CN117970336A - 一种基于超声阵列的复合球面波成像检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声阵列的复合球面波成像检测方法，所述方法为在介质表面采用超声换能器阵列发射和接收声波，换能器各阵元按照计算得到的延时规则进行激励，模拟出一个点源发出的球面波，该点源为球面波的球心；每一个阵元进行一次激励和接收，然后将各阵元接收到的信号按照一定的延时规则进行叠加，得到该球面波的成像信号；多次改变球面波的球心位置进行激励，形成多个球面波，最后将所有球面波的成像信号进行复合成像处理，得到整个成像结果。本发明的优势在于：本专利的实施，通过超声阵列产生若干个球面波进行复合成像检测，和单个球面波成像方法相比，提高了成像检测的分辨率和信噪比，具有重要的意义和应用价值。

Description

一种基于超声阵列的复合球面波成像检测方法

技术领域

本发明属于超声检测与成像领域，具体涉及一种基于超声阵列的复合球面波成像检测方法。

背景技术

超声相控阵技术的基本思想来自于雷达电磁波相控阵技术。相控阵雷达是由许多辐射单元排成阵列组成，通过控制阵列天线中各单元的幅度和相位，调整电磁波的辐射方向，在一定空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束。超声相控阵换能器由多个独立的压电晶片组成阵列，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元，来调节控制焦点的位置和聚焦的方向。

超声相控阵是超声探头晶片的组合，由多个压电晶片按一定的规律分布排列，然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制发射超声束(波阵面)的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。

超声相控阵检测技术使用不同形状的多阵元换能器产生和接收超声波束，通过控制换能器阵列中各阵元发射(或接收)脉冲的不同延迟时间，改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现焦点和声束方向的变化，从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。然后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像。

目前，超声相控阵成像取得了快速发展，虽然在声束控制和扫描等方面具有很好的技术优势，但在成像速度上有时还有待提高，为此，人们提出了基于超声阵列的平面波成像方法，较好地加快了成像检测的速度。然而，平面波成像方法产生的声束为平面波，其声束宽度取决于阵列孔径，而阵列孔径不可能太大。

发明内容

本发明的目的在于克服常规平面波成像检测方法受阵列孔径大小影响的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于超声阵列的复合球面波成像检测方法，所述方法为在介质表面采用超声换能器阵列发射和接收声波，换能器各阵元按照计算得到的延时规则进行激励，模拟出一个点源发出的球面波，该点源为球面波的球心；每一个阵元进行一次激励和接收，然后将各阵元接收到的信号按照一定的延时规则进行叠加，得到该球面波的成像信号；多次改变球面波的球心位置进行激励，形成多个球面波，最后将所有球面波的成像信号进行复合成像处理，得到整个成像结果。

作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：

步骤1：在介质表面设置超声换能器阵列；

步骤2：计算一个球面波每个阵元激励延迟时间；

步骤3：超声换能器阵列各阵元根据步骤2计算的激励延迟时间规则发射声波；

步骤4：根据待检测区域目标点的坐标计算每个阵元接收到的回波信号和阵列中心处的回波信号之间的延迟时间；

步骤5：超声换能器阵列各阵元将接收到的信号按照步骤4计算的延时规则进行叠加，得到每个目标点的成像信号；

步骤6：更改球面波球心偏转角；

步骤7：重复执行K次步骤2至步骤6；

步骤8：将超声换能器各阵元在每一个球心偏转角发射球面波时接收到的信号按照延时规则进行叠加得到目标点的成像信号，将目标点成像信号的幅值信息进行综合成像，得到超声波重建图像。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2具体包括：

设定超声换能器阵列中心为坐标原点，超声换能器阵列方向为x轴，成像深度方向为z轴，球面波的球心离坐标原点的距离为f_oc，球心与z轴的偏转角为α_m；换能器共有N个阵元，其中第n个阵元的坐标为(0,x_n)，第n个阵元所需要的激励延迟时间Δt_n为：

其中，T_c是大于零的时间常数；c为介质中的声速。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4具体包括：

第n个阵元接收到的回波信号和阵列中心处的回波信号之间的延迟时间τ_n为：

其中，x为目标点的x轴坐标，z为目标点的z轴坐标。

作为上述方法的一种改进，所述步骤8具体包括：

将超声换能器各阵元在每一个球心偏转角发射球面波时接收到的信号按照延时规则进行叠加得到目标点的成像信号：

其中，S_mn(t-τ_n)为第m个球心偏转角时第n个阵元在t-τ_n时间接收到的信号。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本专利的实施，通过超声阵列产生若干个球面波进行复合成像检测，和单个球面波成像方法相比，提高了成像检测的分辨率和信噪比，具有重要的意义和应用价值。

附图说明

图1所示为偏转球面波发射及传播示意图；

图2所示为基于超声阵列的复合球面波成像检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明提出了一种基于超声阵列的复合球面波成像检测方法，本方法采用若干个不同的球面波，每一个球面波具有不同的球心位置和声束偏转方向，从而可较好地提升分辨率和信噪比。

本发明方法是在介质表面采用超声换能器阵列发射和接收声波，换能器各阵元按照计算出来的延时规则进行激励，对于每一个球面波，每一阵元只进行一次激励和接收，然后将各阵元接收到的信号按照一定的延时叠加方法得到该球面波的成像信号，然后将所有球面波的成像信号进行复合成像处理，并得到整个成像结果。

复合球面波成像的声传播模式如图1所示，其中，换能器阵列中心为坐标原点，x轴为换能器阵列方向，z轴表示成像深度方向，球面波的球心离坐标原点的距离为f_oc，与z轴的方位角为α。在球心处设置一个虚拟点源并发射信号，根据球心到各阵元之间的几何距离，可得到点源发射的信号到达各阵元的时间以及相邻阵元之间的延迟。将这种延时规则加载在换能器各阵元上，便可形成图1中以虚拟点源为球心向外辐射的球面波。需要注意的是，虚拟点源是不存在的，设置虚拟点源的目的是要得到换能器阵列发射球面波的延时规则。

然后，多次改变球面波的球心的位置，即改变球面波的球心与z轴的方位角，发射球面波，并将不同球面波的球心位置发射时换能器各阵元接收到的回波数据进行波束合成，通过相干叠加即可提升成像结果的质量，这就是复合球面波成像方法。

在复合球面波成像过程中，需要不断地改变虚拟点源的位置来确定延时规则，假定每次只改变虚拟点源的偏转方位角，共得到K个偏转角度分别为α_m(m＝1,2,…,K)的球面波。如果第n个阵元的坐标为(0,x_n)，对于偏转角度分别为α_m的球面波发射，则第n个阵元所需要的激励延迟时间Δt_n可以表示为：

其中T_c是时间常数，以保证发射延时为非负数，c为介质中的声速。

当偏转角度为α_m时，换能器阵列在上式延时规则激励下产生球面波，球面波从虚拟点发射，到达目标点P(x,z)处再反射到相控阵第n个阵元处的传播声程d可以表示为：

因此，以超声阵列中心为参考基准，则第n个阵元接收的回波与阵列中心处的回波信号之间的延迟时间τ_n为：

将每一个球面波发射时各阵元接收到的信号S_mn(t)按照下式进行延时叠加得到：

这就是目标点P的成像信号，目标点位置不同，则叠加的延时τ_n也不同。

依次改变目标点P的位置，对每个目标点按照公式(4)得到成像信号的幅值信息，将所有成像点的幅值信息进行综合成像，即可得到基于超声阵列复合球面波发射的超声波重建图像。

复合球面波成像就是将每一个球面成像发射时的图像进一步做复合成像处理，是各球面波成像处理的复合图像，提高了成像检测的分辨率和信噪比。

如图2所示，本发明一种基于超声阵列的复合球面波成像检测方法的具体步骤为：

步骤1：在介质表面设置超声换能器阵列；

步骤2：计算一个球面波每个阵元激励延迟时间；

设定超声换能器阵列中心为坐标原点，超声换能器阵列方向为x轴，成像深度方向为z轴，球面波的球心离坐标原点的距离为f_oc，球心与z轴的偏转角为α_m；换能器共有N个阵元，其中第n个阵元的坐标为(0,x_n)，第n个阵元所需要的激励延迟时间Δt_n为：

其中，T_c是大于零的时间常数；c为介质中的声速。

步骤3：超声换能器阵列各阵元根据步骤2计算的激励延迟时间发射声波；

步骤4：根据待检测区域目标点的坐标计算每个阵元接收到的回波信号和阵列中心处的回波信号之间的延迟时间；

第n个阵元接收到的回波信号和阵列中心处的回波信号之间的延迟时间τ_n为：

其中，x为目标点的x轴坐标，z为目标点的z轴坐标。

步骤5：超声换能器阵列各阵元将接收到的信号按照步骤4计算的延时规则进行叠加，得到每个目标点的成像信号；

步骤6：更改球面波球心偏转角；

步骤7：重复执行K次步骤2至步骤6；

步骤8：将超声换能器各阵元在每一个球心偏转角发射球面波时接收到的信号按照延时规则进行叠加得到目标点的成像信号，将目标点成像信号的幅值信息进行综合成像，得到超声波重建图像。

将超声换能器各阵元在每一个球心偏转角发射球面波时接收到的信号按照延时规则进行叠加得到目标点的成像信号：

其中，S_mn(t-τ_n)为第m个球心偏转角时第n个阵元在t-τ_n时间接收到的信号。

本发明的方法，通过超声阵列产生若干个球面波进行复合成像检测，和平面波、单个球面波成像方法相比，提高了成像检测的分辨率和信噪比，具有重要的意义和应用价值。

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

Claims (5)

1.一种基于超声阵列的复合球面波成像检测方法，所述方法为在介质表面采用超声换能器阵列发射和接收超声波，换能器各阵元按照计算得到的延时规则进行激励，模拟出一个点源发出的球面波，该点源为球面波的球心；每一个阵元进行一次激励和接收，然后将各阵元接收到的信号按照一定的延时规则进行叠加，得到该球面波的成像信号；多次改变球面波的球心位置进行激励，形成多个球面波，最后将所有球面波的成像信号进行复合成像处理，得到整个成像结果。

2.根据权利要求1所述的基于超声阵列的复合球面波成像检测方法，其特征在于，所述方法具体包括：

步骤1：在介质表面设置超声换能器阵列；

步骤2：计算一个球面波每个阵元激励的延迟时间；

步骤3：超声换能器阵列各阵元根据步骤2计算的激励延迟时间规则发射声波；

步骤4：根据待检测区域目标点的坐标计算每个阵元接收到的回波信号和阵列中心处的回波信号之间的延迟时间；

步骤5：超声换能器阵列各阵元将接收到的信号按照步骤4计算的延时规则进行叠加，得到每个目标点的成像信号；

步骤6：更改球面波球心偏转角；

步骤7：重复执行K次步骤2至步骤6；

步骤8：将超声换能器各阵元在每一个球心偏转角发射球面波时接收到的信号按照延时规则进行叠加得到目标点的成像信号，将目标点成像信号的幅值信息进行综合成像，得到超声波重建图像。

3.根据权利要求2所述的基于超声阵列的复合球面波成像检测方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

设定超声换能器阵列中心为坐标原点，超声换能器阵列方向为x轴，成像深度方向为z轴，球面波的球心离坐标原点的距离为f_oc，球心与z轴的偏转角为α_m；换能器共有N个阵元，其中第n个阵元的坐标为(0,x_n)，第n个阵元所需要的激励延迟时间Δt_n为：

其中，T_c是大于零的时间常数；c为介质中的声速。

4.根据权利要求3所述的基于超声阵列的球面波成像检测方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

第n个阵元接收到的回波信号和阵列中心处的回波信号之间的延迟时间τ_n为：

其中，x为目标点的x轴坐标，z为目标点的z轴坐标。

5.根据权利要求4所述的基于超声阵列的球面波成像检测方法，其特征在于，所述步骤8具体包括：

将超声换能器各阵元在每一个球心偏转角发射球面波时接收到的信号按照延时规则进行叠加得到目标点的成像信号：

其中，S_mn(t-τ_n)为第m个球心偏转角时第n个阵元在t-τ_n时间接收到的信号。