一种声学相控阵成像方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及声学成像技术领域，尤其涉及一种声学相控阵成像方法。
【背景技术】
[0002] 在线性扫描模型中，固定长度的子孔径等间距水平移动，每个焦点均在其对应子 孔径的轴线上，且处于同一深度，各个焦点视为虚拟源，因此各虚拟源的分布构成一个虚拟 线列阵，如图1(a)所示。利用虚拟源合成的方式能够获得深度一致的分辨率。各虚拟源的 辐射方向均沿着子孔径轴线，开角是同一固定值，开角大小由F数决定，F数为焦距与孔径 的比值，F数是影响成像质量的主要因素。而对于相控阵成像，如图1(b)所示，每个扫描线 均由全孔径发射接收，虚拟源的开角受孔径尺寸、焦点深度以及扫描偏转角度共同决定，因 此不再是固定值，而且此时不再有通常意义上的F数概念。
[0003] 相控阵成像可以利用较小的换能器，在不移动或者少移动的条件下，对较大被测 区域扫描成像，因而在医学和工业检测中得到广泛应用，如在医学成像中，将探头放在肋骨 间隙，可以对心脏等胸腔内器官实时成像；在无损检测中，可利用相控阵横波成像，探测位 于40°~70°方向的缺陷，这些区域的探测往往是其他方法难以实现的。但相控阵成像仅 在聚焦区域内才能获得较好的分辨率，随着探测深度增加，波束的主瓣宽度也随之增加，会 导致横向分辨率下降。
[0004] 针对声学相控阵成像分辨率随着深度变化（下降）的问题，目前主要有两种方法： 第一采用固定焦点发射，在单个接收扫描线上逐点聚焦，提高不同深度下的分辨率；第二扫 描时采用换能器阵列全孔径发射与接收，在整个空间上逐点聚焦成像，即所谓的全聚焦成 像方法（TotalFocusMethod，TFM)，在成像方面被当作成像质量的"黄金标准"。第一种方 法由于发射采用固定焦点，所以在不同深度上的分辨率不一致，且随着深度增加，分辨率下 降；第二种方法由于采用全孔径发射接收，需要单阵元发射，信噪比较低，而且后处理的运 算较大。
【发明内容】
[0005] 本申请的目的在于提供一种声学相控阵成像方法，在克服传统相控阵成像的横向 分辨率随着深度下降而下降问题的同时，提供更高的分辨率和更好的成像质量。
[0006] 为实现上述目的，本申请提供了一种声学相控阵成像方法，该方法包括：
[0007] A)利用声学换能器阵列定焦点发射声波信号，分别对所述声学换能器阵列中的各 个阵元根据第一延时进行激励处理，用以控制发射的声学波束聚焦和偏转；
[0008] B)利用所述声学换能器阵列接收经过传播和散射后的所述声波信号，得到所述声 学换能器阵列各个阵元的接收信号；
[0009] 分别对所述接收信号根据第一延时进行数字处理，得到声射频扫描线数据；
[0010] C)重复执行步骤A)和B)，在相同深度位置根据设定角度等角度间隔的设置焦点 对声波信号进行发射和接收处理，得到每个焦点的声射频扫描线数据；
[0011] D)在成像区域内任意选取空间点，计算覆盖所述空间点的不同角度的声射频扫描 线所对应的焦点到达所述空间点的第二延时；
[0012] E)对覆盖所述空间点的所有声射频扫描线数据进行合成处理，得到高分辨率和高 对比度的扫描线；
[0013] F)对所述高分辨率和高对比度的扫描线进行滤波处理及图像变换，得到相控阵图 像。
[0014] 本申请提供的声学相控阵成像方法，具有以下有益效果：1)相对于黄金标准TFM 方法，由于采用全部阵列发射和接收，提高了信号的信噪比，增加了探测深度；2)由于采用 相控阵焦点虚源合成方法，能够解决随着深度增加分辨率不够的问题，达到大范围分辨率 一致的成像目的；3)由于在相控阵虚源合成过程中采用自适应虚源合成方法，从而提高了 相干能量的比重，实现了高分辨的相控阵成像。
【附图说明】
[0015] 图1为现有技术中线性扫描成像与相控阵成像的区别示意图；
[0016] 图2为本申请实施例一提供的声学相控阵成像方法流程图；
[0017] 图3为本申请实施例一提供的相控阵成像虚拟源几何图形；
[0018] 图4为本申请实施例一提供的相控阵成像方法中当r<Rv时有效虚拟源孔径求 解不意图；
[0019] 图5为本申请实施例一提供的相控阵成像方法中当力&时有效虚拟源孔径求解 示意图；
[0020] 图6为TFM与本申请实施例一提供的相控阵成像方法成像质量对比示意图；
[0021] 图7为TFM与本申请实施例一提供的相控阵成像方法相控虚拟源分辨率对比示意 图；
[0022] 图8为TFM与本申请实施例一提供的相控阵成像方法相控虚拟源成像实际效果对 比示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面通过附图和实施例，对本申请的技术方案做进一步的详细描述。
[0024] 在本发明的相控阵成像方法中，首先使用相控阵换能器全孔径发射与接收，形成 虚拟源，提高声场能量，从而提高了信噪比，然后利用虚拟源合成过程保证了成像的分辨 率。系统实现时将扫描线成像过程分为两阶段：第一阶段以相控阵方式扫描，每个角度的 发射焦点与接收焦点位置相同，各接收阵元波束形成得到一条射频（RadioFrequency,RF) 扫描线，其中发射和接收的焦点可作为虚拟源；第二阶段实现虚拟源合成，对各成像点利用 几何位置，计算该点信息在不同RF扫描线中的延时，将多条RF扫描线中对应该点的信息叠 加，从而得到成像点的信息。
[0025] 图2为本申请实施例一提供的声学相控阵成像方法流程图。如图2所示，所述方 法具体包括：
[0026] 步骤S101，利用声学换能器阵列定焦点发射声波信号，分别对所述声学换能器阵 列中的各个阵元根据第一延时进行激励处理，用以控制发射的声学波束聚焦和偏转。
[0027] 具体的，使用声学换能器阵列定焦点发射声波信号，声学换能器进行电声转换，得 到声信号。对电信号按照几何计算得到的延时进行波束聚焦和偏转，从而起到波束形成和 增加信噪比的作用。
[0028] 步骤S102,利用所述声学换能器阵列接收经过传播和散射后的所述声波信号，得 到所述声学换能器阵列各个阵元的接收信号；分别对所述接收信号根据第一延时进行数字 处理，得到声射频扫描线数据；
[0029] 具体的，使用声学换能器阵列定焦点接收声波信号，声学换能器接收声波信号之 后，将声信号转换成数字信号，对数字信号按照几何计算得到的延时进行波束聚焦和偏转， 得到声射频扫描线数据。
[0030] 步骤S103,重复执行步骤SlOl和S102,在相同深度位置根据设定角度等角度间隔 的设置焦点对声波信号进行发射和接收处理，得到每个焦点的声射频扫描线数据。
[0031] 步骤S104,在成像区域内任意选取空间点，计算覆盖所述空间点的不同角度的声 射频扫描线所对应的焦点到达所述空间点的第二延时。
[0032] 具体的，对于成像区域内的任意空间点，计算覆盖该空间点的各个不同角度的扫 描线所对应的各个焦点到达该空间点的延时。
[0033] 步骤S105,对覆盖所述空间点的所有声射频扫描线数据进行合成处理，得到高分 辨率和高对比度的扫描线。
[0034] 图3为本申请实施例一提供的相控阵成像虚拟源几何图形，如图3所示，对于固定 焦点发射和接收的相控阵扫描，不同阴影区域分别是虚拟源A和B对应的声场辐射区域。相 控扫描过程中，设原点到各个聚焦焦点的距离均为Rv，因此各虚拟源分布在一段以换能器 中心为圆心的圆弧上。
[0035] 对于成像区域内某一目标点P(r，0 )，虚拟源A和B的辐射声场均经过该点，且位 于:S内的所有虚拟源对应的辐射声场均经过点P，$以外的虚拟源均不经过点P。假设 ^内包含K个虚拟源，则这K个虚拟源对应的回波数据中也都包含点P的信息。每个虚拟 源辐射范围内的信息均包含在该虚拟源对应的RF扫描线中，提取K条RF线中关于点P对 应的信息，从而实现对点P的成像合成。数据合成计算公式为：
[0036]
【主权项】
1. 一种声学相控阵成像方法，其特征在于，所述方法包括： A) 利用声学换能器阵列定焦点发射声波信号，分别对所述声学换能器阵列中的各个阵 元根据第一延时进行激励处理，用以控制发射的声学波束聚焦和偏转； B) 利用所述声学换能器阵列接收经过传播和散射后的所述声波信号，得到所述声学换 能器阵列各个阵元的接收信号； 分别对所述接收信号根据第一延时进行数字处理，得到声射频扫描线数据； C) 重复执行步骤A)和B)，在相同深度位置根据设定角度等角度间隔的设置焦点对声 波信号进行发射和接收处理，得到每个焦点的声射频扫描线数据； D) 在成像区域内任意选取空间点，计算覆盖所述空间点的不同角度的声射频扫描线所 对应的焦点到达所述空间点的第二延时； E) 对覆盖所述空间点的所有声射频扫描线数据进行合成处理，得到高分辨率和高对比 度的扫描线； F) 对所述高分辨率和高对比度的扫描线进行滤波处理及图像变换，得到相控阵图像。
2. 根据权利要求1所述的声学相控阵成像方法，其特征在于，所述第一延时利用几何 关系计算得到。
3. 根据权利要求1所述的声学相控阵成像方法，其特征在于，所述对覆盖所述空间点 的所有声射频扫描线数据进行合成处理，得到高分辨率和高对比度的扫描线具体为： 根据计算公￥计算得到高分辨率和高对比 度的扫描线；
其中，Θ k为第K个焦点对应的声射频扫描线与法向量成角，！为原点到所述空间点之 间的距离，W(0k，r)为加权窗函数，Θ为经过所述空间点的扫描线偏离阵列法向量的角度， Α( Θ，r)为Θ和r的幅度均衡函数，\为第K个焦点对应的声射频扫描线，力\，匕)表示在 第K条声射频扫描线中提取所述空间点的延时；
其中，仍为孔径尺寸，Rv为原点到各个聚焦焦点的距离，1为相控阵尺寸的一半。
4.根据权利要求1所述的声学相控阵成像方法，其特征在于，计算覆盖所述空间点的 不同角度的声射频扫描线所对应的焦点到达所述空间点的第二延时具体为： 当r彡心时，根据公式，/^) = 2·(〃,.-^ -&|)/c，计算得到所述第二延时； 当r>RvW，根据公式Λ) = 2 _ (足+1/^ - & |) / c，计算得到所述第二延时； 其中，r为扫描线距离，RV为原点到各个聚焦焦点的距离，&，&分别为第K个焦点和所 述空间点的坐标矢量，c为声速。
【专利摘要】本发明涉及一种声学相控阵成像方法，所述方法包括：使用相控阵换能器全孔径发射与接收，形成虚拟源，提高声场能量，从而提高了信噪比，然后利用虚拟源合成过程保证了成像的分辨率。本发明提供的声学相控阵成像方法，在克服传统相控阵成像的横向分辨率随着深度下降而下降问题的同时，提供了更高的分辨率和更好的成像质量。
【IPC分类】G01N29-44, A61B8-00, G01N29-06
【公开号】CN104655728
【申请号】CN201510048104
【发明人】吴文焘, 潘航, 李平, 张云翼, 韩晓丽, 曹政
【申请人】中国科学院声学研究所, 北京京声普探科技有限公司
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年1月29日