专利名称：基于圆弧扫描转换的合成孔径聚焦超声成像实现方法
技术领域：
本发明涉及超声波无损检测技术、超声成像技术、合成孔径聚焦技术和圆弧扫描转换技术，实现对物体表面形状和内部结构的快速准确成像。
背景技术：
合成孔径聚焦技术(SAFT)是超声波无损检测领域一项新的超声成像技术，该技术源自于合成孔径雷达技术(SAR)，于20世纪70年代初被引入到超声成像领域。由于其具有不受近场区限制、高的方位向分辨率且分辨率只与超声换能器尺寸有关而与距离无关等特性，倍受研究者青睐，成为近年来研究的新热点。SAFT超声成像技术的基本思想是利用脉冲一回波(pulse-echo)测量机制,使用一个超声换能器沿着固定轨迹对被测物体进行有序的扫描，并采用延时叠加(DAS)方法(时间延迟或相位延迟)对扫描得到的脉冲回波信号进行聚焦成像，达到利用单一的较小孔径的超声换能器来模拟大的孔径阵列的目的。SAFT超声成像工作模型如

图1(a)所示，超声换能器沿着扫描方向(X向)在物体表面作等间距的移动，在每一个扫描位置向物体的深度方向(Z向)发射超声信号，对物体内部进行探测，同时超声换能器接收物体内部反射物反射回的回波信号并采样保存，最后对所有扫描位置处得到的采样数据进行后处理并显示图像。根据后处理技术的不同，SAFT超声成像技术有时域和频域之分时域SAFT基于DAS原理与多点动态聚焦技术，对目标成像区域不同深度上的聚焦点计算不同的时延曲线。如图1(a)所示，为了在目标反射物处(x，z)聚焦，时域SAFT技术将超声换能器在其合成孔径有效长度L内的每一个扫描位置处获得的回波信号进行延时叠加处理设Si (t)为超声换能器在Ui处接收到的回波信号，t为采样时刻，Ui处关于目标反射物(X，Z)的延时为
权利要求
1.基于圆弧扫描转换的合成孔径聚焦超声成像实现方法，其特征在于，依次含有以下步骤步骤(I):构建一个由一台计算机、一个超声换能器、一套定位控制器和一个模数转换器组成的一个基于圆弧扫描转换和时域合成孔径聚焦技术的用于对被测物体在深度和水平两个方向形成的纵断面上作无损伤超声成像的系统，其中所述超声换能器设有与所述定位控制器的输出端相连的脉冲信号输入端，所述定位控制器的输入端与所述计算机相应的定位控制信号输出端相连，所述超声换能器还设有与所述模数转换器的输入端相连的回波信号输出端，所述模数转换器的输出端与所述计算机的回波采样信号输入端相连，所述超声换能器由所述定位控制器控制，在被测物体表面以I步长/ms的固定速率移动，所述定位控制器是控制所述超声换能器移动位置的传动装置，其参数由所述计算机输入，被测物体沿X轴方向的水平长度为Xlmgth,均分为XlmgthMx个区间，Λχ为区间长度，也是所述超声换能器沿X轴从坐标点(0,0)起向终点(Xlmgth, O)止每次移动的步长,所述超声换能器每次移动所达到的点称为探测点，共有M个，M = 1+Xlmgth/Ax，序号m=0，I, ···,M-1，所述定位控制器在每一个探测点处产生一个TTL晶体管-晶体管逻辑电平脉冲，触发所述超声换能器向被测物体的垂直于X轴的深度方向Z发射一个激励脉冲，随后超声换能器转为接收模式并开始计时，接收从被测物体反射的回波信号，所述模数转换器对所述超声换能器在探测点m处接收到的回波信号进行N次采样并存储到计算机中，采样序号n=0, I,..., N-1，采样频率为fs，fs的值为模数转换器预设，记Sm (η)为超声换能器在探测点m处的第η次采样得到的采样值；步骤(2):所述计算机从η=0开始依序读取探测点m=0处的采样值，然后，重复该过程依次读取m=l，...,M-1各探测点处的采样值；步骤(3):取m=0,在横坐标为xa=m · Δ x/accuracy处依次按以下步骤计算所述纵断面上的以坐标点(χα，0)为圆心的同心圆弧，其中accuracy为图像精度，即所生成的图像上相邻两个像素点的间距步骤(3.1):取深度方向上的坐标值2。=0，计算坐标点(χα，ζα)距圆心点(χα，0)的垂直距离r=za · accuracy,然后计算超声在被测物体中传播距离为r的值时所需要的时间t=r/v,及该时间所对应的采样序号n=2t · fs, V为超声在被测物体中的传播速度,v值为系统预设；步骤(3. 2):判断探测点m处采样序号为η的采样值sm(η)是否为非O值，若是，执行步骤(3. 3)和步骤(3. 4)，否则，跳过步骤(3. 3)直接执行步骤(3. 4)；步骤(3. 3):计算超声换能器的半功率波束角β 0.5=0. 84 λ /d, λ为超声在被测物体中传播时的波长，d为超声换能器的直径，然后计算半功率波束角的右边界线与圆弧的交点的横坐标q=xa+za · sin(0. 5 β a5),令圆弧上的坐标点(xp, zp)的初始值为(xa，za),计算判别式Λ的初始值Λ = (Χρ+1-Χα)2+(Ζρ-0.5)2-(ζα)2，对\值以I为步长循环执行下述步骤(3. 3.1)至步骤(3. 3. 3)直到 χρ>ζρ 止步骤(3. 3.1):如果Λ〈0，Δ的值在其原值基础上增加2χρ+3，否则，Λ的值在其原值基础上增加2 (χρ-ζρ) +5，且Zp在其原值基础上减I ;步骤(3. 3. 2):如果Xp ( q，坐标点(xp，zp)和(2xa-xp，zp)的像素值在其原值基础上增加 ω (χα, Xp) · Sm(η) /r, ω (χα，χρ)为变迹函数,否则,坐标点(χρ, ζρ)和(2χα-χρ，ζρ)的像素值不改变； 步骤(3. 3. 3):如果zp+Xa ( q,坐标点(ζρ+χα, χρ-χα)和(χα _ζρ, χρ-χα)的像素值在其原值基础上增加 ω(χα，Ζρ+χα) ·sm(n)/r,否则,坐标点(zp+xa，χρ-χα)和(χα_ζρ, χρ-χα)的像素值不改变； 步骤(3. 4):依次取深度方向上的坐标值ζα=1，2，…，Zdepth-1,重复执行步骤(3.1)至步骤(3. 3)，Zdepth为预设的生成图像的长度即生成的图像在纵向上用像素数表示的深度值；步骤(4):依次取m=l，".，M-1,重复执行步骤(3),生成宽度为(M-1) Δ x/accuracy+1个像素、长度为Z`depth个像素的所述纵断面的图像。
全文摘要
基于圆弧扫描转换的合成孔径聚焦超声成像实现方法属于快速超声成像技术领域，其特征在于，基于使用一个超声换能器在被测物体水平方向作等间距移动探测的条件下，将合成孔径聚焦技术(SAFT)中的延时累加和动态聚焦过程视为画圆弧的功效，采用圆弧扫描转换技术对各超声换能器扫描位置处采样得到的数据在图像上画圆弧，最终实现对被测物体的快速准确的超声成像。
文档编号G01S15/89GK103033816SQ20121052469
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者秦开怀, 杨春, 李雅哲 申请人:清华大学