专利名称：分层物体的合成孔径聚焦超声成像方法
技术领域：
本发明涉及超声波无损检测技术、合成孔径聚焦成像技术、折射定律和直线扫描转换技术，实现对包含规则分界面或非规则分界面的分层物体的表面形状及内部结构快速成像。
背景技术：
目前，在超声波无损检测领域，对于含有分界面的分层物体的超声成像(超声检测方式包含接触式和液浸式两种模式，若将稱合剂层视为被测物体的一部分，则液浸式超声检测也可视为对分层物体的接触式超声检测，因此本发明中将两者统一称为分层物体的超声检测及成像)，主要有两种方案一是采用合成孔径聚焦(SAFT) 超声成像技术与射线跟踪(Ray Tracing)技术相结合的方法,二是采用基于相位迁移(Phase Shift Migration)技术的相位迁移超声成像方法。合成孔径聚焦技术(SAFT)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，其具有不受近场区限制、方位分辨率高、分辨率只与超声换能器尺寸有关而与距离无关等优点。SAFT超声成像技术的基本原理是利用脉冲一回波(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DAS与多点动态聚焦处理并显示图像。DAS与多点动态聚焦技术需要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，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Ii = ~- = — Jz~ + (x — it,)- , / = O, I, L-\.(i j
V V其中，V为超声在介质中的传播速度，r,为(X，z)点距Ui的直线距离。合成孔径有效长度L内所有的延时构成一条延时曲线，该曲线为一段双曲线。L的计算公式为L=O. 84 λ ζ/D (2)λ为超声在介质中的波长，D为超声换能器的直径，则在(X，ζ)处的成像为I (χ,=(3)
i=0 Γ 其中，Wi为变迹函数。
从DAS的原理可知，SAFT算法需要根据超声换能器到反射物之间的相对距离以及波速来确定延时。而当被测物体分层时，如图1(b)所示，超声换能器发射的超声信号会在分界面处发生折射，声波的传播路径会发生改变，目标反射物(X，ζ)与Ui的距离ri不再是两点间直线段的长度。此外，分层物体各层的介质也不一样，声波在各层的传播速度通常也不相等，因此，DAS中时延的计算不能再采用相对距离除以波速的简单计算方法，延时曲线也不再是规则的双曲线形状。为了求得延时，需要先获得声波在Ui与目标反射物(x，z)之间的传播路径，然后逐段求出各路径段的长度及传播时间(如图1(b)中rn、ri2和\)。其重点和难点在于快速而准确地找出波束的传播路径，而射线跟踪技术正是实现此目的之最佳方法。所以，射线跟踪技术很自然的被结合到SAFT技术中，以实现对分层物体的超声成像。射线跟踪的原理主要基于Snell定理或Fermat原理，通过迭代计算找出费时最短的声波传播路径。所以，如图1(b)，在SAFT结合射线跟踪的方法中，当计算Ui与目标反射物(X，ζ)之间的声波传播延时\时，需要沿着分界线c(X，z)=0对线上所有的点进行迭代，计算每个点所对应的两段传播路径rn、ri2的长度及其传播时间，找出使得传播时间最短的 点，该点即为折射点。此方法的优点是射线跟踪技术对分层物体的分界面形状并没有特殊的要求，不仅能适用于在深度方向上存在异种介质而水平方向为同种介质，即层与层介质之间的分界面为水平或者互相平行的平面之类的规则分层物体的超声成像，也能适用于在深度方向和水平方向上均存在异种介质，即包含非规则分界面(如曲面)的非规则分层物体的超声成像。但其严重的缺点是射线跟踪算法包含迭代运算，时间复杂度高，此外，原SAFT技术中计算时延的公式(I)中包含一次均方根运算，计算开销已经很大，而当引入射线跟踪技术后，时延的计算则包含多次均方根运算，如图1(b)中，当计算Ui与目标反射物(X，ζ)之间的声波传播延时\时，需要对分界线上的每一个点，分别计算两次均方根以得到两段路径rn、ri2的长度，其计算开销更大。所以该方法非�：氖保缤�3(b)所示，用该方法对图3(a)所示的被测物体(4. 4cm*4. 9cm)成像就需要30分钟。另外，由于超声波的波长与介质有关，当被测物体的介质分层后，合成孔径有效长度L的计算公式(2)也不再适用，然而SAFT技术所成像的精确度与L的准确度紧密相关，如果L过大，成像噪声较多，信噪比低；如果L过�。上窕岫П徊馕锾宓南附冢炔桓�。但是对于复杂非规则分层物体，目前缺少准确计算L的公式，在SAFT结合射线跟踪的方法中很难找出准确的L值，导致该方法的成像效果并不好，例如图3(b)中，该方法对被测物体纵剖面所成的图像未能较好的重构出第二层分界面中的曲面部分。相位迁移(Phase Shift Migration)超声成像方法是将反射地震学(ReflectionSeismology)中的迁移技术(Migration Technique)引入到超声成像领域,而得到的一种频域下的超声成像方法。该方法将超声探测模型视为爆炸物反射模型，假设待测物体中的反射物在t=0时刻同时爆炸，每一个反射物的爆炸强度正比于其反射率，整个场强用一组超声换能器来测量。其主要思想是根据从水平位置(即深度方向第一行)处观测到的声场外推以计算出深度方向其他位置处的声场。具体算法包含两个主要的步骤第一步对时域数据进行二维傅里叶变换，得到二维频谱，S (k, ω) = 2D-FT (s (Ui, t))
第二步是在深度方向的循环，先对上一次循环得到的二维频谱作相移，然后作二维傅里叶反变换并取to，得到一行图像，s (Ui, t = O) = 2D-1FT (S (k, ω) α ( Δ z, k, ω))其中，α(Δτ，k,ω) = expf j为深度方向上Δζ步长所对应的相位迁移
量，c为超声在介质中的传播速度，其取值恒定。对于多层物体的成像，相位迁移超声成像方法无需求射线路径，成像速度可大幅提高，如生成图3(c)所示的图像仅需62s。但是，由于相位迁移技术中假设声波的波速恒定，使得该方法只能适用于深度方向上存在异种介质而水平方向须为同种介质的规则分层物体的超声成像，而对于包含非规则分界面的物体，在深度方向和水平方向均存在异种介质，而导致检测结果不够精确，如图3(c)所示，第二层分界面的成像结果已经出现严重的错误。 因此，在对含有非规则分界面的复杂分层物体的超声成像方面，目前还缺乏快速且准确有效的方法。从SAFT结合射线跟踪技术的原理中可以看出，该方法最耗时之处在于寻找最优折射点的迭代运算步骤。从射线跟踪技术和DAS原理可知，该方法是一种逆向的计算过程，需要先确定图像上的一个像素点，然后找出该点对应的所有扫描位置点，再对每一个扫描位置点在分界线上迭代找出最优的折射点以得到图像点与该扫描位置点间的距离及延时，最后对延时曲线上的数据点进行累加得到该图像点的像素值。由于事先并不知道被测物体内目标反射物的具体位置，就需要使用动态聚焦技术对图像内所有像素点都进行一遍该逆向计算过程，以生成整幅图像，从而使得在反射物对应的像素点处，超声信号得到一致的叠力口，达到累加强度最大化，实现聚焦，而在其他像素点处，超声信号的叠加是混乱的，累加强度难以最大化。因此，在图像中，反射物所对应处累加得到的像素值要明显大于其他像素点。如果将图像上的所有像素点的计算过程作整体考察，可以发现每个扫描位置处采样得到的每个数据不仅作用于反射物对应的像素点，也作用于无反射物的像素点。如图1(c)中，Ui处的采样数据Si (ti)不仅参与了(X，Z)点的成像计算，也参与了曲线段的1_上其他点的计算。是Ui处超声换能器发射的声场范围内的一段曲线，该曲线上的点距Ui的传播时间ti均相同，但距离ri不一定相同。在第一层介质中，超声换能器在Ui处的声场位于该换能器的半功率波束角βα5内(即介于图中从4处出发的两条虚点线之间)，由于合成孔径有效长度L同时也定义为L=Z X Ptl5，结合公式(2)，因此0^=0.84X71)。而在第二层介质中，由于介质发生改变，声波在分界面处发生折射，原半功率波束角βα5的两条边界线也会发生折射(如图1(c)中的虚点线)，从而Ui处超声换能器的声场范围也会发生变化，但声场仍位于两条虚点线所表示的边界线之间。所以，曲线段&_可以看作是当折射点沿着第一层与第二层介质之间的分界线在声场范围内从左到右移动时，超声换能器在Ui处的采样数据SiUi)在图像上所走过的轨迹。当第二层介质与第一层的相同时，则无分层，此时该轨迹为一段以Ui为圆心、角度为β 0.5的圆弧；而当两层介质不同时，该轨迹的形状则与分界线的形状有关。因此，从正向去综合理解整体计算过程，采样数据SiUi)在整幅图像的成像计算中的功效就相当于以数据值《isi(ti)/ri在图像中画了一段曲线如即曲线上各像素点的像素值在原L范围内，SiUi)所在的延时曲线上的所有数据(Stl Utl)至S^1(V1))所对应的曲线段(irasA)至在图像中的交点即为原逆向计算过程中的目标反射物点(X，Z) O若在整幅图像中仅考虑Ui处所有采样数据Si⑴的功效，则对应于一幅以Ui为中心的不规则的扇形图1ui (如图1(d))，即
权利要求
1.分层物体的合成孔径聚焦超声成像方法，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合成孔径聚焦技术和折射定律的用于对分层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Xlmgth/Ax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, 1，…，N-1，采样频率为fs，fs的值为模数转换器预设，记sm (η)为超声换能器在第m个探测点处的第η次采样得到的采样值，sffl(η)的采样时刻为t = n/fs ； 步骤(2):所述计算机从n=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V = V1, V1为超声在被测物体的第一层介质中的传播速度，使用合成孔径聚焦超声成像软件包生成深度方向上Ztl=O至Zdepth-1区间的纵断面图像，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):以步骤(3)得到的Ztl至Zdepth-1区间图像块作为输入量，使用Canny算子边缘提取软件包提取第一层介质与第二层介质的分界线C1 (X，z)； 步骤(5):按以下步骤修正所述纵断面上在分界线C1 (X，z)之下至Zdepth-1区间的图像，以消除第一层与其他各层介质间的不同质而导致的误差 步骤(5.1):取 m=0,记第 m 个探测点为 U(xu, O),其中,xu=m Δ χ/accuracy, accuracy 为图像精度，即所生成的图像上相邻两个像素点的间距，依次按以下步骤计算第m个探测点U(xu, O)处所对应的扇形图像 步骤(5.1.1):计算超声换能器的半功率波束角βα5=0.84λ/1)，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，并计算所述半功率波束角的左、右边界线分别与分界线 C1 (X, Ζ)的左右两个交点 B1U1, Z1) >Br (xr, Zr),其中，X1=Xu-Z1 Xtg (O. 5 β 0 5)且满足C1 (X1, Z1) =0, xr=xu+zr Xtg (O. 5 β ο 5)且满足 C1 (xr, zr) =0 ； 步骤(5.1. 2):在分界线C1 (χ, ζ)上取折射点R(xK, ze) = B1 (x1； Z1)，计算归一化的折射向量 Ρ = eiaxW-[efax(M·;) +石]。,其中，eta为所述被测物体中与分界线C1 (χ，ζ)相邻的两层介质间的相对折射率，e是分界线上点R(Xr，zk)处的单位法向矢量，a =1.0-e/ayetax[1.0-(Rl/.e)x(M7.1)]，“ · ”为向量点积运算，丽为从所述探测点 U(xu，O)到折射点R(xK，zK)的归一化的入射向量； 步骤(5. 1.3):计算折射矢量涵的斜率k，取直线上的初始点为R(xK，ζκ)，利用Bresenham直线扫描转换软件包,从折射点R开始,计算折射路径上的所有像素点直到到达图像的 左边界X=O或者右边界X=(M-1) Δχ/accuracy或者下边界Z=Zdepth-1为止,记当前折射点R为Rf，即Rf (xf，zf) =R(xE, zE)，并记折射路径为RfEf，Ef为RfEf在图像内的终点，即折射路径RfEf与图像边界的交点； 步骤(5.1. 4):取xg=xf+l，查找分界线C1 (χ，ζ)上当前折射点Rf所在位置的下一个像素点Rg(xg, zg),点Rg的坐标满足C1 (xg, zg) =0,取Rg为新的折射点，即R(xK, ze) = Rg (xg, zg),执行步骤(5.1. 2)和步骤(5.1. 3)，扫描转换新的折射路径RgEg,记终点为Eg ； 步骤(5.1. 5):计算当前折射点Rg的折射路径RgEg的终点Eg与上一个折射点Rf的折射路径RfEf的终点Ef之间的距离Ad=| EfEg I,将分界线C1 (χ, ζ)上当前折射点Rg与上一个折射点Rf之间的曲线段均分为Ad份，即插入Ad-1个点，插入点序号记为τ=1，2，···，Ad-1,对τ值以I为步长以τ =1为初始值循环执行下述步骤(5.1. 5.1)直到τ = Ad止 步骤(5.1. 5.1):插值计算第τ个插入点Rt的坐标，χ τ =Xf+ τ / Δ d, ζ τ = zf+(zg_zf)1/八山取折射点1 (知，4) = R, (χτ，ζτ)，执行步骤(5.1.2)和步骤(5.1. 3)，扫描转换从点Rt出发的折射路径； 步骤(5.1. 6):取 Rf=Rg，Ef=Eg,执行步骤(5.1. 4)和步骤(5.1. 5)； 步骤(5.1. 7):重复执行步骤(5.1. 6)直到Xg=X^l止，即处理完分界线C1 (χ, ζ)上介T B1 (X1, Z1) iPBr(xr,zr)之间所有的折射点和折射路径，得到第m个探测点U (xu，O)处所对应的扇形图像； 步骤(5. 2):依次取πι=1，···，Μ-1，重复执行步骤(5.1)，生成所述纵断面上在分界线C1 (χ, ζ)之下至Zdejpth-1区间的图像； 步骤(6):以步骤(5)得到的分界线Cl (χ，ζ)之下至Zdepth-1区间的图像块作为输入量，使用Canny算子边缘提取软件包提取所述分界线C1 (χ, ζ)至Zdepth-1之间的第二层介质与第三层介质的分界线C2 (X，ζ)，按照步骤(5)所述的方法修正所述纵断面上在分界线C2 (χ，ζ)之下至Zdepth-1区间的图像，以消除第二层与其下各层介质间的不同质而导致的误差； 步骤(7):按步骤(6)所述的方法，处理剩余各条分界线，直到所述纵断面中所有分界线处理完止，生成宽度为(M-1) Δ χ/accuracy+l个像素、长度为Zdejpth个像素的所述纵断面的图像。
全文摘要
分层物体的合成孔径聚焦超声成像方法属于多层异质物体的内部结构快速成像技术领域，其特征在于，基于使用一个超声换能器在多层异质物体水平方向作等间距移动探测的条件下，基于合成孔径聚焦技术(SAFT)和折射定律，将原SAFT的实现过程改为以采样数据在图像上画轨迹曲线的过程，并结合折射定律正向计算折射向量，利用直线扫描转换技术得到折射路径上的各像素点，从而提高成像速度。本发明既适用于仅在深度方向存在异种介质的规则分层物体的超声成像，也适用于在深度方向和水平方向上均存在异种介质的非规则分层物体的超声成像，且成像速度快，成像精度高。
文档编号G01N29/06GK103018333SQ201210523789
公开日2013年4月3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 申请人:清华大学
专业数控铣床产品供应商
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