CN117970337A - 一种基于超声阵列的多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多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，超声换能器阵列的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，各阵元激励时的激励信号是两个脉冲，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检测图像。本发明的优势在于：本发明提出了多球面波的成像方法，将介质中的多种波型(纵波和横波)同时实现聚焦形成多球面波，能较好地提高信噪比和图像分辨率，具有十分重要的意义和应用价值。

Description

一种基于超声阵列的多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多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多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，超声换能器阵列的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，各阵元激励时的激励信号是两个脉冲，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检测图像。

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：分别计算每个阵元激励信号的延迟时间，该激励信号是两个脉冲；

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；声波在介质中产生纵波和横波；

步骤4：根据待检测区域内目标点的坐标，计算目标点到每个阵元和阵列中心之间的声程差，进而得到纵波延迟时间和横波延迟时间；

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计算的纵波延迟时间和横波延迟时间进行叠加，得到每个目标点的成像信号；

步骤6：将所有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，球面波的球心坐标为(0,-f_oc)；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个阵元发射信号中包含了两个脉冲，第一个脉冲的激励延迟时间为：

其中，T_c是大于零的时间常数；c_p为介质中的纵波速度；超声换能器阵列每个阵元根据的延迟时间规则进行发射时，产生的纵波为球面波；

第n个阵元发射信号中第二个脉冲的激励延迟时间为：

其中，c_s为介质中的横波速度；超声换能器阵列每个阵元根据的延迟时间规则进行发射时，产生的横波为球面波。

作为上述方法的一种改进，换能器各阵元激励信号中两个脉冲之间的时间间隔等于纵波和横波从虚拟点源传播到换能器对应阵元之间的时间差。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4具体包括：

对于检测区域内的目标点P(x,z)，第n个阵元和阵列中心之间的纵波延迟时间为τ_n1：

其中，x为目标点的x轴坐标，z为目标点的z轴坐标；

第n个阵元和阵列中心之间的横波延迟时间为τ_n2为：

作为上述方法的一种改进，所述步骤5具体包括：

将超声换能器各阵元接收到的信号S_n(t)按照延时规则进行叠加得到目标点的成像信号：

其中，S_n(t-τ_nk)为第n个阵元接收到的回波信号在t-τ_nk时刻的大小。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提出了多球面波的成像方法，将介质中的多种波型(纵波和横波)同时实现聚焦形成多球面波，能较好地提高信噪比和图像分辨率，具有十分重要的意义和应用价值。

附图说明

图1所示为换能器阵列发射单球面波示意图；

图2所示为基于超声阵列的多球面波成像检测方法流程图。

具体实施方式

本发明提出了多球面波的成像方法，将介质中的多种波型(纵波和横波)同时实现聚焦形成多球面波，能较好地提高信噪比和图像分辨率。

本发明的方法，通过超声阵列产生多球面波进行成像检测，并使纵波和横波同时在预定目标实现聚焦，具有十分重要的意义和应用价值。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明的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得到的延时规则进行激励，每一阵元进行激励和接收，各阵元激励时的激励信号是短时间内的两个脉冲，该两个脉冲之间的时间间隔等于纵波和横波从虚拟点源传播到换能器对应阵元之间的时间差。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检测图像。

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；图1给出了单个球面波成像的声传播模式，设定x轴为换能器阵列方向，z轴表示成像深度方向，换能器共有N个阵元，第n个阵元的坐标为(0,x_n)，在球面波成像中，换能器阵列发射出来的球面波相当于从球心(0,-f_oc)处发射出来一样。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，就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。

由于介质中同时存在纵波和横波的传播，当虚拟点源发射时，介质中将产生分别以纵波速度传播和横波速度传播的两个球面波，形成多球面波发射。这时换能器每个阵元都将收到含有两个脉冲的信号，分别对应着来自虚拟点源的纵波和横波。显然，第n个阵元接收到第一个脉冲的延时满足如下关系

其中T_c是时间常数，以保证发射延时为非负数，c_p为介质中的纵波速度。当换能器各阵元按照公式(1)的延时规则进行发射时，则在介质中可产生以纵波速度传播的球面波。

同理，第n个阵元接收到第二个脉冲的延时满足

其中c_s为介质中的横波速度。当换能器各阵元按照公式(2)的延时规则进行发射时，则在介质中可产生以横波速度传播的球面波。

当把含有以上两个脉冲的激励信号作为各阵元激励信号时，每一个脉冲在介质中又可分别激发出纵波和横波。不难发现，第一个脉冲激发的纵波和第二个脉冲激发的横波在介质中都是球面波，即形成了两个球面波，分别以纵波和横波速度传播。把含有以上两个脉冲的信号作为激励信号加载在各阵元上时，两个球面波都向介质中传播，遇到缺陷将产生回波又被换能器各阵元接收，我们用S_n(t)表示各阵元接收到的回波信号。

换能器阵列在上式延时规则激励下产生球面波，该球面波从虚拟点发射，到达待检测区域内任一点(称为目标点)P(x,z)处再反射到相控阵第n个阵元。从而每个阵元和阵列中心之间的声程差为：

因此，第n个阵元和阵列中心之间的延迟时间τ_nk为

其中c_k为表示超声波的声速，k只能等于1和2，c₁取纵波声速，c₂取横波声速。

当换能器各阵元在公式(1)和(2)的延时规则激励下发射两个脉冲时，将在介质中产生多球面波传播，多球面波遇到缺陷后产生反射回波又被换能器各阵元接收到，这时，将换能器各阵元实际接收到的反射回波信号记为S_n(t)，并按照公式(4)的延时规则进行以下方式叠加

这里S_VPR(t)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_nk也不同。这种叠加方式实际上就是将各阵元接收的信号，先按纵波时延叠加(k＝1)，然后再按横波时延叠加(k＝2)，最后将它们叠加起来，这样就将纵波和横波信号实现了同时聚焦。

依次改变目标点P的位置，对每个目标点按照公式(5)得到成像信号的幅值信息，将所有成像点的幅值信息进行成像，即可得到基于超声阵列多球面波发射的超声波重建图像。

如图2所示，本发明一种基于超声阵列的多球面波成像检测方法，该方法具体包括：

步骤1：在介质表面设置超声换能器阵列；

步骤2：分别计算每个阵元激励信号的延迟时间，该激励信号是两个脉冲；两个脉冲之间的时间间隔等于纵波和横波从虚拟点源传播到换能器对应阵元之间的时间差。

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，球面波的球心坐标为(0,-f_oc)；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个阵元发射信号中包含了两个脉冲，第一个脉冲的激励延迟时间为：

其中，T_c是大于零的时间常数；c_p为介质中的纵波速度；超声换能器阵列每个阵元根据的延迟时间规则进行发射时，产生的纵波为球面波；

第n个阵元发射信号中第二个脉冲的激励延迟时间为：

其中，c_s为介质中的横波速度；超声换能器阵列每个阵元根据的延迟时间规则进行发射时，产生的横波为球面波。

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；声波在介质中产生纵波和横波；

步骤4：根据待检测区域内目标点的坐标，计算目标点到每个阵元和阵列中心之间的声程差，进而得到纵波延迟时间和横波延迟时间；

对于检测区域内的目标点P(x,z)，第n个阵元和阵列中心之间的纵波延迟时间为τ_n1：

其中，x为目标点的x轴坐标，z为目标点的z轴坐标；

第n个阵元和阵列中心之间的横波延迟时间为τ_n2为：

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计算的纵波延迟时间和横波延时时间进行叠加，得到每个目标点的成像信号；

将超声换能器各阵元接收到的信号S_n(t)按照延时规则进行叠加得到目标点的成像信号：

其中，S_n(t-τ_nk)为第n个阵元接收到的回波信号在t-τ_nk时刻的大小。

步骤6：将所有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。

本发明提出了多球面波的成像方法，将介质中的多种波型(纵波和横波)同时实现聚焦形成多球面波，能较好地提高信噪比和图像分辨率，具有十分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 (6)

1.一种基于超声阵列的多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，超声换能器阵列的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，各阵元激励时的激励信号是两个脉冲，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检测图像。

2.根据权利要求1所述的基于超声阵列的多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：分别计算每个阵元激励信号的延迟时间，该激励信号是两个脉冲；

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；声波在介质中产生纵波和横波；

步骤4：根据待检测区域内目标点的坐标，计算目标点到每个阵元和阵列中心之间的声程差，进而得到纵波延迟时间和横波延迟时间；

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计算的纵波延迟时间和横波延迟时间进行叠加，得到每个目标点的成像信号；

步骤6：将所有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多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，球面波的球心坐标为(0,-f_oc)；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个阵元发射信号中包含了两个脉冲，第一个脉冲的激励延迟时间为：

其中，T_c是大于零的时间常数；c_p为介质中的纵波速度；超声换能器阵列每个阵元根据的延迟时间规则进行发射时，产生的纵波为球面波；

第n个阵元发射信号中第二个脉冲的激励延迟时间为：

其中，c_s为介质中的横波速度；超声换能器阵列每个阵元根据的延迟时间规则进行发射时，产生的横波为球面波。

4.根据权利要求2所述的基于超声阵列的多球面波成像检测方法，其特征在于，换能器各阵元激励信号中两个脉冲之间的时间间隔等于纵波和横波从虚拟点源传播到换能器对应阵元之间的时间差。

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

对于检测区域内的目标点P(x,z)，第n个阵元和阵列中心之间的纵波延迟时间为τ_n1：

其中，x为目标点的x轴坐标，z为目标点的z轴坐标；

第n个阵元和阵列中心之间的横波延迟时间为τ_n2为：

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

将超声换能器各阵元接收到的信号S_n(t)按照延时规则进行叠加得到目标点的成像信号：

其中，S_n(t-τ_nk)为第n个阵元接收到的回波信号在t-τ_nk时刻的大小。