针对所有源进行重复，从而产生包括源和接收器的每个可能组合的25个回波的完全合成发送孔径数据集。
图4示出描绘仿真的接收回波的图表，纵轴是以微秒为单位的时间，横轴是回波索引。回波的振幅以所示的-0.38至0.38的灰度来编码。振幅单位是以1帕斯卡峰压力源的压力单位。图4中的回波是根据与25个回波相对应的完全合成孔径数据集来组织的，其中索引为1-5的回波由源索引1上的发送产生，索引为6-10的回波由源索引2上的发送产生，依此类推。该数据集等效于上述等式中具有根据5(i-1)+j的回波索引的sij(t)，其中i是源索引，j是接收器索引，并且i和j是跨越集合1、2、3、4和5的整数。
对于真实阵列元件位置坐标相对于对象散射体位置坐标(索引为k)的不同程度的旋转和平移，根据上述方法计算对象波束形成器延迟τijk(MA，T，MO)，以便说明对象波束形成器对阵列与对象之间的相对旋转和平移偏移的灵敏度。这里，变换T表示包括旋转后跟平移的齐次变换，旋转和平移应用于真实阵列元件位置坐标。在仿真中，图3所示的真实阵列元件位置坐标用作阵列模型，但是阵列模型也可以在任意参考系中表示。同样，图3中所示的对象位置坐标也用作对象模型，但是对象模型也可以在任意参考系中表示。重要的是，用于该问题的对象波束形成器延迟的数量是5×5×25＝625，这远远大于25或者使用相同孔径对空间中的点进行波束形成的合成孔径延迟项的数量。以这种方式，如上所述，利用对象来形成合成孔径。这里还可以看出，将对象模型并入到波束形成器中极大地增加了相干检测所需的相干条件的空间多样性。
在仿真中，齐次变换T包括围绕向量旋转0至10度的角度、后跟在向量的方向上平移0至10毫米的平移幅度。图3描绘了在对象波束形成器中使用的阵列位置坐标的范围，每个阵列位置坐标用“o”标记，并且具有从黑到白的灰度阴影以显示与真实阵列元件位置坐标的递增距离。
给定sij(t)、根据如上所述的镜面散射元件方向性而计算的wijk(MA，T，Mo)、以及τijk(MA，T，MO)，根据变换T以0.1度的旋转和0.1mm的平移幅度为增量(即，对于T的每个值都发生旋转和平移)，来执行对象波束形成器求和。
图5示出了描绘示例对象波束形成器的输出的数据图表，即，相对应于对于图3所示的真实阵列元件位置的分别等于0度和0毫米的旋转和平移以及对于图3所示的真实阵列元件位置的分别等于1度和1毫米的旋转和平移，上面给出的量f(t，MA，T，MO)。振幅单位是任意单位。注意，针对零旋转和平移的波束形成器对象回波的振幅(以声压Pa为单位)远大于针对1度和1毫米的旋转和平移的回波。所示的波束形成对象回波是在-2.32至2.32微秒的时间范围内计算的，这大致对应于发送的高斯脉冲的-60dB包络电平。
如上所述，作为检测对象和确定对象的位置和朝向的方法，波束形成器对象回波的功率可以根据如上所示的g(MA，T，Mo)在时间窗口上积分。一个这样的时间窗口在图5中示出，其中相应的时间t1和t2被绘制为垂直线。这里，并且如根据上面针对给出的等式和仿真中使用的高斯脉冲参数所计算的。应该理解，t1和t2也可以具有其他值(例如，)，或者具有产生以t＝0为中心的积分窗口的其他任意值。
图6分别对于围绕向量从0至10度的旋转和在方向上从0至10毫米的平移幅度，示出描绘对象波束形成器的输出的归一化积分功率(图5中针对两个示例位置示出)的数据图表。通过针对0旋转和0平移而获得的功率将功率归一化。
图6的图表示出了通过g(MA，T0，MO)归一化的g(MA，T，MO)，其中T0对应于零旋转和平移的情况(例如，T0等于4×4单位矩阵)。该图表示出了作为递增的变换值的函数的波束形成对象回波功率的快速减小，从而展示出用于相干地检测和定位对象的方法的灵敏度。例如，适当的种子优化器(seeded optimizer)可以找到图6所示的峰，以便同时检测和定位对象的位置和朝向。注意，半功率点大致为0.35度/毫米，其远小于1.5mm的波长(<λ/4.3)，因此说明该技术对阵列与对象之间的相对运动具有极高的灵敏度，在该示例中，相对运动是波长的很小部分。考虑到其能定位远小于波长的对象的能力，合成孔径对象波束形成器可以被视为超分辨率成像方法。
例如，不失一般性地，点源/接收器和点散射体的假设预期适用于较大的衍射孔径和靶标，其通常被近似为多组点源/接收器和多组点散射体以便于快速计算。此外，例如，不失一般性地，针对可能的任意选择的旋转和平移轨迹的集合来展示对象波束形成器；然而，针对其他任意的旋转和/或平移幅度和方向，可以预期类似的结果。此外，例如，不失一般性地，针对表示阵列模型的任意选择的源/接收器位置集合的一个可能集合来展示对象波束形成器；然而，针对其他的阵列几何形状，如果不是更好的结果，也是类似的，特别是如果阵列围绕或部分地围绕对象的话。此外，例如，不失一般性地，针对表示对象模型的任意散射体集合的一个可能集合来展示对象波束形成器；然而，针对更大数量的点和不同的几何形状，如果不是更好的结果，也是类似的。
优化器的示例实施例可以包括任何类型的非线性优化器，包括但不限于：高斯-牛顿法、内尔德-米德法、列文伯格-马夸尔特算法、顺序蒙特卡罗法、粒子滤波法、遗传算法、内点法、网格搜索法和惩罚函数法。一旦通过满足优化器的停止标准找到可行的解(例如，检测到对象)，该解就可以用于针对从对象获取的下一回波集合对优化进行播种和约束，这可以使优化过程快得多，因为下一个解很可能非常接近前一个解，例如，如果对象相对于阵列略微运动的话。
其他非线性目标函数也是可能的，包括如下在时间窗口上找到最大值：
在一些实施方式中，例如，所公开的用于断层扫描合成孔径声学成像的系统和方法可以伪相干地对对象进行波束形成。在伪相干对象波束形成的这种实施方式中，例如，系统150被配置为分开相干地对对象模型的区域进行对象波束形成，然后在目标函数中非相干地组合来自每个区域的信号。例如，给定由一个以上不相交和/或相交但刚性连接的区域组成的对象模型MO，每个区域可以具有其自己的关联的对象模型区域其中m是特定对象模型区域的整数索引，使得M0可以定义如下：
其中U是并集算子，并且N是区域数量。每个区域可以(例如，使用上面的符号)被分开进行对象波束形成，模型区域的对象波束形成器输出由给出。得到的目标函数可以是的任何线性和/或非线性组合，例如，在一些实施方式中，目标函数可以定义如下：
其中每个对象模型区域被进行相干波束形成，对象波束形成器功率被积分，并且至少一些或所有模型区域与最终求和非相干地组合。这种目标函数公式的结果在于，由于非相干求和，防止了来自模型的不同区域的对象波束形成回波之间的相消干涉，而由于最优解周围的局部最大值的数量减少，这可以有助于优化过程。多区域对象的基本示例是三体对象，三体对象由通过球体之间的刚性连接排列成等边三角形的三个半径相等的球体组成。对象被自然地划分成三个区域，其中每个区域对应于三个球体之一(忽视球体的刚性支撑结构)。
在一些实施方式中，对象模型MO可以由一个以上不相交和/或相交且可能不相连的(例如，随机采样的)区域组成，每个区域可以具有其自己的关联对象模型区域其中m是特定对象模型区域的整数索引，使得MO可以定义如下：
其中U是并集算子，并且N是区域数量。
在相干或伪相干对象波束形成的实施方式中，例如，优化器以初始猜测为种子，初始猜测可以以多种方式确定，例如，通过对象相对于阵列所在的大致位置的先验知识来确定，例如，基于外部测量或观察来确定。可以检验随机种子值，直到一个值给出比其他值显著更好的优化结果，例如，在优化终止时更低的最小值。还可以在可能的朝向和位置范围内使用网格搜索来检验种子值，这可以进行约束以加速该过程。
一旦优化器确定了Topt，变换就表示阵列在对象模型的参考系中的位置。为了在阵列的参考系中显示对象模型，对象模型的顶点必须通过Topt的逆(表示为Topt -1)进行变换，Topt -1在数学上等效于旋转分量Ropt -1＝Ropt T(R转置)后跟平移分量-Ropt Thopt，如下所示：
其中并且
例如，如图1E所示，变换和模型可以被传输到UI和显示单元158，UI和显示单元158对模型执行变换，并且相对于阵列显示模型。
在一些实施方式中，例如，目标函数也可以被公式化，使得优化器最小化g(MA，T，MO)的倒数(即，)，以便检测和定位对象的位置和朝向，例如，例如，大多数优化算法被公式化为最小化目标函数。
在一些实施方式中，例如，对象波束形成器可以被配置为忽视可能改变对象模型几何形状的对象模型参数MO，并且忽视可能改变阵列几何形状的阵列模型参数MA；然而，改变这些参数预期对目标函数g(MA，T，MO)具有类似的效果。例如，通过改变对象模型的比例，例如，通过将模型坐标乘以每个维度中的常数比例因子，优化器可以确定比例因子的最优值。作为另一示例，如果对象模型是球体，则球体的半径可以由优化器来改变，以确定半径的最优值。在一些实施方式中，例如，模型参数(即，MO和/或MA)的优化与变换T的优化同时执行。在其他实施方式中，例如，独立地执行模型参数(即，MO和/或MA)和变换T的优化。
在一些实施方式中，例如，除了MO、MA和T之外，与声学属性相关的其他参数可以被改变和优化，包括但不限于：全局声学介质声速、每个发送器和接收器本地的声学介质声速、全局声学介质衰减、每个发送器和接收器本地的声学介质衰减、全局介质声学阻抗和每个发送器和接收器本地的声学阻抗、对象的声学阻抗、每个发送器和接收器本地的对象的声学阻抗以及换能器阵列的声学阻抗。例如，这样的参数可以如下集总到对象波束形成器中：
其中参数集Z表示影响对象波束形成器输出的额外的声学参数，例如声速、衰减、声学阻抗等。在本文中，与换能器阵列本身(例如，匹配层、透镜材料等)、换能器阵列与对象之间的介质(例如，水或其他耦合介质)以及包括对象本身在内的声学介质(例如，钢或其他材料)相关的声学属性被称为声学属性。
例如，在使用对象波束形成器来优化介质声速的情况下，可以用声速的初始猜测(例如，1500m/s)作为优化器的种子，或者可以根据空间上分离的发送器和接收器之间的一发一收(pitch-catch)测量来估计声速，并且该估计可以用于作为优化器的种子。如果对象模型的确切的或非常好的近似是先验已知的，并且阵列几何形状是先验已知的，那么优化的声速可以用于改善对象周围的传统合成孔径或真实孔径成像。
在一些实施方式中，例如，除了与阵列的几何形状相关的点、法向量等之外，组成阵列模型MA的其他参数可以被改变和优化，包括但不限于：阵列元件位置、阵列元件法线方向、阵列元件维度、阵列元件形状以及围绕阵列元件位置的阵列元件旋转。例如，扩展参数集MA的一个这样的应用将是在精确已知的对象几何形状、对象属性和介质属性下校准给定阵列的过程。
在一些实施方式中，例如，除了与对象的几何形状相关的点、法向量、面积、曲率、区域等之外，组成对象模型MO的其他参数可以被改变和优化，包括但不限于与以下各项相关联的参数：刚性变换、非刚性变换、仿射变换、透视变换、非均匀变换、对象的统计模型、对象的数学模型(例如，解析模型)和对象的数值模型(例如，多项式拟合)。
在一些实施方式中，例如，影响对象波束形成器输出的其他参数可以以与上面已经包括的参数MA、T、MO、Z相同的方式被包括在内。例如，包括但不限于：与换能器的电特性相关的参数、与换能器的时域冲激响应相关的参数、与换能器的空间冲激响应相关的参数、与发送波形的中心频率相关的参数、与发送波形的带宽相关的参数以及与发送波形的延迟相关的参数。
在所公开的对象成像系统的一些实施例中，针对给定对象预先优化合成孔径阵列几何形状，使得对象的位置和朝向的小扰动在对象波束形成器输出中产生最大变化，即，以优化对小的平移和/或旋转位移的灵敏度。
在所公开的对象成像系统的一些实施例中，针对给定对象预先优化合成孔径阵列几何形状，使得对象表面上的空间采样的冗余被最小化，即，使得空间样本大致均匀地分布在对象上。例如，球形对象的阵列几何形状理想地应该是球形的。同样，例如，圆柱形对象的阵列几何形状理想地是圆柱形的。
在所公开的对象成像系统的一些实施例中，合成孔径阵列几何形状提供至少与优化器所求解的未知量一样多的空间样本。
图7示出了根据本技术的合成孔径对象成像系统(称为合成孔径对象成像系统700或系统700)的示例实施例的图。合成孔径对象成像系统700包括硬件子系统和软件子系统，包括与系统700的发送器/接收器单元752进行通信的合成孔径阵列单元750，其中发送器/接收器单元752与系统700的处理和控制单元756和对象波束形成器单元754进行通信。在一些实施例中，例如，系统700可选地包括与处理和控制单元进行通信的用户接口和显示单元。在一些实施例中，例如，系统700可操作用于实施如上所述的所公开的技术和/或包括关于图1E所示的系统150所讨论的特征。
图8A示出了说明根据本技术的用于通过对对象整体进行波束形成来进行对象的断层扫描合成孔径成像的方法800的示例实施例的图。方法800包括过程810：在对象处发送、接收和/或发送和接收声学信号，其基于在对象处发送换能的声学波形和接收从对象返回的声学回波来形成合成孔径。在过程810的一些实施例中，发送的声学波形可以形成为复合波形，该复合波形可以进一步被空间编码、时间编码或者空间和时间编码。在过程810的一些实施例中，当发送的声学波形被空间编码、时间编码或者空间和时间编码时，过程810可以包括对经编码的接收波形进行解码。
方法800包括过程815：使用从对象的一个或多个区域返回的声学回波的回波样本来对对象进行波束形成，以产生一个或多个波束形成输出信号。例如，该一个或多个波束形成输出信号可以是用于波束形成的一个或多个输入的函数，其中用于波束形成的一个或多个输入包括表示对象的信息。在过程815的一些实施方式中，通过相干地组合(例如，求和和/或相乘)从物理对象的一个或多个区域返回的声学回波的经延迟和加权的回波样本来对对象进行波束形成，以产生一个或多个波束形成输出信号。在过程815的一些实施方式中，过程815包括生成经延迟的回波样本(例如，包括如上所述的实数或复数射频(radiofrequency，RF)样本波形sij(t-τijk(MA，T，Mo)))和加权因子(例如，包括如上所述的wijk(MA，T，Mo)，其对应于：(i)换能器阵列的多个发送器位置(索引为i)和接收器位置(索引为j)，至少部分包括阵列模型MA；(ii)对象模型的多个点(索引为k)，至少部分包括对象模型MO；和/或(iii)将阵列的相对位置和朝向与模型相关的变换T的属性，)。在一些非限制性实施例中，例如生成对象波束形成器输出样本的过程815包括通过以下等式计算的经延迟和加权的回波样本的总和：
其具有上面讨论的参数。例如，在过程815处产生的一个或多个波束形成输出信号是用于波束形成过程的一个或多个输入的函数，下面将参考图8C和图8D进行讨论。在方法800的实施方式中，对对象进行波束形成的过程815包括产生数字格式的一个或多个相干波束形成输出信号(例如，一个或多个对象波束形成回波)。在方法800的实施方式中，对对象进行波束形成的过程815包括产生数字格式的一个或多个伪相干波束形成输出信号(例如，一个或多个对象波束形成回波)。
方法800包括过程820：优化一个或多个波束形成输出信号，以确定对象的位置、朝向、几何形状和/或物理属性或物理属性集合(中的一个或多个)。物理属性或物理属性集合的示例包括但不限于密度、体积模量、声学属性或多个声学属性，诸如声学阻抗、表面反射、体积或内部反射、声学吸收等，或者对象的其他物理属性。在过程820的一些实施例中，根据一个或多个波束形成输出信号的优化来确定对象的位置、朝向、几何形状和/或物理或声学属性包括：生成基于一个或多个波束形成输出信号的一个或多个标量输出；根据对象的位置、朝向、几何属性或物理属性中的至少一些来优化一个或多个标量输出；以及通过使用优化器基于优化的输入和输出的值或者变化确定一个或多个目标函数的优化程度，与检测标准相比来检测对象。
方法800包括过程840：基于优化的位置、朝向、几何属性和/或对象的属性(例如，物理属性，包括表面属性、体积属性和/或声学属性)的再现来产生对象的图像。
例如，在方法800的一些实施例中，过程820可以包括过程821：生成基于一个或多个波束形成输出信号的一个或多个标量输出。在过程821的一些实施方式中，例如，通过在由如上所述的发送脉冲的中心频率和带宽确定的时间窗口上对一个或多个相干波束形成输出信号的功率进行求和，来生成一个或多个标量输出。如参考图8C和图8D进一步详细讨论的，一个或多个标量输出可以对应于一个或多个目标函数的输出。波束形成过程815的一个或多个输入(例如，描述对象、阵列及其相对位置和朝向的参数；声学属性)是一个或多个目标函数的独立变量。
在方法800的一些实施例中，过程820可以包括过程825：根据换能器阵列的位置、朝向或几何形状中的至少一些，和/或对象的位置、朝向、一个或多个几何属性和/或物理属性(例如，表面或体积特性)和/或对象的声学属性中的至少一些，来优化一个或多个标量输出。例如，过程825使用优化器(即，优化算法)优化一个或多个目标函数，以产生一个或多个优化器输出。在一些示例实施方式中，在过程825处产生的一个或多个优化器输出包括但不限于对象参数的范数、阵列参数的范数、一个或多个最优性度量、一个或多个可行性度量、一个或多个残差和/或步长信息。在过程825的实施方式中，例如，通过改变与换能器元件阵列和/或对象模型和/或在空间中将对象与阵列关联的变换、和/或声学属性相关的参数，来优化一个或多个标量输出。以这种方式，一个或多个标量输出是与换能器元件阵列和/或对象模型和/或在空间中将对象与阵列关联的变换相关联的参数和/或与声学属性相关联的参数的函数，即，形成由优化器(即，优化算法)优化的目标函数(例如，在过程821处)。一个或多个优化参数可以包括但不限于：(i)目标函数的至少一个输出，即至少一个因变量，例如，诸如积分的对象波束形成回波功率；和/或(ii)目标函数的至少一个输出，即至少一个自变量，例如，包括但不限于描述对象的位置和朝向的参数、描述对象的几何形状的参数、描述对象的属性的参数、描述阵列的位置和朝向的参数、描述阵列的几何形状的参数和/或描述声学属性的参数。
在方法800的一些实施方式中，过程825基于在过程815处产生并在过程821中响应于变化换能器阵列的属性和对象模型的属性而进一步完善的一个或多个波束形成输出信号，来确定对象的位置、朝向、一个或多个几何属性和/或一个或多个物理属性和/或对象的一个或多个声学属性，以优化一个或多个波束形成输出信号的一个或多个属性。
在方法800的一些实施例中，过程820可以包括过程830：通过基于(i)优化器的输入和输出的值和/或(ii)优化器的输入和输出的变化，相对于(例如，相比于)检测标准或停止标准(例如，一个或多个阈值)来确定一个或多个目标函数(例如，过程821)的优化程度来检测对象。在一些实施方式中，过程830通过将一个或多个标量输出与阈值(例如，满足总积分功率的值)进行比较来检测对象。在一些实施方式中，所确定的优化程度可以基于其中优化变量(例如，对象参数、对象位置、对象朝向)满足阈值(例如，检测标准或停止标准)的检测决策。在一些实施方式中，所确定的优化程度可以基于其中优化器的两次或更多次迭代之间的优化变量(例如，对象参数、对象位置、对象朝向)的变化满足阈值(例如，检测标准或停止标准)的检测决策。在一些实施方式中，对对象进行检测可以包括通过使包含在一个或多个波束形成输出信号内的功率最大化，根据换能器元件(例如，换能器、接收器和/或收发器)阵列的几何形状、位置和/或朝向以及对象模型上一个或多个区域(例如，一个或多个不同的点集)的位置和/或朝向，来定位对象的一个或多个区域。以这种方式，过程830通过基于一个或多个优化参数和应用于一个或多个优化参数的优化标准确定对象的位置、朝向、几何属性和/或物理属性和/或对象的声学属性中的至少一些来检测对象，例如，如参考图8C进一步详细讨论的。
在一些实施方式中，例如，过程830通过基于优化器的输入和/或输出的绝对值和/或优化器的输入和/或输出的迭代之间的变化确定优化程度来检测对象。例如，优化器在搜索解和完善解时必须迭代(例如，使目标函数最大化)。例如，输入可以由一个或多个目标函数(例如，来自过程821)的一个或多个标量输出组成，并且输出可以由阵列的几何形状、位置和/或朝向和/或对象模型上一个或多个区域(例如，一个或多个不同或重叠的点集)的几何形状、位置和/或朝向组成。
在过程830的一些实施方式中，在优化一个或多个输入的过程中，如果一个或多个输入的值超过一个或多个相应的绝对阈值，因此满足优化程度，则过程830可以发信号通知检测到对象。在一些实施方式中，在优化一个或多个输入的过程中，如果优化算法的两次或更多次迭代之间的一个或多个输入的值的差分变化降到低于一个或多个相应的阈值，因此满足优化程度，则过程830可以发信号通知检测到对象。在一些实施方式中，在优化一个或多个输入的过程中，可以通过一个或多个输入超过一个或多个阈值和/或一个或多个输入的差分变化降到低于一个或多个阈值的组合来检测对象。
由于优化算法的输出通常是未知的，例如，最初，对象具有相对于阵列未知的位置和朝向，因此基于来自优化算法的一个或多个输出的绝对值的检测阈值通常不被考虑用于检测，除非可能验证例如优化的位置和朝向在合理的限制内。例如，如果优化的位置和朝向在合理的限制之外，则不能检测到对象。因此，在过程830的一些实施方式中，在优化一个或多个输出的过程中，如果一个或多个输出的值落在一个或多个范围或限制之外，因此不满足优化程度，则过程830可以发信号通知没有检测到对象的确定。
在过程830的一些实施方式中，在优化一个或多个输出的过程中，如果优化算法的两次或更多次迭代之间的一个或多个输出的值的差分变化低于一个或多个相应阈值，因此满足优化程度，则过程830可以发信号通知检测到对象的确定。例如，如果优化器的阵列位置输出的范数(例如，向量长度)的变化小于指定的量，则优化算法已经收敛，并且检测到对象。
在过程830的一些实施方式中，可以跨所有优化器输出变量(例如，多维向量的欧几里德范数或长度)或者优化器输出变量的一个或多个子集(例如，阵列位置是一个子集，阵列方向是另一子集，以此类推)来计算对向量进行运算以产生向量的标量度量的范数或函数。一个或多个范数可以被归一化和/或线性或非线性地组合，以计算作为优化器的两个或更多个输出的函数的复合范数或标量值。根据先前描述的过程830的实施方式并且在没有限制的情况下，可以用一个或多个范数代替优化器的输出来确定优化程度，并且在没有限制的情况下，单独的检测标准可以与作为优化器输出的一个或多个范数相关联。向量范数可以用作优化器收敛度量，例如，当目标函数包含大量独立变量时。
在过程830的一些实施方式中，范数可以包括应用于产生标量度量的优化输出的向量的任何函数，其可以包括但不限于欧几里德范数(也称为L2范数、l2范数、2范数或平方范数)、曼哈顿范数(也称为1范数、曼哈顿距离、l1范数、l1距离或出租车范数)、p范数、最大范数、复合范数、非对称范数和马哈拉诺比斯(Mahalanobis)距离。
图8B示出说明根据所公开技术的对象成像系统的示例实施例前端子系统850的示例实施例的图，描绘根据图8A所示的方法800的在硬件和软件中可执行的不同功能子系统之间的通信中的数据流和示例变量。
例如，图8B的图描绘了被发送的声学波形(例如，通过支持声波的介质)声学地询问的物理对象851，该声学波形由发送器853A(例如，根据图8A中所示的所讨论的过程810)生成和控制并且由换能器元件阵列852换能。在一些实施例中，换能器元件阵列852包括以连续排列、不连续排列、对称排列、不对称排列、一个或多个换能器分段或子阵列或其他排列组织的换能器元件的排列。在一些实施例中，例如，换能器元件阵列852被包括在单个声学探头单元或设备中；而在一些实施例中，例如，换能器元件阵列852被包括在多个声学探头单元或设备中。此外，根据过程810，返回的回波(例如，反射和/或散射回波)由换能器元件阵列852进行换能，并且由接收器853B进行处理(例如，放大、采样和/或滤波)，接收器853B将数字复数射频(RF)样本存储在一个或多个存储器单元中(例如，在图8B的图中示为RF回波存储器855)，例如，存储器单元可以包括非暂时性计算机可读介质，诸如随机存取存储器(RAM)。与发送器853A生成波形相关联的定时、复用和参数由定序器单元854控制，定序器单元854也与接收器853B进行协调并且进行时基参考通信，使得发送和接收是相干的，例如，根据数字时钟或计时器，在发送之后确定性的且已知的时段之后发生接收。以这种方式，根据相干的发送和接收，存储在RF回波存储器855中的实数或复数或正交数字样本具有已知的定时，例如时间戳和采样率。
图8C示出了说明根据所公开技术的对象成像系统的示例实施例的后端子系统860的示例实施例的图，其描绘了在硬件和软件中可执行并且可操作用于实施所公开的方法(包括图8A所示的方法800)的不同功能的子系统之间的通信中的数据流和示例变量。
图8C的图描绘了图8B的延续，其中如上所述，作为可存储在存储器中的回波样本(例如，数字复数RF样本)的经处理和采样的声学回波可以作为数据被传递到对象波束形成器861，以通过根据本技术的例如实施上述方法800的至少一些过程的对象波束形成算法进行处理。
例如，在参考图8A描述的过程815-830的一些实施方式中，波束形成输出信号(例如，表示非标量波形的数字信号)可以被传递到目标函数862，以生成可优化的(标量)量(例如，积分的对象波束形成回波功率)。例如，优化器863(例如，可由对象波束形成器单元和/或数据处理单元执行的优化器算法)可以使用可优化(标量)量来改变描述阵列模型、对象模型及其相对位置和朝向的变量。例如，由优化器863生成的描述阵列模型、对象模型及其相对位置和朝向(例如，4×4变换)的变量可以被传递到阵列和对象模型生成器864，阵列和对象模型生成器864可以体现为用于修改阵列模型和/或对象模型的算法。在这样的实施方式中，新的或经修改的阵列模型和/或新的或经修改的对象模型可以被传递到对象波束形成器861中，以对对象进行重新波束形成，即迭代地重复对象波束形成过程。得到的波束形成输出信号(例如，优化的或未优化的)可以再次被传递经过目标函数862和优化器863。根据图8A中的过程815-830，优化器的输出可以被传递到对象检测器865，对象检测器865基于所描绘的对象检测标准(例如，阈值、容差、停止标准、优化器收敛度量)来确定是否检测到对象。如果检测到对象，则根据上述过程840，可以在显示对象和参数模块866(例如，用户界面和显示单元)处显示检测到的对象和对象参数的表示。
图8D示出了根据所公开技术的可操作用于实施所公开的方法(包括图8A的方法)的对象成像系统的示例实施例的后端子系统860D的示例实施例的另一图。图8D中的示例后端子系统860D的图提供了图8C所示的后端子系统860的实施例的一些实施方式中的进一步细节。
如(图8D的)图所示，在参考图8A描述的过程815-830的一些实施方式中，可以向对象波束形成器861提供多个输入，以产生(多个)波束形成输出信号。例如，定序器854基于利用例如来自用户的输入和/或自动输入的定序算法来提供定序参数(例如，定时信息、回波信息、采集状态或其他)，所述自动输入诸如是像启动扫描、重新扫描、停止扫描的命令和/或像发送器功率、接收器增益等其他参数。此外，例如，对象波束形成器861(例如，从RF回波存储器855(如图8B所示))接收回波信息，该回波信息包括合成孔径回波，例如包括复数RF样本、解析RF样本、IQ解调RF样本、正交RF样本和/或其他回波样本。波束形成输出信号(例如，对象波束形成回波，其可以是复数回波样本的向量并被数字地表示)可以被传递到目标函数862，以例如基于目标函数参数(示例：积分极限、滤波器系数、权重、阈值等)生成可优化的(标量)量(例如，积分的对象波束形成回波功率、最大振幅或其他)。例如，优化器863(例如，可由对象波束形成器单元和/或数据处理单元执行的优化器算法)可以使用可优化(标量)量来改变描述阵列模型、对象模型及它们的相对位置和朝向(例如，4×4变换)的变量。优化器863使用优化器参数来确定优化变量和/或优化输出，优化器参数例如包括初始猜测结果(诸如第一输出的初始猜测结果)、约束、最大迭代、最大目标函数评估、最小/最大步长、搜索网格或其他参数。例如，由优化器863生成的描述阵列模型和对象模型的变量(诸如可变阵列位置和朝向)可以被传递到阵列和对象模型生成器864，阵列和对象模型生成器864可以体现为用于修改阵列模型和/或对象模型的算法。在这样的实施方式中，新的或经修改的阵列模型和/或新的或经修改的对象模型可以被传递到对象波束形成器861中，以对对象进行重新波束形成，即，迭代地重复对象波束形成过程。得到的波束形成输出信号(例如，优化的或未优化的)可以再次被传递经过目标函数862和优化器863。根据图8A中的过程815-825，优化器的输出可以被传递到对象检测器865，对象检测器865基于对象检测标准(例如，停止标准、容差和/或阈值)来确定是否检测到对象。如果检测到对象，则根据上述过程840，可以在显示对象和参数模块866(例如，用户界面和显示单元)处显示检测到的对象和对象参数的表示。此外，对象检测器865能够向显示对象和参数模块866提供优化的变量(例如，对象参数、对象位置和朝向信息)以产生图像。所产生的图像也可以用于对象模型的更新或修改，例如，其中阵列参考系中的对象几何形状(例如，(多个)三角化表面、(多个)面、一个或多个顶点、(多个)法线、(多个)面积、(多个)纹理和/或(多个)渲染)和/或阵列几何形状信息可以从显示对象和对象参数模块866提供到阵列和对象模型生成器864。
类似于图1、图7和图8A-图8D所示的和/或贯穿本专利公开所讨论的合成孔径声学成像系统的实施例的示例特征可以包括以下内容。
在一些实施例中，例如，一种用于对对象的散射特性进行成像的声学成像系统，该对象包含在具有不同于该对象的声学阻抗的介质内，包括：(i)换能器元件阵列，可操作用于通过形成系统的合成孔径来发送、接收和/或发送和接收声学信号；(ii)发送器和接收器电路，耦合到换能器元件阵列，并且被配置为产生和/或处理将由阵列的(多个)选定的发送换能器元件换能和发送的发送声学波形(例如，数字信号)，并且被配置为将接收的声学回波(在(多个)选定的接收换能器元件处接收的)转换成表示声学回波波形的数字信号；(iii)数字波束形成器单元，可操作用于存储和/或生成对象模型，并且基于阵列几何形状和对象模型几何形状来计算延迟和权重，并且根据计算的延迟和权重来生成从对接收的回波进行波束形成中导出的数字信号；(iv)数据处理单元，包括处理器和存储器以作为系统的数据处理和控制单元进行操作，其被配置为控制发送和接收排序，并且被配置为控制波束形成器单元，以便基于由波束形成器产生的数字信号来确定表面属性；(v)以及显示单元，可操作用于基于由数据处理单元确定的位置、朝向和表面属性的再现来产生对象的图像。
在用于对对象的表面反射特性进行成像的声学成像系统的一些实施例中，例如，数字波束形成器单元被配置为计算从每个发送器位置到模型上的点并回到每个接收器位置所确定的延迟；根据入射向量、反射向量、接收向量、换能器法向量、对象面法向量和/或与复数反射率相关的关于对象的先验信息来计算镜面散射、声场方向性和复数反射率的权重；以及在对经延迟和加权的回波求和以产生单个波束形成回波之前，将计算的延迟和计算的权重应用于存储的回波。
在一些实施例中，一个或多个波束形成回波利用额外的分析和滤波来处理，包括但不限于有限冲激响应滤波器、无限冲激响应滤波器、低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、匹配滤波器、自相关、互相关、包络检测、解调、维纳滤波器、非线性滤波器、因果滤波器、非因果滤波器、数字滤波器、频域滤波器、时域滤波器、主分量分析、小波分析、傅立叶变换、滤波器组、时频分析、循环平稳分析、奇异值分解、特征分解、交错分解、偶数/奇数分解、自适应滤波器、插值器、去卷积滤波器、逆滤波器和神经网络。
例如，在用于对对象的反射特性进行成像的声学成像系统的一些实施例中，数据处理单元被配置为在时间窗口上对波束形成器回波功率进行积分，并且对应用于作为波束形成器的输入的阵列元件位置和法向量的变换进行优化，以便最大化在时间窗口上积分的波束形成器回波功率。
例如，在用于对对象的反射特性进行成像的声学成像系统的一些实施例中，显示单元被配置为根据优化的变换的逆变换而在阵列的参考系中可视化对象。
在该系统的一些实施例中，例如，换能器元件阵列包括在空间上与对象分离(例如，位于对象附近)的一个或多个发送器换能器元件和一个或多个接收器换能器元件。在一些实施例中，例如，一个或多个发送器换能器元件和一个或多个接收器换能器元件完全或至少部分地围绕对象。
在该系统的一些实施例中，例如，换能器元件阵列包括至少三个换能器元件，该三个换能器元件产生对象的至少三个单站反射样本和至少三个双站反射样本，使得样本在对象表面上显著分离。
在该系统的一些实施例中，例如，换能器元件阵列包括阵列几何形状，该阵列几何形状被配置为产生对象的至少六个独立的单站或双站反射样本，使得样本在对象表面上显著分离。
在该系统的一些实施例中，例如，对象模型包括近似对象的顶点和面，其中面不大于一个声学波长分辨率。在一些实施例中，例如，这些面具有一半或更小的声学波长分辨率。
在该系统的一些实施例中，例如，对象模型包括点和与每个点相对应的表面法向量，这些点和表面法向量以至多一个波长的声学分辨率近似对象。在一些实施例中，例如，这些点和与每个点相对应的表面法向量以小于一半的声学波长的分辨率近似对象。
在该系统的一些实施例中，例如，除了点和表面法向量之外，对象模型还由与该点处的表面的主(major)曲率和次(minor)曲率相关的表面曲率参数组成。
在该系统的一些实施例中，例如，对象模型由面和面法线组成。
在该系统的一些实施例中，例如，对象模型由顶点和顶点法线组成。
在该系统的一些实施例中，例如，对象模型由面和面法线以及顶点和顶点法线组成。
在该系统的一些实施例中，波束形成器内所使用的对象点和法线是表示整个对象的点和法线的子集。
在该系统的一些实施例中，例如，波束形成器单元被配置为计算从换能器元件1到模型上的面或点并回到换能器元件1的第一时间延迟。
在该系统的一些实施例中，例如，波束形成器单元被配置为计算从换能器元件1到模型上的面或点并回到换能器元件2的第二时间延迟。
在该系统的一些实施例中，例如，波束形成器单元被配置为基于换能器元件1的法向量、从换能器元件1到模型上的面或点的入射向量、来自模型上的面或点的反射向量、以及从模型上的点或面到换能器元件1的接收向量来计算第一加权因子。
在该系统的一些实施例中，例如，波束形成器单元被配置为基于换能器元件1的法向量、从换能器元件1到模型上的面或点的入射向量、来自模型上的面或点的反射向量、从模型上的点或面到换能器元件2的接收向量以及换能器元件2的法向量来计算第二加权因子。
在该系统的一些实施例中，例如，发送发生在阵列的换能器元件1上，随后的接收发生在阵列的换能器元件1和换能器元件2上，并且根据第一延迟和第一加权因子对在换能器元件1上接收的回波进行延迟和加权，并且根据第二延迟和第二加权因子对在换能器元件2上接收的回波进行延迟和加权，并且在波束形成器中将经延迟和加权的回波相加在一起，从而产生单个波束形成回波输出信号。
在该系统的一些实施例中，例如，发送发生在阵列的换能器元件1上，并且在延迟之后，发送发生在阵列的换能器元件2上，使得延迟基本上小于从换能器元件1到对象上最近的点再回到换能器元件2的往返时间。
在该系统的一些实施例中，例如，为模型上的多个面或点确定的多个经加权和延迟的回波各自对单个波束形成回波输出信号有贡献。
在该系统的一些实施例中，例如，通过应用由优化算法确定的齐次变换来改变阵列的多个换能器元件的坐标及其对应的法向量，以便最大化在与接收回波的中心频率和带宽成反比的时间窗口持续时间内的所述波束形成器单回波信号的积分功率。
在该系统的一些实施例中，例如，通过使用所述优化的变换的逆变换变换其坐标，来相对于阵列的坐标系在显示器上呈现在波束形成器单元内使用的对象模型或对象的等效表示。
在该系统的一些实施例中，例如，对象的声学阻抗显著不同于周围介质，从而产生从多个发送器和接收器位置可观察到的单站镜面反射和双站镜面反射。
在该系统的一些实施例中，例如，该系统可操作以使得发送事件发生在阵列的换能器元件组上，每个换能器元件组具有单独的延迟，使得发送看起来是从空间中的单个点发出的。
在该系统的一些实施例中，例如，该系统可操作以使得接收事件发生在阵列的换能器元件组上，其中每组换能器元件分开进行波束形成，以便生成单个回波，就好像接收器位于空间中的单个点一样。
在该系统的一些实施例中，例如，该系统可操作以使得发送波形的中心频率基本上小于5MHz。
在该系统的一些实施例中，例如，发送波形的中心频率在换能器的带宽上是可调整的，以可操作用于通过降低优化对阵列的位置和朝向的灵敏度来辅助阵列位置和朝向的所述优化。
在该系统的一些实施例中，例如，发送波形的带宽在换能器的带宽上是可调整的(例如，从10％到100％)，以可操作用于通过降低优化对阵列的位置和朝向的灵敏度来辅助阵列位置和朝向的所述优化。
在该系统的一些实施例中，例如，该系统可操作以使得发送波形的中心频率和/或带宽可以增加，以改善对象的空间定位。
在该系统的一些实施例中，例如，该系统可操作以使得特定的发送波形或波形类型可以被发送以改善对象的空间定位，改善回波的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)，和/或拒绝干扰源，例如，调频波形、调相波形、正交频分复用(orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)波形、直接序列扩频(direct-sequence spread spectrum，DSSS)调制波形、伪随机噪声波形、伪随机二进制序列波形、最大长度序列波形、二进制编码波形、互补波形、任意编码序列波形、范围可压缩波形、任意波形等。
在该系统的一些实施例中，从不同的源同时发送多个不同的波形，例如正交波形、编码波形和具有不同频率和/或带宽和/或时间带宽积和/或持续时间的波形。
在该系统的一些实施例中，在不同的时间从不同的源发送多个不同的波形，例如正交波形、编码波形和具有不同频率和/或带宽和/或时间带宽积和/或持续时间的波形。
在该系统的一些实施例中，在不同的时间从相同的源发送多个不同的波形，例如正交波形、编码波形和具有不同频率和/或带宽和/或时间带宽积和/或持续时间的波形。
在该系统的一些实施例中，例如，对对象实时地重复定位，使得对象相对于阵列的运动可以在显示单元上可视化。
在该系统的一些实施例中，例如，由对象成像器产生的对象的位置和朝向坐标被传送以供单独的系统使用。
在该系统的一些实施例中，对象成像器输出包括对象检测的质量的估计。
在该系统的一些实施例中，对象成像器可操作用于对多个对象进行波束形成。
在该系统的一些实施例中，对象成像器可操作用于对对象的特定特征进行波束形成。
在该系统的一些实施例中，对象成像器可操作用于对一个以上对象的特定特征进行波束形成。
在该系统的一些实施例中，对象成像器可操作用于定位对象的多个特征，使得特征之间的距离和角度可以被量化。
在该系统的一些实施例中，对象成像器可操作用于定位多个对象上的特征，使得可以确定特征之间的距离和角度。
在美国专利第9844359号中描述了用于合成孔径声学成像的合成孔径系统和方法的其他示例，其可用于实施根据本技术的波束形成对象成像技术，该专利出于所有目的通过引用而并入作为本专利文档的公开内容的一部分。例如，本文描述的合成孔径对象成像系统和子系统的任何示例性实施例(包括但不限于图1E、图7、图8B、图8C和/或图8D的系统)可以包括和/或采用美国专利第9844359号中描述的设备、系统和方法的一个或多个特征，包括结构特征和/或功能特征。
来自所公开的SAOI技术的示例实施例的进一步讨论和示例数据
因为声学成像中的传统限制不适用于所公开的SAOI技术，所以可以预见，来自所公开的用于图像形成、空间采样要求和空间分辨率的合成孔径对象成像(SAOI)系统和方法的实施方式的新优势和益处是深远的。利用规则采样的平面阵列的传统合成孔径成像是明确定义的。这种合成孔径阵列的远场空间响应可以被近似为发送和接收阵列的卷积的傅立叶变换。空间响应(例如，方位角或仰角中的响应)通常根据波束特性(例如，主瓣宽度、旁瓣高度、景深、菲涅耳距离等)来表征。应用于发送或接收孔径的切趾函数(例如，窗口)修改波束特性，也修改波束形状参数。应用于这种孔径的发送和/或接收的聚焦延迟用于将远场响应带入近场，这也修改光束形状参数。例如，波束宽度通常被定义为与波长乘以f数(f-number)成比例，其中f数被定义为焦距除以有效孔径尺寸(例如，在合成孔径的情况下，有效孔径尺寸可以大于物理孔径尺寸)。当考虑高度聚焦和光束引导时，这种孔径的元件间隔也很关键。当光束被聚焦和引导以避免栅瓣(其也可以针对给定阵列来表征)时，(例如，定义阵列间距的)至少一半波长采样要求是关键的。
所公开的SAOI系统和方法在阵列间距(array pitch)上没有这些或类似的限制，因为栅瓣能量对于具有有限体积的对象几乎总是非相干的，即，由于任何具有有限体积的对象必须具有的至少一些凸面和有限尺寸，栅瓣能量往往在不可观察的方向和/或远离对象本身的方向上被散射到别处。这个特征极其有用，例如，因为它实现了稀疏的合成孔径、较低的通道计数和用于对对象进行成像的廉价系统。另外，稀疏孔径不需要规则地采样，这用于进一步抑制波束形成过程中的栅瓣能量。另外，利用被建模为不规则采样的表面的对象所形成的稀疏孔径用于进一步抑制波束形成过程中的栅瓣能量。
在传统的合成孔径成像中，当回波在空间网格上被相干波束形成并形成图像时，定义发送和接收上的波束特性的所有因子都影响空间中点散射体的外观，例如，空间响应被表征为点扩展函数(point spread function，PSF)。PSF可以是非相干的，例如，当对点散射体波束形成合成孔径回波时，对波束形成回波进行包络检测，以去除所有相位信息，并且针对空间中散射体的给定定位来存储包络的峰值，而不管峰的范围或散射体的范围如何。然后，(例如，在点散射体位置的网格上)映射得到的非相干场幅度以形成波束图表或波束图样，波束图表或波束图样往往是针对给定阵列而测量和/或仿真的，以表征其性能。
在传统的合成孔径成像中，PSF也可以是相干的，例如，当合成孔径回波没有被波束形成时，它们作为时域回波被留下。以这种方式，PSF表示点散射体的空时响应，其对于每个发送器-接收器对可能非常不同，因为保留了所有的空间和时间信息。换句话说，与如上所述的波束形成和非相干求和的波束响应相比，在给定孔径的空时响应中存在多得多的信息。现有技术的成像系统利用这种相干信息来改善分辨率、散斑减少和对比度方面的成像性能，例如，通过针对已知的空时响应的集合合成多个相位相干波前来改善，这具有减少相位非相干分量(例如，对应于旁瓣和栅瓣)和强调相位相干信息(例如，对应于主瓣)的效果。
所公开的SAOI系统和方法并不严格地具有PSF，除非在对象变成点靶标的极限情况下，而这对于具有有限体积的对象是不可能的。考虑近似为点散射体集合的对象(见下面的扩展讨论)，对于给定的发送器和接收器对，对每个散射体贡献的PSF求和(假设线性声学和叠加)；得到的量不再是PSF，代替的是，对象扩展函数(object spread function，OSF)是描述该量的更适当的术语。因此，针对给定对象，合成孔径中每个发送器/接收器对的OSF是该对的PSF之和。因此，得到的给定合成孔径阵列的OSF是与孔径内所有发送-接收对相对应的OSF集合。给定合成孔径的一个可能的OSF可以被定义为所有接收的合成孔径回波的集合，每个接收的合成孔径回波对应于不同的发送元件，例如，来自对象的合成发送孔径(synthetic transmit aperture，STA)回波的集合是孔径的OSF。OSF的另一种可能的定义可以包括由一个或多个发送元件和一个或多个接收元件形成的所有可能的合成孔径回波。OSF的另一种可能的定义可以包括由对象上一个或多个点的所有可能的组合、一个或多个发送元件的所有可能的组合以及一个或多个接收元件的所有可能的组合形成的所有可能的合成孔径回波。可能的组合数量事实上是无限的。所公开的SAOI技术提供了一种新颖方式来描述被认为具有广泛且深远的影响的成像系统。
所公开的SAOI系统和方法可以利用从阵列的一个或多个元件到对象并回到阵列的一个或多个元件的空时响应，并且该空时响应是OSF。例如，OSF取决于对象的形状、对象的物理属性、介质的物理属性、其相对于发送和接收阵列元件的朝向、发送和接收元件的形状、尺寸和几何形状以及声波的衍射和传播。
对象扩展函数(OSF)的定义可以用于量化所公开的合成孔径对象成像系统和方法的空间分辨率。空间分辨率是取决于精度定义的成像系统的主观特性。一个常用的定义是半峰全宽(full-width half maximum，FWHM)或-6dB幅度宽度，或等效的-3dB功率宽度。如上所述，传统成像系统的衍射受限空间分辨率与f数乘以波长成比例。(例如，使用上述相干PSF测量的)时空分辨率往往被定义为与发送脉冲长度(或编码波形的压缩脉冲长度)成比例，而发送脉冲长度又与波长除以分数带宽成比例。所公开的SAOI系统的f数难以定义，因为合成孔径是利用对象形成的。例如，忽视对象对f数的影响(为了论证起见)，如果孔径围绕对象，那么对象上的点的有效f数可以相当小，使得对象上的点在传统意义上具有非常高的衍射受限空间分辨率(例如，PSF)。以这种方式，所公开的SAOI系统和方法本质上可以被视为断层扫描，并且已知断层扫描系统可以实现高空间分辨率。更进一步，通过考虑利用对象形成的孔径的扩展，孔径的更多部分通过双站反射询问对象上的点，因为孔径的更多部分对于每个点是可见的。得到的更大的有效孔径进一步减小有效的f数，并且增加传统意义上对象上的点的衍射受限空间分辨率(例如，PSF)。不难看出，传统意义上对象上的点的衍射受限分辨率可以比使用断层扫描孔径的波长小得多。
以上可以进一步采取额外的步骤。考虑给定的对象孔径系统在一个朝向上的OSF，并且只有合成孔径回波是可观测的，例如，对象孔径系统的OSF是被定义为OSF0的合成孔径数据集。现在考虑针对同一对象孔径系统测量的第二个OSF，但是在对象与孔径之间有小的6DoF扰动(例如，位移)(称为OSF(d))。OSF(d)将与OSF(0)不同，并且不同的程度取决于许多因素，包括孔径和对象的所有方面、波长、带宽、以及如何将差异量化为OSF(0)和OSF(d)的函数(例如，OSF(0)和OSF(d)的线性和/或非线性组合、互相关、求和等)以量化相似度。空间分辨率的一个定义可以被公式化为2d，使得对于一个或多个空间维度中的扰动d，|S(OSF(0),OSF(d))|＝0.5，其中返回以回波振幅为单位的标量值的函数S确定两个合成孔径回波集合之间的相似度。得到的2d的值相对于波长可以非常小，至少是使用基本上包围对象的孔径的一半波长，与干涉仪可以分辨非常小的位移的方式相同。
所公开的SAOI系统和方法可以被视为考虑了从阵列到对象并回到阵列的所有可能的往返路径的多路径声学干涉仪，其使得所公开的合成孔径对象成像系统和方法对于小位移极其敏感并且用于定位空间中的对象。例如，图6所示的示例结果示出了对于非断层扫描孔径的小位移的潜在灵敏度。
在一些实施方式中，例如，SAOI系统的示例实施例的对象波束形成器以与上述函数S类似的方式工作，例如，测量的相干OSF是输入(例如，合成孔径回波)，阵列的模型是输入(例如，阵列模型)，对象的模型是输入(例如，对象模型)，介质是输入(例如，声速，通常假设为常数)，并且阵列相对于对象的相对朝向是输入(即，如上的d或6DoF坐标或4×4变换矩阵)，并且计算作为d的函数的输出(例如，对象波束形成回波)以便最大化输出的一些度量(即，积分的对象波束形成回波功率)。以这种方式，对象波束形成器可以用于估计对象成像系统的空间分辨率。例如，给定从已知位置的对象记录的合成孔径回波集合(例如，OSF)，对象波束形成器对对象(或阵列)在一个方向上远离已知位置的位移的响应给出了该方向上的空间分辨率的度量(例如，实现一半最大功率所需的位移)。这种空间分辨率度量的一个示例可以从图6所示结果的峰宽度中推导出，其大致是该仿真问题的一半波长(同样，它不是断层扫描孔径)。
在前述关于对象波束形成器的讨论和描述中，已经清楚地表明了对象波束形成器尝试将合成孔径观察值与问题模型相匹配。不失一般性地，例如，这仅仅是使用合成孔径的对象检测和定位问题的一种可能的构想，并且其他构想是可能的，例如，在最大似然估计理论或其他估计和/或检测理论的框架内的其他构想是可能的。然而，替代构想的基础、原理和目标仍然是相同的，并且这种构想不能逃脱利用对象形成合成孔径作为检测和定位所述对象的手段的新颖概念。
可以通过近似所述对象和换能器元件阵列来仿真对象的声学发送/接收响应，例如，将对象和阵列表示为点靶标、点源和点接收器的集合。以这种方式，对对象进行空间采样。理想情况下，对象和阵列的空间样本极小，以便生成最佳近似。计算考虑要求空间样本是有限的，并且基于仿真和实验大致在一个波长的数量级，但是对于给定的对象和阵列几何形状，很难定义确切的要求。在一些示例实施方式中，可以使瑞利-索末菲积分的数值积分准确地收敛在孔径的近场中(例如，使用快速近场方法)，或者可以应用空间冲激响应方法来计算对象的空间冲激响应，然后可以将该空间冲激响应与时域发送/接收响应进行卷积。同样，当对对象进行波束形成时，对象的类似空间采样要求适用，例如，用于准确地仿真来自对象的回波的空间采样要求也需要对来自对象的回波进行对象波束形成。因此，所公开的SAOI系统和方法的空间采样要求被宽泛地定义为：(i)获得足够数量的空间样本以确定描述阵列、对象及其关系的一个或多个未知参数，即，至少需要与未知量一样多的独立测量，以及(ii)用于确保对象本身的足够空间采样，以便(例如，根据用于近似所述对象的发送/接收响应的已建立的数值方法)利用离散的且计算上可行的散射过程来近似模拟散射过程。
执行包括概念验证实验的示例实施方式，以展示所公开的SAOI方法的某些方面、特征和能力。在下面描述的示例中，SAOI方法的示例实施方式用于在三维空间中定位两个不同的对象，第一个对象具有三个自由度，第二个对象具有六个自由度，这是使用商业超声成像硬件和现成的计算平台来执行的。示例实施方式中使用的硬件包括使用VerasonicsUTA 1024-MUX适配器(Verasonics，Inc.，Kirkland，WA)与Vermon 3MHz 32×32矩阵阵列探头(Verasonics，Inc.，Kirkland，WA)对接的Verasonics Vantage 256研究超声系统(Verasonics，Inc.，Kirkland，WA)、1个UR10机器人手臂(Universal Robots A/S，Odense，Denmark)以及包含NVIDIA Quadro P620 GPU(NVIDIA Corp.,Santa Clara,CA)的DellPrecision Tower 7920工作站(Dell,Inc.,Round Rock,TX)。
机器人手臂被编程为在装满温度受监控的蒸馏水的50加仑储水罐中操纵对象。声能通过储罐侧面的薄TPX塑料声学窗口耦合并指向对象。使用定制的保持器来保持探头静止抵靠声学窗口。将Aquasonic 100耦合凝胶(Parker Laboratories，Inc，Fairfield，NY)应用于探头，以提供进入TPX窗的声学耦合。软件用MATLAB vR2019b(MathWorks，Inc.，Natick，MA)、Microsoft Visual Studio Community 2019(Microsoft Corp.，Redmond，WA)和CUDA v10.1 GPU(NVIDIA Corp.，Santa Clara，CA)中编写，并且在Windows 10操作系统(Microsoft Corp.，Redmond，WA)环境中执行，以协调数据采集和处理。
矩阵阵列探头包括标称中心频率为3MHz、标称分数带宽为50％的可在四个8×32元件子阵列(例如，4个256元件的子阵列)中寻址32×32元件阵列(例如，总共1024个元件)。阵列的元件间距为0.3mm×0.3mm(例如，在c＝1500m/s时为0.6倍波长，因此大致为相控阵列)，其中在仰角上有三个无源行，使得阵列孔径尺寸在仰角上为10.5mm、在方位角上为9.6mm。
超声系统被编程为在16个元件上发送30伏峰到峰的宽带单周期脉冲，其中元件如图9所示稀疏地排列在32×32网格内的4×4网格上，其中元件位置标有“o”，并且稀疏孔径位置标有“x”且编号也是从1到16。
图9示出了描绘在示例对象波束形成器中使用的示例完全阵列几何形状和4×4稀疏阵列几何形状的图。
每次发送时一次性在256个元件上接收回波，这需要每个发送元件4次发送以覆盖所有1024个接收元件上的接收。4到1复用是支持的UTA 1024-MUX适配器，其将所有1024个元件对接到超声系统上的256个发送/接收通道。总共需要64次发送来以6.41kHz的脉冲重复频率(pulse-repetition-frequency，PRF)形成具有16元件稀疏孔径的完全合成发送孔径(STA)。
接收的回波在以35.7143MHz进行的14位ADC采样之前被限制带宽为5MHz，利用23抽头低通滤波器进行FIR滤波(在4.885MHz处为-3dB点)，以3至11.9048MHz的因子进行抽取，并且在存储为1024个16位带符号的整数样本乘以256个回波的2D阵列(包括4×4稀疏孔径的完全STA)之前，再次利用41抽头带通滤波器进行FIR滤波(在1.488MHz和4.464MHz处为-3dB点)。只有与发送元件相对应的接收回波被保留用于处理，从而导致每次完整的STA采集总共有256个回波。
对冗余的往复(reciprocal)回波直接进行求和(如上所述)，以便减少数据量和处理量，这导致1024个带符号的整数样本乘以136个回波的2D阵列，包括4×4稀疏孔径的完全特有STA数据集。在波束形成之前，将回波转换成浮点型，并且以因子3进行上采样，以恢复35.7143MHz的原始采样率。
调查了两个对象：(i)直径为6.35mm的钢球，和(ii)复杂对象，包括排列在直径大致为5cm的螺旋上的八个直径为6.35mm的钢球。该复杂对象由于只有一个超声波探头可用于检验而由多个球体组成。多个球体有效地仿真了使用从不同对象周围的多个有利位置指向的多个探头，例如，从探头的面看出去，可观察到八个独立的球体，就好像围绕不同类型对象的八个探头从八个不同方向观察对象上的八个独立定位一样。两个对象都是通过3D打印塑料结构来构造的，该塑料结构的支柱顶部有6.35mm直径的杯状物，以接收标称直径为6.35mm的用船用环氧树脂粘合在适当位置的钢支座。
球体对象被建模为由5804个三角形和2904个顶点组成的三角化表面，如图10所示。三角形的平均边长为0.2148mm(标准偏差为0.0226mm)，其小于大致为0.25mm的半波长值。三角形大致是等边的。同样，复杂对象被建模为使用23232个顶点和46432个三角形建模的八个球体，如图11所示。对象被以阵列存储在GPU上，该阵列包含顶点、从相邻面平均的顶点法线以及从相邻面平均的归一化有效顶点面积。另外，通过4×4变换矩阵而修改的4×4稀疏阵列元件位置也被存储在GPU上。
图10示出了示例对象波束形成器中使用的球体对象模型的示意图。
图11示出了示例对象波束形成器中使用的复杂对象模型的示意图。
这些对象被机械地固定在机器人手臂上，并且被放入储罐中。由每个对象模型的坐标系确定的每个对象的有效中心位置被编程为处于机器人工具参考系中的原点。例如，球体对象模型的中心位置处于(x,y,z)坐标(0,0,0)，因此，将适当的偏移添加到机器人的末端执行器位置，以将工具中心位置居中在球体的中心。机器人工具位置的坐标与对象的100个随机选择的独立位置(例如，球体对象的100个随机XYZ位置和复杂对象的100个随机6DoF位置(例如，XYZ角和三个欧拉角))的RF超声学回波一起被记录。对于复杂对象，随机生成的EAX角和EAY角被设置为与额外的一致性检查相同的值。由于机器人内控制系统的性质，生成了命令位置和实际位置两者。实际位置是机器人手臂上6个关节中的每个关节的位置编码器的函数，因此是对象的空间位置的测量值。机器人的实际位置被用作试验中的测量位置，其可能与命令位置略微不同，这取决于本展示范围之外的许多因素。
图12A和图12B示出了分别为球体和八球体复杂对象记录的4×4稀疏阵列的示例完全特有STA RF回波。为了显示的目的，对单站回波求和两次，以保持与两次求和的双站回波相似的振幅，将前300个样本消隐以忽略发送脉冲干扰，从而产生大小为3072个样本×136个回波的阵列，如图所示(例如，35.7143MHz采样率)。灰度指示以按比例缩放的ADC为单位的范围从-500至500的回波振幅(例如，单元接收切趾的最大范围是-16384至+16382)。在图12(a)中，在样本范围2100-2160附近观察到来自钢球表面的回波，其对应于在22.75℃储罐温度下估计声速为1491m/s的43.8-45.1mm的深度范围。同样，在图12(b)中，从样本范围1740附近开始观察来自复杂对象表面的回波，其对应于20.0℃储罐温度下估计声速为1482m/s时的36.1mm深度。注意，与球体对象相比，复杂对象的回波要复杂得多。
在为GPU编码的对象波束形成器函数中使用对象模型、阵列模型和RF回波，目标函数是基于在35.7143MHz下跨越23个样本的时间窗口上的积分的对象波束形成回波功率(例如，以0.028微秒的增量从-0.308到0.308微秒)来建立的，从而得到标量值。在对象波束形成器内，影响输出的参数包括镜面指数值4(例如，p＝4)、发送方向性指数1(例如，qt＝1)和接收方向性指数值1(例如，qr＝1)。对于对象的每个试验位置，使用蒙特卡罗优化器求解对象的位置，例如，球体的XYZ位置，以及复杂对象的由XYZ和三个欧拉角组成的6DoF位置。使用众所周知的Kabsch算法来估计将机器人参考系中测量的机器人工具位置与阵列参考系中的SAOI估计位置相关联的最小均方根误差(least root mean square error，LRMSE)变换，并且以阵列参考系来报告对象和机器人的坐标以便于解释。
图13示出了球体对象的100次位置试验的示例结果，其中SAOI估计位置标为“x”，并且机器人位置标为“o”。注意，第一次试验中每个维度的检验范围大致为±5mm。复杂对象的误差统计分析如表1所示。注意，位置误差大致为零均值，并且RMS值远小于数据收集期间在声速下的0.494mm的波长值。将机器人参考系与阵列参考系相关联的估计变换的RMS误差为0.16mm。注意，机器人坐标在内部参考机器人基点处的坐标系，机器人基点距离储罐中对象的工具中心位置超过1米。使用参考测量设备(例如FaroArm)进行非常仔细的测量可能会确定机器人可能是重要的误差源，因为它声称具有±0.1mm的位置重复性。
表1球体对象的100个位置的误差分析
| 坐标 | RMS误差 | 均值误差 | 中值误差 |
| X | 0.072mm | -0.001mm | 0.009mm |
| Y | 0.126mm | 0.020mm | -0.001mm |
| Z | 0.070mm | -0.006mm | -0.011mm |
复杂对象的100个位置试验的示例结果如图14(a)中针对XYZ位置所示和图14(b)中针对欧拉角EAX、EAY和EAZ所示，其中SAOI位置标为“x”，并且机器人位置标为“o”。注意，从第一次试验开始，每个维度的检验范围大致为±8mm和±5度。复杂对象的误差统计分析如表2所示。
为了检查两个自由度上的机器人测量值和SAOI估计位置的一致性，例如，针对机器人和针对估计位置比较了EAY坐标和EAZ坐标(在试验中设置为相等)。换句话说，针对机器人和针对SAOI测量位置比较了EAY与EAZ之间的RMS误差，并且在表3中总结了结果。注意，机器人的RMS误差大致占SAOI误差的60％，至少对于EAY和EAZ是如此。
表2复杂对象100个位置的误差分析
| 坐标 | RMS误差 | 均值误差 | 中值误差 |
| X | 0.279mm | 0.094mm | 0.088mm |
| Y | 0.306mm | -0.221mm | -0.189mm |
| Z | 0.192mm | 0.007mm | -0.008mm |
| EAX | 0.101度 | 0.138度 | 0.138度 |
| EAY | 0.162度 | -0.290度 | -0.284度 |
| EAZ | 0.204度 | -0.043度 | -0.023度 |
对于该示例实施方式，该误差，尽管比单个球体对象更显著，但是考虑到求解六个未知自由度的显著更大的复杂性，它是合理的。多种因素可能对误差有贡献，包括但不限于：定义复杂对象的工具中心位置的误差、机器人的可重复性误差、多个回波的叠加、6DoF参数空间中许多附近局部最大值的存在、以及复杂对象内球体放置的不准确性。尽管如此，对于很宽范围的位置和角度，大小跨越接近50mm的复杂对象成功地定位在大约35mm的距离处。考虑到相对较小的4×4稀疏孔径仅由16个元件组成且跨越小于10mm×10mm，示例结果特别令人印象深刻。示例SAOI方法的实施方式中的修改可以用于提高性能。
表3测量的机器人位置和SAOI估计位置两者的EAY和EAZ一致性分析
| 坐标 | 机器人RMS误差 | SAOI RMS误差 |
| EAY-EAZ | 0.168度 | 0.273度 |
示例
在根据本技术的一些实施例中(示例A1)，一种断层扫描合成孔径声学成像系统包括：换能器元件阵列，可操作用于对对象发送、接收和/或发送和接收声学信号，其利用对象形成声学成像系统的合成孔径，其中声学信号包括发送的声学信号和接收的从对象返回的声学回波；对象波束形成器单元，包括一个或多个处理器和一个或多个存储器，并且被配置为(i)根据换能器元件阵列相对于对象模型的位置、朝向和/或几何形状来针对对象的一个或多个区域对对象进行相干波束形成(例如，其中对象模型包括表示对象的表面的信息)，以及(ii)产生数字格式的一个或多个波束形成输出信号，该一个或多个波束形成输出信号包括从对声学回波进行波束形成中得到的关于对象的一个或多个区域的空间信息；数据处理单元，包括处理器和存储器，与对象波束形成器单元和换能器元件阵列通信，并且被配置为(i)处理一个或多个波束形成输出信号，以产生与一个或多个波束形成输出信号相关联的至少一个标量输出，(ii)处理至少一个标量输出，以产生与换能器元件阵列和/或对象模型相关联的优化参数，(iii)指示对象波束形成器利用更新的与换能器元件阵列和/或对象模型相关联的优化参数对对象进行重新波束形成，以产生更新的一个或多个波束形成输出信号，以及(iv)通过(a)将至少一个标量输出与阈值进行比较、(b)将至少一个标量输出的差分变化与阈值进行比较、和/或(c)将至少一个优化参数和/或至少一个优化参数的差分变化与阈值进行比较来检测对象；以及显示单元，可操作用于基于由数据处理单元确定的对象相对于阵列的坐标系的位置、朝向、几何形状和/或表面属性的再现来产生对象的图像。
示例A2包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，包括发送器和接收器电路，该发送器和接收器电路耦合到换能器元件阵列，并且被配置为(i)产生和/或处理作为数字信号的发送声学波形，以由阵列的一个或多个选定的发送换能器元件进行换能和作为一个或多个声学波形发送，以及(ii)将在阵列的一个或多个选定的接收换能器元件处接收的声学回波转换成表示声学返回回波波形的数字信号。
示例A3包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，由数据处理单元产生的至少一个标量输出包括从积分功率、峰功率、峰振幅、峰幅度、均方根振幅、均方根幅度、平均振幅、平均幅度、峰到峰振幅、峰自相关幅度、峰自相关振幅、频谱带宽或频谱中心频率中的一个或多个中推导出的波束形成回波的定量值。
示例A4包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，由数据处理单元产生的至少一个标量输出包括通过以下方式导出的波束形成回波的定量值：(i)使用平均绝对差、平均欧几里德距离、平均编辑距离、峰互相关幅度或峰互相关振幅、峰卷积幅度、峰卷积振幅、峰相干性和峰幅度平方相干性中的一个或多个将接收的从对象返回的声学回波与存储的回波进行匹配；其中存储的回波是从经校准的来自对象的波束形成回波、测量的来自对象的回波、测量的发送冲激响应、测量的接收冲激响应、发送/接收冲激响应、系统冲激响应、发送波形、与自身卷积的发送波形、经滤波的发送波形、解析发送波形、加窗的发送波形、解调的发送波形、数学定义的发送波形或数学定义的系统冲激响应中的一个或多个中推导出的。
示例A5包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，数据处理单元被配置为通过将至少一个标量输出与阈值进行比较并且基于一个或多个优化参数的收敛满足一个或多个阈值来检测对象。
示例A6包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为(i)基于换能器元件阵列的几何形状和对象模型来计算延迟和权重，以及(ii)生成与产生的一个或多个波束形成输出信号相对应的数字信号，该一个或多个波束形成输出信号是从根据计算的延迟和权重对声学回波进行波束形成中得到的。
示例A7包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，数据处理单元或对象波束形成器单元被配置为生成包括两次或更多次迭代的优化，以产生与对象的两个或更多个波束形成回波相对应的一个标量输出中的两个或更多个标量输出，使得可以选择一个标量输出中的两个或更多个标量输出中的较优者，该对象的两个或更多个波束形成回波对应于描述阵列和/或对象的两个或更多个参数集。
示例A8包括根据示例A7和/或示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，当优化在与对象的两个或更多个重新波束形成回波相对应的一个标量输出中的两个或更多个标量输出中产生低于阈值的不显著变化时，检测到对象，该对象的两个或更多个重新波束形成回波对应于描述阵列和/或对象的两个或更多个参数集。
示例A9包括根据示例A7和/或示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，当优化在两个或更多个参数集和/或描述阵列和/或对象的两个或更多个参数集的函数中产生低于阈值的不显著变化时，检测到对象，该描述阵列和/或对象的两个或更多个参数集对应于对象的两个或更多个重新波束形成回波。
示例A10包括根据示例A9和/或示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，应用于两个或更多个参数集的函数包括欧几里德范数、曼哈顿范数、p范数、最大范数、复合范数、非对称范数和马哈拉诺比斯(Mahalanobis)距离中的一个或多个。
示例A11包括根据示例A9和/或示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，相同的函数被应用于两个或更多个参数集，以产生表示两个或更多个参数集的两个或更多个标量。
示例A12包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器使用相同的合成孔径回波集合来对对象进行重新波束形成。
示例A13包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器使用部分更新的合成孔径回波集合来对对象进行重新波束形成。
示例A14包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器使用完全更新的合成孔径回波集合来对对象进行重新波束形成。
示例A15包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为存储对象模型。
示例A16包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为生成对象模型和/或修改对象模型。
示例A17包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为存储换能器元件阵列的几何形状。
示例A18包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为生成换能器元件阵列的几何形状和/或修改该几何形状。
示例A19包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，显示单元包括显示屏并且被配置为在显示屏上呈现对象的视觉显示，其中对象的再现在换能器元件阵列的参考系中或在外部参考系中是有用的，使得对象的视觉显示可操作用于更新和可视化对象与换能器元件阵列之间的相对运动。
示例A20包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为(i)计算从每个发送器位置到对象模型上的点并回到每个接收器位置所确定的延迟；(ii)根据入射向量、反射向量、接收向量、换能器法向量、对象面法向量和/或与复数反射率相关的关于对象的先验信息，计算镜面散射、声场方向性和复数反射率中的一个或多个的权重；以及(iii)在对经延迟和加权的回波求和以产生单个波束形成回波之前，将计算的延迟和计算的权重应用于存储的回波。
示例A21包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，数据处理单元被配置为在时间窗口上对波束形成回波功率进行积分，并且对应用于作为波束形成器的输入的换能器元件位置和法向量的变换进行优化，以便最大化该时间窗口上的积分的波束形成器回波功率。
示例A22包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，显示单元被配置为根据优化的变换的逆变换而在阵列的参考系中可视化对象。
示例A23包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，换能器元件阵列包括在空间上与对象分离的一个或多个发送器换能器元件和一个或多个接收器换能器元件。
示例A24包括根据示例A23和/或示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，一个或多个发送器换能器元件和一个或多个接收器换能器元件完全或至少部分地围绕对象。
示例A25包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，换能器元件阵列包括至少三个换能器元件，该至少三个换能器元件被配置为产生包括对象的单站反射样本和双站反射样本在内的至少三个反射样本，使得反射样本在对象的表面上显著分离。
示例A26包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，换能器元件阵列包括至少三个换能器元件，该至少三个换能器元件被配置为产生对象的至少三个单站反射样本和至少三个双站反射样本，使得反射样本在对象的表面上显著分离。
示例A27包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，对象模型包括多个顶点和多个面，该多个顶点和多个面以不大于一个声学波长分辨率的面近似对象。
示例A28包括根据示例A27和/或示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，这些面是一半或更小的声学波长分辨率。
示例A29包括根据示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，对象模型包括多个点和与每个点相对应的多个表面法向量，该多个点和多个表面法向量在至少一个波长声学分辨率内近似对象。
示例A30包括根据示例A29和/或示例A1-A31中任一项所述的系统，其中，多个点和与每个点相对应的多个表面法向量在小于一半声学波长分辨率内近似对象。
示例A31包括根据示例A1-A30中任一项所述的系统，其中，一个或多个声学波形包括一个或多个复合波形，该一个或多个复合波形包括两个或更多个单独的编码波形。
在根据本技术的一些实施例中(示例A32)，一种用于断层扫描合成孔径声学成像的方法包括：由换能器阵列的换能器元件通过基于对对象发送换能的声学波形和接收从对象返回的声学回波而形成合成孔径来对对象处发送和从对象接收声学信号；通过对接收的从对象的一个或多个区域返回的返回声学回波的经延迟和加权的回波样本进行相干求和来对对象进行波束形成，以产生一个或多个波束形成输出信号，其中一个或多个波束形成输出信号是用于波束形成的一个或多个输入的函数；生成基于一个或多个波束形成输出信号的一个或多个标量输出；根据对象的位置、朝向、几何属性或表面特性中的至少一些来优化一个或多个标量输出；通过使用优化器基于优化的输入和输出的值或者优化的输入和输出变化确定一个或多个目标函数的优化程度，与检测标准相比来检测对象；以及基于对象的位置、朝向和几何属性和/或表面特性的再现来产生对象的图像。
示例A33包括根据示例A32-A39中任一项所述的方法，其中，对对象进行波束形成包括根据换能器元件阵列相对于对象模型的位置、朝向和几何形状中的至少一些来计算与对象的一个或多个区域相对应的延迟和权重。
示例A34包括根据示例A32-A39中任一项所述的方法，其中，根据换能器元件阵列的位置、朝向或几何形状中的至少一些来优化一个或多个标量输出。
示例A35包括根据示例A32-A39中任一项所述的方法，其中，产生的一个或多个波束形成输出信号包括关于对象的一个或多个区域的空间信息，该空间信息是从对来自对象的一个或多个区域的经延迟和加权的回波样本进行相干求和推导出的。
示例A36包括根据示例A32-A39中任一项所述的方法，其中，确定对象的位置、朝向、几何形状或表面属性中的至少一些包括：产生与一个或多个波束形成输出信号相关联的至少一个标量输出，以及处理至少一个标量输出，以产生定义换能器元件阵列和/或定义对象模型的优化参数集。
示例A37包括根据示例A32-A39中任一项所述的方法，包括：生成与换能器阵列的发送器位置和接收器位置、对象模型的点、换能器阵列的属性和对象模型的属性相对应的经延迟的回波样本和回波样本的加权因子，其中生成的经延迟的回波样本和回波样本的加权因子用于对来自对象的一个或多个区域的经延迟和加权的回波样本进行相干求和。
示例A38包括根据示例A32-A39中任一项所述的方法，其中，根据对一个或多个标量输出进行优化，从相同的接收回波样本集合、部分新的接收回波样本集合或全新的接收回波样本集合中重复产生一个或多个波束形成输出信号。
示例A39包括根据示例A32-A38中任一项所述的方法，其中，该方法由根据示例A1-A31中任一项所述的系统来实施。
在根据本技术的一些实施例中(示例A40)，一种用于断层扫描合成孔径声学成像的方法包括：向对象发送声学信号和从对象接收声学信号，以形成声学成像系统的合成孔径，其中声学信号包括发送的声学信号和从对象返回的接收的声学回波；根据换能器元件阵列相对于对象模型的位置、朝向和/或几何形状来针对对象的一个或多个区域对对象进行相干波束形成；产生数字格式的一个或多个波束形成输出信号，该一个或多个波束形成输出信号包括从对声学回波进行波束形成中得到的关于对象的一个或多个区域的空间信息；处理一个或多个波束形成输出信号，以产生与一个或多个波束形成输出信号相关联的至少一个标量输出，处理至少一个标量输出，以产生与(i)声学成像系统的换能器元件阵列和/或(ii)对象模型相关联的优化参数；利用更新的与换能器元件阵列和/或对象模型相关联的优化参数对对象进行重新波束形成，以产生更新的一个或多个波束形成输出信号；通过(i)将至少一个标量输出与阈值进行比较、(ii)将至少一个标量输出的差分变化与阈值进行比较、和/或(iii)将至少一个优化参数和/或至少一个优化参数的差分变化与阈值进行比较来检测对象；以及基于对象相对于阵列的坐标系的位置、朝向、几何形状和/或表面属性的再现来产生对象的图像。
示例A41包括根据示例A40-A42中任一项所述的方法，还包括根据示例32-38中任一项所述的方法。
示例A42包括根据示例A40-A41中任一项所述的方法，其中，该方法由根据示例A1-A31中任一项所述的系统来实施。
在根据本技术的一些实施例中(示例B1)，一种断层扫描合成孔径声学成像系统包括：换能器元件阵列，可操作用于对对象发送、接收和/或发送和接收声学信号，其利用对象形成声学成像系统的合成孔径，其中声学信号包括发送的声学信号和接收的从对象返回的声学回波；对象波束形成器单元，包括一个或多个处理器和一个或多个存储器，并且被配置为(i)根据换能器元件阵列相对于对象模型的位置、朝向和/或几何形状来针对对象的一个或多个区域对对象进行波束形成，对象模型包括表示对象的信息，以及(ii)产生数字格式的一个或多个波束形成输出信号，该一个或多个波束形成输出信号包括从对声学回波进行波束形成中得到的关于对象的一个或多个区域的空间信息；数据处理单元，包括处理器和存储器，与对象波束形成器单元和换能器元件阵列进行通信，并且被配置为优化一个或多个波束形成输出信号，以确定位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个；以及显示单元，可操作用于基于由数据处理单元确定的相对于换能器元件阵列的坐标系的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个的再现来产生对象的图像。在一些示例实施例中，对象波束形成器单元是独立于数据处理单元的硬件单元；而在一些实施例中，对象波束形成器单元是软件模块，并且对象波束形成器单元的一个或多个处理器和一个或多个存储器分别是数据处理单元的处理器和存储器。
示例B2包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，该系统包括发送器和接收器电路，该发送器和接收器电路耦合到换能器元件阵列，并且被配置为(i)产生和/或处理作为数字信号的发送声学波形，以由阵列的一个或多个选定的发送换能器元件进行换能并且作为一个或多个声学波形发送，以及(ii)将在阵列的一个或多个选定的接收换能器元件处接收的声学回波转换成表示声学返回回波波形的数字信号。
示例B3包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为(i)基于换能器元件阵列的几何形状和对象模型来计算延迟和权重，以及(ii)生成与产生的一个或多个波束形成输出信号相对应的数字信号，该一个或多个波束形成输出信号是从根据计算的延迟和权重对声学回波进行波束形成中得到的。
示例B4包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，数据处理单元被配置为通过以下方式优化由对象波束形成器单元产生的一个或多个波束形成输出信号：(i)处理一个或多个波束形成输出信号，以产生与一个或多个波束形成输出信号相关联的至少一个标量输出，(ii)处理至少一个标量输出，以产生与换能器元件阵列和/或对象模型相关联的优化参数，(iii)指示对象波束形成器单元利用更新的与换能器元件阵列和/或对象模型相关的优化参数对对象进行重新波束形成，以产生更新的一个或多个波束形成输出信号，以及(iv)通过(a)将至少一个标量输出与阈值进行比较、(b)将至少一个标量输出的差分变化与阈值进行比较、和/或(c)将至少一个优化参数和/或至少一个优化参数的差分变化与阈值进行比较来检测对象。
示例B5包括根据示例B4或示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，数据处理单元被配置为通过将至少一个标量输出与阈值进行比较并且基于一个或多个优化参数的收敛满足一个或多个阈值来检测对象。
示例B6包括根据示例B4或示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，优化参数包括优化器输出、步长、最优性度量或残差中的一个或多个。
示例B7包括根据示例B4或示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，由数据处理单元产生的至少一个标量输出包括从积分功率、峰功率、峰振幅、峰幅度、均方根振幅、均方根幅度、平均振幅、平均幅度、峰到峰振幅、峰自相关幅度、峰自相关振幅、频谱带宽或频谱中心频率中的一个或多个中推导出的波束形成回波的定量值。
示例B8包括根据示例B4或示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，由数据处理单元产生的至少一个标量输出包括通过以下方式获得的波束形成回波的定量值：(i)使用平均绝对差、平均欧几里德距离、平均编辑距离、峰互相关幅度或峰互相关振幅、峰卷积幅度、峰卷积振幅、峰相干性和峰幅度平方相干性中的一个或多个将接收的从对象返回的声学回波与存储的回波进行匹配；其中存储的回波是从经校准的来自对象的波束形成回波、测量的来自对象的回波、测量的发送冲激响应、测量的接收冲激响应、发送/接收冲激响应、系统冲激响应、发送波形、与自身卷积的发送波形、经滤波的发送波形、解析发送波形、加窗的发送波形、解调的发送波形、数学定义的发送波形或数学定义的系统冲激响应中的一个或多个中推导出的。
示例B9包括根据示例B4或示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，数据处理单元或对象波束形成器单元被配置为生成包括两次或更多次迭代的优化，以产生与对象的两个或更多个波束形成回波相对应的一个标量输出中的两个或更多个标量输出，使得可以选择一个标量输出中的两个或更多个标量输出中的较优者，该对象的两个或更多个波束形成回波对应于描述换能器元件阵列和/或对象的两个或更多个参数集。
示例B10包括根据示例B9或示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，当优化在与对象的两个或更多个重新波束形成回波相对应的一个标量输出中的两个或更多个标量输出中产生低于阈值的不显著变化时，检测到对象，该对象的两个或更多个重新波束形成回波对应于描述换能器元件阵列和/或对象的两个或更多个参数集。
示例B11包括根据示例B9或示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，当优化在对应于对象的两个或更多个重新波束形成回波的描述换能器元件阵列和/或对象的两个或更多个参数集和/或两个或更多个参数集的函数中产生低于阈值的不显著变化时，检测到对象。
示例B12包括根据示例B11或示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，应用于两个或更多个参数集的函数包括欧几里德范数、曼哈顿范数、p范数、最大范数、复合范数、非对称范数和马哈拉诺比斯距离中的一个或多个。
示例B13包括根据示例B11或示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，相同的函数被应用于两个或更多个参数集，以产生表示两个或更多个参数集的两个或更多个标量。
示例B14包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为通过对对象模型的多个区域中的每个区域单独进行相干对象波束形成、并且随后在目标函数中对从被进行相干对象波束形成的每个区域获得的信号进行相干组合，来针对对象的多个区域对对象进行相干波束形成。
示例B15包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为通过对对象模型的多个区域中的每个区域单独进行相干对象波束形成、并且随后在目标函数中对从被进行相干对象波束形成的每个区域获得的信号进行非相干组合，来针对对象的多个区域对对象进行相干波束形成。
示例B16包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象的物理属性集合包括对象的一个或多个表面属性、一个或多个体积属性、或者一个或多个表面属性和一个或多个体积属性两者。
示例B17包括根据示例B16或示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象的物理属性集合包括对象的密度、体积模量或声学属性。
示例B18包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为使用相同的合成孔径回波集合来对对象进行重新波束形成。
示例B19包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为使用部分更新的合成孔径回波集合来对对象进行重新波束形成。
示例B20包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为使用完全更新的合成孔径回波集合来对对象进行重新波束形成。
示例B21包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为存储对象模型。
示例B22包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为生成对象模型，修改对象模型，或者既生成又修改对象模型。
示例B23包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为存储换能器元件阵列的几何形状。
示例B24包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为生成关于换能器元件阵列的几何形状的信息，修改关于换能器元件阵列的几何形状的信息，或者生成和修改关于换能器元件阵列的几何形状的信息。
示例B25包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，显示单元包括显示屏，并且被配置为在显示屏上呈现对象的视觉显示，其中对象的再现在换能器元件阵列的参考系中或在外部参考系中是有用的，使得对象的视觉显示可操作用于更新和可视化对象与换能器元件阵列之间的相对运动。
示例B26包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为(i)计算从每个发送器位置到对象模型上的点并回到每个接收器位置所确定的延迟；(ii)根据入射向量、反射向量、接收向量、换能器法向量、对象面法向量和/或与复数反射率相关的关于对象的先验信息，计算镜面散射、声场方向性、衰减、扩散损耗和复数反射率中的一个或多个的权重；以及(iii)在组合经延迟和加权的回波以产生一个或多个波束形成回波之前，将计算的延迟和计算的权重应用于存储的回波。
示例B27包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，数据处理单元被配置为在时间窗口上对波束形成回波功率进行积分，并且对应用于作为波束形成器的输入的换能器元件位置和法向量的变换进行优化，以便最大化在时间窗口上积分的波束形成器回波功率。
示例B28包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，显示单元被配置为根据优化的变换的逆变换而在换能器元件阵列的参考系中可视化对象。
示例B29包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，换能器元件阵列包括在空间上与对象分离的一个或多个发送器换能器元件和一个或多个接收器换能器元件。
示例B30包括根据示例B29或示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，一个或多个发送器换能器元件和一个或多个接收器换能器元件完全或至少部分地围绕对象。
示例B31包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，换能器元件阵列包括至少三个换能器元件，该至少三个换能器元件被配置为产生包括对象的单站反射样本和双站反射样本在内的至少三个反射样本，使得反射样本在对象的表面上显著分离。
示例B32包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，换能器元件阵列包括至少三个换能器元件，该至少三个换能器元件被配置为产生对象的至少三个单站反射样本和至少三个双站反射样本，使得反射样本在对象的表面上显著分离。
示例B33包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象模型包括多个顶点和多个面，该多个顶点和多个面以不大于一个声学波长分辨率的面近似对象。
示例B34包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，对象模型包括多个点和与每个点相对应的多个表面法向量，该多个点和多个表面法向量在至少一个声学波长分辨率内近似对象。
示例B35包括根据示例B1-B35中任一项所述的系统，其中，一个或多个声学波形包括一个或多个复合波形，该一个或多个复合波形包括两个或更多个单独的编码波形。
在根据本技术的一些实施例中(示例B36)，一种用于断层扫描合成孔径声学成像的方法包括：由换能器元件阵列的换能器元件通过基于向对象发送换能的声学波形和接收从对象返回的声学回波而形成合成孔径来向对象发送声学信号和从对象接收声学信号；使用接收的从对象的一个或多个区域返回的返回声学回波的回波样本对对象进行波束形成，以产生一个或多个波束形成输出信号，其中一个或多个波束形成输出信号是用于波束形成的一个或多个输入的函数，其中用于波束形成的一个或多个输入包括表示对象的信息；优化一个或多个波束形成输出信号，以确定对象的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个；以及基于对象的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个的再现来产生对象的图像。
示例B37包括根据示例B36-B45中任一项所述的方法，其中，对象的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个通过以下步骤确定：生成基于一个或多个波束形成输出信号的一个或多个标量输出；根据对象的位置、朝向、几何属性或物理属性中的至少一些来优化一个或多个标量输出；使用优化器，通过基于优化的输入和输出的值或优化的输入和输出的值的变化确定一个或多个目标函数的优化程度，与检测标准相比来检测对象。
示例B38包括根据示例37或示例B36-B45中任一项所述的方法，其中，根据换能器元件阵列的位置、朝向或几何形状中的至少一些来优化一个或多个标量输出。
示例B39包括根据示例B36-B45中任一项所述的方法，其中，确定对象的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个包括：产生与一个或多个波束形成输出信号相关联的至少一个标量输出，以及处理至少一个标量输出，以产生定义换能器元件阵列和/或定义对象模型的优化参数集。
示例B40包括根据示例B36-B45中任一项所述的方法，其中，对象的物理属性集合包括对象的一个或多个表面属性、一个或多个体积属性、或者一个或多个表面属性和一个或多个体积属性两者。
示例B41包括根据示例B36-B45中任一项所述的方法，其中，对对象进行波束形成包括根据换能器元件阵列相对于对象模型的位置、朝向和几何形状中的至少一些来计算与对象的一个或多个区域相对应的延迟和权重。
示例B42包括根据示例41或示例B36-B45中任一项所述的方法，其中，产生的一个或多个波束形成输出信号包括关于对象的一个或多个区域的空间信息，该空间信息是从对来自对象的一个或多个区域的经延迟和加权的回波样本进行相干求和中推导出的，或者是从对来自对象的一个或多个区域的经延迟和加权的回波样本进行相干相乘中推导出的。
示例B43包括根据示例B36-B45中任一项所述的方法，包括：生成与阵列的换能器元件的发送器位置和接收器位置、阵列的换能器元件的属性、对象模型的点以及对象模型的属性相对应的经延迟的回波样本和回波样本加权因子，其中生成的经延迟的回波样本和回波样本加权因子用于对来自对象的一个或多个区域的经延迟和加权的回波样本进行相干组合(例如求和和/或相乘)。
示例B44包括根据示例B36-B45中任一项所述的方法，其中，根据对一个或多个标量输出进行优化，从相同的接收回波样本集合、部分新的接收回波样本集合或全新的接收回波样本集合中重复产生一个或多个波束形成输出信号。
示例B45包括根据示例B36-B45中任一项所述的方法，其中，该方法由根据示例B1-B35中任一项所述的系统来实施。
在根据本技术的一些实施例中(示例C1)，一种合成孔径声学成像系统，包括：不同声学换能器设备的阵列，不同声学换能器设备位于靶标对象周围的不同定位，并且被配置为对对象发送、接收和/或发送和接收声学信号，以便利用对象实现声学成像系统的合成孔径，其中声学信号包括发送的声学信号和接收的从对象返回的声学回波；以及计算设备，与不同声学换能器设备的阵列进行通信并包括处理器和存储器，该计算设备包括对象波束形成器单元，该对象波束形成器单元被配置为(i)通过根据换能器元件阵列相对于对象模型的位置、朝向和/或几何形状而至少组合对象的一个或多个区域的至少一些接收的声学回波来对对象进行波束形成，对象模型包括表示对象的信息，以及(ii)产生一个或多个波束形成输出信号，该一个或多个波束形成输出信号包括从对声学回波进行波束形成中得到的关于对象的一个或多个区域的空间信息，并且该计算设备包括数据处理单元，该数据处理单元与对象波束形成器单元进行数据通信并且被配置为(i)优化一个或多个波束形成输出信号，以确定位置、朝向、几何形状或物理属性集合，以及(ii)基于由数据处理单元确定的相对于换能器元件阵列的坐标系的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个的再现而产生对象的图像。
示例C2包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，包括：发送器和接收器电路，耦合到换能器元件阵列，并且被配置为(i)产生和/或处理作为数字信号的发送声学波形，以由阵列的一个或多个选定的发送换能器元件进行换能和作为一个或多个声学波形发送，以及(ii)将在阵列的一个或多个选定的接收换能器元件处接收的声学回波转换成表示声学返回回波波形的数字信号。
示例C3包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为(i)基于换能器元件阵列的几何形状和对象模型来计算延迟和权重，以及(ii)生成与产生的一个或多个波束形成输出信号相对应的数字信号，该一个或多个波束形成输出信号是从根据计算的延迟和权重对声学回波进行波束形成中得到的。
示例C4包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，数据处理单元被配置为通过以下方式优化由对象波束形成器单元产生的一个或多个波束形成输出信号：(i)处理一个或多个波束形成输出信号，以产生与一个或多个波束形成输出信号相关联的至少一个标量输出，(ii)处理至少一个标量输出，以产生与换能器元件阵列和/或对象模型相关联的优化参数，(iii)指示对象波束形成器单元利用更新的与换能器元件阵列和/或对象模型相关的优化参数对对象进行重新波束形成，以产生更新的一个或多个波束形成输出信号，以及(iv)通过(a)将至少一个标量输出与阈值进行比较、(b)将至少一个标量输出的差分变化与阈值进行比较、和/或(c)将至少一个优化参数和/或至少一个优化参数的差分变化与阈值进行比较来检测对象。
示例C5包括根据示例C4或示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，数据处理单元被配置为通过将至少一个标量输出与阈值进行比较并且基于一个或多个优化参数的收敛满足一个或多个阈值来检测对象。
示例C6包括根据示例C4或示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，优化参数包括优化器输出、步长、最优性度量或残差中的一个或多个。
示例C7包括根据示例C4或示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，由数据处理单元产生的至少一个标量输出包括从积分功率、峰功率、峰振幅、峰幅度、均方根振幅、均方根幅度、平均振幅、平均幅度、峰到峰振幅、峰自相关幅度、峰自相关振幅、频谱带宽或频谱中心频率中的一个或多个中推导出的波束形成回波的定量值。
示例C8包括根据示例C4或示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，由数据处理单元产生的至少一个标量输出包括通过以下方式获得的波束形成回波的定量值：(i)使用平均绝对差、平均欧几里德距离、平均编辑距离、峰互相关幅度或峰互相关振幅、峰卷积幅度、峰卷积振幅、峰相干性和峰幅度平方相干性中的一个或多个将接收的从对象返回的声学回波与存储的回波进行匹配；其中存储的回波是从经校准的来自对象的波束形成回波、测量的来自对象的回波、测量的发送冲激响应、测量的接收冲激响应、发送/接收冲激响应、系统冲激响应、发送波形、与自身卷积的发送波形、经滤波的发送波形、解析发送波形、加窗的发送波形、解调的发送波形、数学定义的发送波形或数学定义的系统冲激响应中的一个或多个中推导出的。
示例C9包括根据示例C4或示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，数据处理单元或对象波束形成器单元被配置为生成包括两次或更多次迭代的优化，以产生与对象的两个或更多个波束形成回波相对应的一个标量输出中的两个或更多个标量输出，使得可以选择一个标量输出中的两个或更多个标量输出中的较优者，该对象的两个或更多个波束形成回波对应于描述换能器元件阵列和/或对象的两个或更多个参数集。
示例C10包括根据示例C9或示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，当优化在与对象的两个或更多个重新波束形成回波相对应的一个标量输出中的两个或更多个标量输出中产生低于阈值的不显著变化时，检测到对象，该对象的两个或更多个重新波束形成回波对应于描述换能器元件阵列和/或对象的两个或更多个参数集。
示例C11包括根据示例C9或示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，当优化在对应于对象的两个或更多个重新波束形成回波的描述换能器元件阵列和/或对象的两个或更多个参数集和/或两个或更多个参数集的函数中产生低于阈值的不显著变化时，检测到对象。
示例C12包括根据示例C11或示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，应用于两个或更多个参数集的函数包括欧几里德范数、曼哈顿范数、p范数、最大范数、复合范数、非对称范数和马哈拉诺比斯距离中的一个或多个。
示例C13包括根据示例C11或示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，相同的函数被应用于两个或更多个参数集，以产生表示两个或更多个参数集的两个或更多个标量。
示例C14包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为通过对对象模型的多个区域中的每个区域单独进行相干对象波束形成、并且随后在目标函数中对从被进行相干对象波束形成的每个区域获得的信号进行相干组合，来针对对象的多个区域对对象进行相干波束形成。
示例C15包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为通过对对象模型的多个区域中的每个区域单独进行相干对象波束形成、并且随后在目标函数中对从被进行相干对象波束形成的每个区域获得的信号进行非相干组合，来针对对象的多个区域对对象进行相干波束形成。
示例C16包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象的物理属性集合包括对象的一个或多个表面属性、一个或多个体积属性、或者一个或多个表面属性和一个或多个体积属性两者。
示例C17包括根据示例C16或示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象的物理属性集合包括对象的密度、体积模量或声学属性。
示例C18包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为使用相同的合成孔径回波集合来对对象进行重新波束形成。
示例C19包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为使用部分更新的合成孔径回波集合来对对象进行重新波束形成。
示例C20包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为使用完全更新的合成孔径回波集合来对对象进行重新波束形成。
示例C21包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为存储对象模型。
示例C22包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为生成对象模型，修改对象模型，或者既生成又修改对象模型。
示例C23包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为存储换能器元件阵列的几何形状。
示例C24包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为生成关于换能器元件阵列的几何形状的信息，修改关于换能器元件阵列的几何形状的信息，或者生成和修改关于换能器元件阵列的几何形状的信息。
示例C25包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，还包括：显示单元，包括显示屏并且被配置为在显示屏上呈现对象的图像的视觉显示，其中对象的图像在换能器元件阵列的参考系中或外部参考系中渲染，使得对象的图像的视觉显示可操作用于更新和可视化对象与换能器元件阵列之间的相对运动。
示例C26包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象波束形成器单元被配置为(i)计算从每个发送器位置到对象模型上的点并回到每个接收器位置所确定的延迟；(ii)根据入射向量、反射向量、接收向量、换能器法向量、对象面法向量和/或与复数反射率相关的关于对象的先验信息，计算镜面散射、声场方向性、衰减、扩散损耗和复数反射率中的一个或多个的权重；以及(iii)在组合经延迟和加权的回波以产生一个或多个波束形成回波之前，将计算的延迟和计算的权重应用于存储的回波。
示例C27包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，数据处理单元被配置为在时间窗口上对波束形成回波功率进行积分，并且对应用于作为波束形成器的输入的换能器元件位置和法向量的变换进行优化，以便最大化在时间窗口上积分的波束形成器回波功率。
示例C28包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，显示单元被配置为根据优化的变换的逆变换而在换能器元件阵列的参考系中可视化对象。
示例C29包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，换能器元件阵列包括在空间上与对象分离的一个或多个发送器换能器元件和一个或多个接收器换能器元件。
示例C30包括根据示例C29或示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，一个或多个发送器换能器元件和一个或多个接收器换能器元件完全或至少部分地围绕对象。
示例C31包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，换能器元件阵列包括至少三个换能器元件，该至少三个换能器元件被配置为产生包括对象的单站反射样本和双站反射样本在内的至少三个反射样本，使得反射样本在对象的表面上显著分离。
示例C32包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，换能器元件阵列包括至少三个换能器元件，该至少三个换能器元件被配置为产生对象的至少三个单站反射样本和至少三个双站反射样本，使得反射样本在对象的表面上显著分离。
示例C33包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象模型包括多个顶点和多个面，该多个顶点和多个面以不大于一个声学波长分辨率的面近似对象。
示例C34包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，对象模型包括多个点和与每个点相对应的多个表面法向量，该多个点和多个表面法向量在至少一个声学波长分辨率内近似对象。
示例C35包括根据示例C1-C35中任一项所述的系统，其中，一个或多个声学波形包括一个或多个合成波形，该一个或多个合成波形包括两个或更多个单独的编码波形。
本专利文档中描述的主题和功能操作的实施方式可以在各种系统、数字电子电路或计算机软件、固件或硬件(包括本说明书中公开的结构及其结构等同物)中实施，或者在它们中的一个或多个的组合中实施。本说明书中描述的主题的实施方式可以被实施为一个或多个计算机程序产品，即编码在有形和非暂时性计算机可读介质上的计算机程序指令的一个或多个模块，用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基底、存储器设备、实现机器可读传播信号的物质组合、或者它们中的一个或多个的组合。术语“数据处理单元”或“数据处理装置”涵盖用于处理数据的所有装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件之外，该装置还可以包括为所讨论的计算机程序产生执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统或它们中的一个或多个的组合的代码。
计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或者作为模块、组件、子例程或适用于计算环境的其他单元。计算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序可以被存储在保存其他程序或数据的文件的一部分(例如，以标记语言文档存储的一个或多个脚本)中，存储在专用于所讨论的程序的单个文件中，或者存储在多个协作文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)中。计算机程序可以被部署为在一个计算机上执行，或者在位于一个地点或分布在多个地点并通过通信网络互连的多个计算机上执行。
本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器来执行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行功能。过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路来执行，并且装置也可以被实施为专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。
举例来说，适于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器，以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机还将包括或可操作地耦合到用于存储数据的一个或多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)，以从其接收数据，或向其传送数据，或两者兼有。然而，计算机不需要具有这样的设备。适于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，举例来说包括半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备。处理器和存储器可以由专用逻辑电路来补充或并入其中。
本说明书连同附图仅被认为是示例性的，其中示例性意味着示例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。另外，“或”的使用旨在包括“和/或”，除非上下文另外清楚地指示。
虽然本专利文档包含许多细节，但是这些细节不应被解释为对任何发明或所要求保护的范围的限制，而是对特定发明的特定实施例所特有的特征的描述。在本专利文档中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管特征可能在上面被描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初被如此要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。
类似地，虽然在附图中以特定的次序描述了操作，但是这不应被理解为要求这些操作以所示的特定次序或顺序次序执行，或者要求所有示出的操作都被执行，以获得期望的结果。此外，在本专利文档中描述的实施例中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这样的分离。
仅描述了一些实施方式和示例，并且可以基于本专利文档中描述和示出的内容进行其他实施、增强和变化。
Claims (45)
1.一种合成孔径声学成像系统，包括：
不同声学换能器设备的阵列，所述不同声学换能器设备位于靶标对象周围的不同位置并且被配置为对对象发送、接收和/或发送和接收声学信号，以便利用所述对象实现所述声学成像系统的合成孔径，其中所述声学信号包括发送的声学信号和接收的从所述对象返回的声学回波；以及
计算设备，与所述不同声学换能器设备的阵列进行通信并且包括处理器和存储器，所述计算设备包括对象波束形成器单元，所述对象波束形成器单元被配置为(i)通过根据换能器元件阵列相对于对象模型的位置、朝向和/或几何形状而至少组合所述对象的一个或多个区域的至少一些接收的声学回波来对所述对象进行波束形成，所述对象模型包括表示所述对象的信息，以及(ii)产生一个或多个波束形成输出信号，所述一个或多个波束形成输出信号包括从对声学回波进行波束形成中得到的关于所述对象的一个或多个区域的空间信息，并且所述计算设备包括数据处理单元，所述数据处理单元与所述对象波束形成器单元进行数据通信并且被配置为(i)优化一个或多个波束形成输出信号，以确定位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个，以及(ii)基于由所述数据处理单元确定的相对于所述换能器元件阵列的坐标系的所述位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个的再现而产生所述对象的图像。
2.根据权利要求1所述的系统，包括：
发送器和接收器电路，耦合到所述换能器元件阵列，并且被配置为(i)产生和/或处理作为数字信号的发送声学波形，以由所述阵列的一个或多个选定的发送换能器元件进行换能并且作为所述一个或多个声学波形发送，以及(ii)将在所述阵列的一个或多个选定的接收换能器元件处接收的声学回波转换成表示声学返回回波波形的数字信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为(i)基于所述换能器元件阵列的几何形状和所述对象模型来计算延迟和权重，以及(ii)生成与产生的一个或多个波束形成输出信号相对应的数字信号，所述一个或多个波束形成输出信号是从根据计算的延迟和权重对声学回波进行波束形成中得到的。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据处理单元被配置为通过以下方式优化由所述对象波束形成器单元产生的一个或多个波束形成输出信号：
(i)处理所述一个或多个波束形成输出信号，以产生与所述一个或多个波束形成输出信号相关联的至少一个标量输出，(ii)处理所述至少一个标量输出，以产生与所述换能器元件阵列和/或所述对象模型相关联的优化参数，(iii)指示所述对象波束形成器单元利用更新的与所述换能器元件阵列和/或所述对象模型相关联的优化参数对所述对象进行重新波束形成，以产生更新的一个或多个波束形成输出信号，以及(iv)通过(a)将所述至少一个标量输出与阈值进行比较、(b)将所述至少一个标量输出的差分变化与阈值进行比较、和/或(c)将至少一个所述优化参数和/或至少一个所述优化参数的差分变化与阈值进行比较来检测所述对象。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述数据处理单元被配置为通过将所述至少一个标量输出与所述阈值进行比较并且基于一个或多个优化参数的收敛满足一个或多个阈值来检测所述对象。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述优化参数包括优化器输出、步长、最优性度量或残差中的一个或多个。
7.根据权利要求4所述的系统，其中，由所述数据处理单元产生的至少一个标量输出包括从积分功率、峰功率、峰振幅、峰幅度、均方根振幅、均方根幅度、平均振幅、平均幅度、峰到峰振幅、峰自相关幅度、峰自相关振幅、频谱带宽或频谱中心频率中的一个或多个中得出的波束形成回波的定量值。
8.根据权利要求4所述的系统，其中，由所述数据处理单元产生的至少一个标量输出包括通过以下方式获得的波束形成回波的定量值：(i)使用平均绝对差、平均欧几里德距离、平均编辑距离、峰互相关幅度或峰互相关振幅、峰卷积幅度、峰卷积振幅、峰相干性和峰幅度平方相干性中的一个或多个将接收的从所述对象返回的声学回波与存储的回波进行匹配；其中所述存储的回波是从经校准的来自所述对象的波束形成回波、测量的来自所述对象的回波、测量的发送冲激响应、测量的接收冲激响应、发送/接收冲激响应、系统冲激响应、发送波形、与自身卷积的发送波形、经滤波的发送波形、解析发送波形、加窗的发送波形、解调的发送波形、数学定义的发送波形或数学定义的系统冲激响应中的一个或多个中得出的。
9.根据权利要求4所述的系统，其中，所述数据处理单元或所述对象波束形成器单元被配置为生成包括两次或更多次迭代的优化，以产生与所述对象的两个或更多个波束形成回波相对应的一个标量输出中的两个或更多个标量输出，使得可以选择一个标量输出中的两个或更多个标量输出中的较优者，所述对象的两个或更多个波束形成回波对应于描述所述换能器元件阵列和/或所述对象的两个或更多个参数集。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，当所述优化在与所述对象的两个或更多个重新波束形成回波相对应的一个标量输出中的两个或更多个标量输出中产生低于阈值的不显著变化时，检测到所述对象，所述对象的两个或更多个重新波束形成回波对应于描述所述换能器元件阵列和/或所述对象的两个或更多个参数集。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，当所述优化在对应于所述对象的两个或更多个重新波束形成回波的描述所述换能器元件阵列和/或所述对象的两个或更多个参数集和/或两个或更多个参数集的函数中产生低于阈值的不显著变化时，检测到所述对象。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，应用于所述两个或更多个参数集的函数包括欧几里德范数、曼哈顿范数、p范数、最大范数、复合范数、非对称范数和马哈拉诺比斯距离中的一个或多个。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，相同的函数被应用于两个或更多个参数集，以产生表示两个或更多个参数集的两个或更多个标量。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为通过对所述对象模型的多个区域中的每个区域单独进行相干对象波束形成并且随后在目标函数中对从被进行相干对象波束形成的每个区域获得的信号进行相干组合，来针对所述对象的多个区域对所述对象进行相干波束形成。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为通过对所述对象模型的多个区域中的每个区域单独进行相干对象波束形成、并且随后在目标函数中对从进行相干对象波束形成的每个区域获得的信号进行非相干组合，来针对所述对象的多个区域对所述对象进行相干波束形成。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象的物理属性集合包括所述对象的一个或多个表面属性、一个或多个体积属性、或者一个或多个表面属性和一个或多个体积属性两者。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述对象的物理属性集合包括所述对象的密度、体积模量或声学属性。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为使用相同的合成孔径回波集合来对所述对象进行重新波束形成。
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为使用部分更新的合成孔径回波集合来对所述对象进行重新波束形成。
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为使用完全更新的合成孔径回波集合来对所述对象进行重新波束形成。
21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为存储所述对象模型。
22.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为生成所述对象模型，修改所述对象模型，或者既生成又修改所述对象模型。
23.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为存储所述换能器元件阵列的几何形状。
24.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为生成关于所述换能器元件阵列的几何形状的信息，修改关于所述换能器元件阵列的几何形状的信息，或者生成和修改关于所述换能器元件阵列的几何形状的信息。
25.根据权利要求1所述的系统，还包括：
显示单元，包括显示屏并且被配置为在所述显示屏上呈现所述对象的图像的视觉显示，其中所述对象的图像在所述换能器元件阵列的参考系中或在外部参考系中渲染，使得所述对象的图像的视觉显示可操作用于更新和可视化所述对象与所述换能器元件阵列之间的相对运动。
26.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象波束形成器单元被配置为(i)计算从每个发送器位置到所述对象模型上的点并回到每个接收器位置所确定的延迟；(ii)根据入射向量、反射向量、接收向量、换能器法向量、对象面法向量和/或与复数反射率相关的关于所述对象的先验信息，计算镜面散射、声场方向性、衰减、扩散损耗和复数反射率中的一个或多个的权重；以及(iii)在组合经延迟和加权的回波以产生一个或多个波束形成回波之前，将计算的延迟和计算的权重应用于存储的回波。
27.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据处理单元被配置为在时间窗口上对波束形成回波功率进行积分，并且对应用于作为所述波束形成器的输入的换能器元件位置和法向量的变换进行优化，以便最大化在所述时间窗口上积分的波束形成器回波功率。
28.根据权利要求1所述的系统，其中，所述显示单元被配置为根据优化的变换的逆变换而在所述换能器元件阵列的参考系中可视化所述对象。
29.根据权利要求1所述的系统，其中，所述换能器元件阵列包括在空间上与所述对象分离的一个或多个发送器换能器元件和一个或多个接收器换能器元件。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述一个或多个发送器换能器元件和所述一个或多个接收器换能器元件完全或至少部分地围绕所述对象。
31.根据权利要求1所述的系统，其中，所述换能器元件阵列包括至少三个换能器元件，所述至少三个换能器元件被配置为产生包括所述对象的单站反射样本和双站反射样本在内的至少三个反射样本，使得所述反射样本在所述对象的表面上显著分离。
32.根据权利要求1所述的系统，其中，所述换能器元件阵列包括至少三个换能器元件，所述至少三个换能器元件被配置为产生所述对象的至少三个单站反射样本和至少三个双站反射样本，使得所述反射样本在所述对象的表面上显著分离。
33.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象模型包括多个顶点和多个面，所述多个顶点和多个面以不大于一个声学波长分辨率的面近似所述对象。
34.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象模型包括多个点和与每个点相对应的多个表面法向量，所述每个点和所述多个表面法向量在至少一个声学波长分辨率内近似所述对象。
35.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个声学波形包括一个或多个复合波形，所述一个或多个复合波形包括两个或更多个单独的编码波形。
36.一种用于合成孔径声学成像的方法，包括：
由换能器元件阵列的换能器元件通过基于对对象发送换能的声学波形和接收从所述对象返回的声学回波而形成合成孔径，来对所述对象发送声学信号和从对象接收声学信号；
使用接收的从所述对象的一个或多个区域返回的返回声学回波的回波样本对所述对象进行波束形成，以产生一个或多个波束形成输出信号，其中所述一个或多个波束形成输出信号是用于波束形成的一个或多个输入的函数，其中用于波束形成的一个或多个输入包括表示对象的信息；
优化所述一个或多个波束形成输出信号，以确定所述对象的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个；以及
基于所述对象的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个的再现来产生所述对象的图像。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述对象的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个通过以下方式确定：
生成基于所述一个或多个波束形成输出信号的一个或多个标量输出；
根据所述对象的位置、朝向、几何属性或物理属性中的至少一些来优化所述一个或多个标量输出；
使用优化器，通过基于优化的输入和输出的值或者优化的输入和输出与检测标准相比的变化确定一个或多个目标函数的优化程度来检测对象。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，根据所述换能器元件阵列的位置、朝向或几何形状中的至少一些来优化所述一个或多个标量输出。
39.根据权利要求36所述的方法，其中，确定所述对象的位置、朝向、几何形状或物理属性集合中的一个或多个包括：
产生与所述一个或多个波束形成输出信号相关联的至少一个标量输出，以及
处理所述至少一个标量输出，以产生定义所述换能器元件阵列和/或定义所述对象模型的优化参数集。
40.根据权利要求36所述的方法，其中，所述对象的物理属性集合包括所述对象的一个或多个表面属性、一个或多个体积属性、或者一个或多个表面属性和一个或多个体积属性两者。
41.根据权利要求36所述的方法，其中对所述对象进行波束形成包括根据所述换能器元件阵列相对于所述对象模型的位置、朝向和几何形状中的至少一些来计算与所述对象的一个或多个区域相对应的延迟和权重。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，产生的一个或多个波束形成输出信号包括关于所述对象的一个或多个区域的空间信息，所述空间信息是从对来自所述对象的一个或多个区域的经延迟和加权的回波样本进行相干求和中得到的，或者是从对来自所述对象的一个或多个区域的经延迟和加权的回波样本进行相干相乘中得到的。
43.根据权利要求36所述的方法，包括：
生成与所述阵列的换能器元件的发送器位置和接收器位置、所述阵列的换能器元件的属性、所述对象模型的点和所述对象模型的属性相对应的经延迟的回波样本和回波样本加权因子，
其中生成的经延迟的回波样本和回波样本加权因子用于对来自所述对象的一个或多个区域的经延迟和加权的回波样本进行相干组合。
44.根据权利要求36所述的方法，其中，根据对一个或多个标量输出进行优化，从相同的接收回波样本集合、部分新的接收回波样本集合或全新的接收回波样本集合中重复产生所述一个或多个波束形成输出信号。
45.根据权利要求36-44中任一项所述的方法，其中，所述方法由根据权利要求1-35中任一项所述的系统来实施。
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