专利名称：低频窄带高分辨超声探测成像方法
技术领域：
本发明属于超声探测领域，特别是一种低频窄带高分辨超声探测成像方法，适合于获取常规超声无法探测到的远场信息，得到远场目标的高分辨率成像，从而为决策者提供更有效的信息。
背景技术：
众所周知，超声成像因无创伤，经济且安全已被广泛应用于医疗诊断、工业探伤、 海洋水下探测等。为了获得更多的观测对象信息，高清晰度/高分辨率超声影像一直是人们追求的目标。在工业探伤中，高分辨率甚至超高分辨率的超声影像是发现微小有害伤损和杂质的重要保证；在海防目标探测中，高分辨率超声影像是正确识别敌方目标的前提。为了提高超声探测成像的分辨率，人们提出的一些高分辨超声成像方法，主要包括以下两类1、频域法；该方法采用频域外推法实现高分辨。1964年，Harr的文章 "Diffraction and Resolving Power”奠定了高分辨成像的基础，他首次采用信号外推的方法成功提高了成像的分辨率。2、空域法；该方法多采用自适应波束形成方法，如F. Viola等在文献 "Time-Domain Optimized Near-Field Estimator for Ultrasound Imaging Initial Development and result”提出了一种新的自适应波束形成的方法应用于医学超声，获得了超声成像分辨率的提高。以上现有的高分辨超声探测成像方法受限于成像系统的带宽和频率，只能用于宽带高频探测机制下的超声高分辨成像。发射宽带高频探测波进行探测的好处是可以获得高的纵向分辨率，但是缺点是宽带高频探测波传播距离有限，其能量随传播距离迅速呈指数衰减很难到达中远场，所以中远场目标不易探测。而在很多应用中，远场高分辨率的需求尤为重要，如医生期望看清人体深部组织信息；工程师需要探测大型工业材料内部伤裂和杂质等。为了满足远场探测的需求，就必须采用低频窄带探测进行超声成像，但面临的重大科学难题是基于传统匹配滤波机制下的低频窄带探测超声成像其纵向分辨率非常低， 而上述现有的高分辨成像方法又局限于宽带高频探测超声成像，在低频窄带探测超声成像中无法发挥作用。其根本原因是发射低频窄带探测波进行探测的回波数据在频域发生了混叠，所以现有的高分辨成像方法无法从混叠的回波数据中重构出高分辨的影像。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的问题，提出一种低频窄带高分辨超声探测成像方法，以从目标的混叠信息中重构出高分辨率的影像。实现本发明的技术方案是将近来兴起的压缩感知理论应用于超声探测成像中， 该压缩感知CS理论，是信号处理领域的重大成果，其核心思想是可以从远低于奈奎斯特采样率的有限采样数据中重构信号，而低于奈奎斯特采样率的信号其频域会发生混叠，也就是说CS可以从混叠的采样数据中恢复原始信号，这就为攻克低频窄带探测超声成像纵向分辨率低的科学难题带来了重大的契机。根据这一理论，本发明首先发射低频窄带探测波获取离散的回波数据；然后构建超声回波的稀疏基，并构建基于压缩感知的低频窄带高分辨超声成像模型；最后求解模型得到高分辨率的成像，其具体实现步骤包括如下(1)构造离散回波信号模型(Ia)根据发射的低频窄带波信号为8(0，将回波信号1^)表示为发射的低频窄带波信号在不同延时的叠加，即r{t) = Ya CCiSit -T1) + n{t)其中t表示连续时间，τ i表示第i个目标的延时量，N表示目标散射点的个数， Sa-Ti)表示第i个目标的回波信号，CIi为表示i个目标的散射系数，n(t)为加性噪声；(Ib)对回波信号r(t)进行采样，令采样间隔为Ts= l/fs，其中仁为采样频率，得到离散化后的回波信号IV即Tk =V(UTs) = Yjats(kTs -T1) + nk其中nk = n(kTs)表示离散后的噪声信号，s (kTs_ τ》表示第i个目标的离散回波信号，k表示第k个采样点，k= 1,2, L M，M表示采样个数；(2)将离散化后的回波信号写成矩阵形式，得到回波信号向量r:r = Lr1, r2, . . . rk,——rM]T = A α +η其中，T表示向量的转置，A是根据不同目标的离散回波信号s(kTs_Ti)构建的稀疏基矩阵，a = La1, a2，... a k, . . . . ]T为超声探测成像系数向量，η = Ln1, n2，...nk，....nM]T为加性噪声向量；(3)由以上回波信号向量r，构建基于压缩感知的高分辨率超声探测成像模型， 即mmE(p)(al s.t ||r-Aa||^ <C其中min表示最小化，Rn表示N维空间，㈨=H a ^= 。(0<尸< O，ζ为
噪声方差；(4)按如下迭代加权最小二乘法对上述基于压缩感知的高分辨率超声探测成像模型进行求解，得到一维高分辨率的超声探测成像系数向量a (4a)初始化-Mk = AV, k = 0, ek, emin = 10_8，其中k表示第k次迭代，乂表示A的伪逆，α k表示当前迭代得到的超声成像系数向量，ek是一个可调参数，初始设置在0 1之间，emin表示％在迭代中的最小值；(4b)由α k构造系数的权值矩阵= diag^ak\ρ是一个0到1之间
的自然数，并更新稀疏基矩阵Ak，得到Ak+1 Ak+1 = Affk+1(4c)由 Ak+1 更新 α k,得到 α k+1
权利要求
1. 一种低频窄带高分辨超声探测成像方法，包括如下步骤(1)构造离散回波信号模型(Ia)根据发射的低频窄带波信号s (t)，将回波信号r(t)表示为发射的低频窄带波信号在不同延时的叠加，即
2.根据权利要求1所述的低频窄带高分辨超声探测成像方法，其中步骤( 涉及的根据不同目标的离散回波信号s (kTs_ τ J构建的稀疏基矩阵A，是通过如下公式构建 A = [s (kTs- Δ τ )，s (kTs-2 Δ τ ) K，s (kTs_n Δ τ )，K，s (kTs_L Δ τ )] 其中Δ τ = Ts，Ts表示采样间隔，k = 1，2，L M，M表示采样个数，η = 1，2，L L，L表示矩阵A的列数，L = τ _/ Δ τ，这里τ max = max ( τ J，表示最大延时量，τ ,表示第i个目标的延时量。
全文摘要
本发明公开了一种低频窄带超声探测成像方法，主要解决低频窄带超声探测纵向分辨率低的问题，其实现步骤是首先利用超声探测器发射低频窄带信号对远场目标进行探测，将远场目标的回波信号进行采样离散化；然后由离散化的回波信号构造出稀疏基矩阵，并将回波信号写成矩阵形式；最后构造基于CS的高分辨超声探测成像模型，并采用迭代加权最小二乘法求解模型重构出场景目标散射系数，将系数取模值即得到纵向高分辨的低频窄带超声探测成像。本发明相对传统的匹配滤波方法，成像的分辨率显著提高；相对现有的高分辨成像方法，克服了它们局限于高频宽带超声探测成像的不足，可用于人体深部组织、大型工业材料内部伤裂和杂质等探测。
文档编号G01S7/539GK102279394SQ20111012726
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者吴伟佳, 张天键, 沈方芳, 王正杨, 石光明, 赵光辉, 陈旭阳 申请人:西安电子科技大学