一种应用于柱面超声阵列的超声井壁成像方法

摘要

本发明涉及一种应用于柱面超声阵列的超声井壁成像方法，该方法包括：步骤1)驱动柱面超声阵列中各换能器阵元，依次单独发射超声波信号，所有换能器阵元同时接收每一发射信号对应的回波信号；步骤2)利用步骤1)中获得的回波信号，按合成孔径聚焦算法对各成像点进行逐点聚焦成像处理，得到各成像点对应的回波幅度数据；和步骤3)将各成像点对应的回波幅度数据拼接在一起，得到整个成像平面内的幅度成像图。本发明的超声井壁成像方法应用于超声井壁检测中，将大幅减少柱面阵列超声井壁成像系统的独立通道数，降低系统的硬件成本；同时也能够在井下换能器频率较低的情况下，提升井壁成像检测的分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及超声井壁成像技术领域，具体涉及一种应用于柱面超声阵列的超声井壁成像方法。

背景技术

超声井壁成像检测技术利用井壁或套管壁反射回波提取的幅度信息，以回波幅度图的形式清晰直观地显示井壁的状况。柱面阵列超声井壁成像检测技术相较于传统超声井壁成像检测技术具有避免探头旋转、聚焦点可调等优点，近年来得到了广泛的关注。现有的柱面阵列超声井壁成像采用相控阵成像技术，通过控制各个独立通道的发射及接收延时，使柱面阵列换能器的发射声束聚焦于井壁上，并接收该聚焦点上的反射回波，将该回波的峰值作为成像点幅度数值，最终反映到井壁幅度成像图当中。

目前，井下柱面阵列成像多采用相控阵方法，相控阵进行井壁成像要求n路阵元同时进行信号发射或接收，这就要求井下系统具有相应的硬件通道数目(n路)，由此增加了井下系统设计的复杂性与不稳定性。上述相控阵成像技术具体存在的缺陷包括：1)由于井下空间狭窄，具有众多独立通道的阵列超声井壁成像检测电子系统的板卡布线困难，2)由于考虑到井下泥浆衰减特性，井壁成像检测中所采用的阵列换能器中心频率不会选取过高，这在一定程度上限制了井壁成像检测精度的提升。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有的相控阵成像技术存在板卡布线复杂、检测精度低的技术问题，本发明提供了一种应用于柱面超声阵列的超声井壁成像方法，该方法应用于超声井壁成像检测中，将大幅减少柱面阵列超声井壁成像系统的独立通道数，降低系统的硬件成本，避免因受限于井下有限空间而造成的超声井壁成像系统电路板卡布线复杂及系统不稳定性。同时也能够在井下换能器频率较低的情况下，提升井壁成像检测的分辨率。

为解决上述问题，本发明提供的一种应用于柱面超声阵列的超声井壁成像方法，该方法包括：

步骤1)驱动柱面超声阵列中各换能器阵元，依次单独发射超声波信号，所有换能器阵元同时接收每一发射信号对应的回波信号；

步骤2)利用步骤1)中获得的回波信号，按合成孔径聚焦算法对各成像点进行逐点聚焦成像处理，得到各成像点对应的回波幅度数据；和

步骤3)将各成像点对应的回波幅度数据拼接在一起，得到整个成像平面内的幅度成像图。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤2)具体包括：

步骤101)对步骤1)中获得的所有回波信号按合成孔径聚焦算法进行延时处理，获得扫描平面内各成像点对应的多个延时回波信号；

步骤102)对各成像点对应的多个延时回波信号进行叠加计算；

步骤103)对叠加计算后的回波信号取包络，获得各成像点对应的包络信号；

步骤104)对各成像点对应的包络信号进行峰值判断，选择包络信号中的峰值数据作为成像点的幅度数据。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤101)中回波信号的延时值计算公式表示为：

其中，T为发射阵元位置坐标，R为接收阵元位置坐标，P为扫描平面内成像点位置坐标，c为介质声速。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤102)中叠加计算后的回波信号表示为：

其中，扫描平面内成像点的位置坐标表示为(x,z)，l表示第l个发射阵元，m表示第m个接收阵元，n表示驱动柱面超声阵列中换能器阵元的个数。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤103)具体包括：首先对各成像点对应的叠加计算后的回波信号I(x,z)求希尔伯特变换，得到回波信号I(x,z)对应的复信号的虚部，该虚部的计算公式表示为：

其中，t表示时间，上式对应各点的时间信号；

然后，利用虚部计算回波信号I(x,z)对应复信号的模，获得各成像点对应的包络信号，该包络信号的计算公式表示为：

其中，A表示成像点坐标(x,z)处的包络信号。

超声井壁成像技术是井壁成像检测的关键技术，合理的成像技术的改进能够有效降低系统复杂性、提高成像检测精度。合成孔径聚焦超声成像技术利用小孔径换能器合成一个等效大的孔径，并且能够在硬件系统通道数目较少、换能器中心频率较低的情况下获得较为满意的分辨率。为此，本发明将合成孔径技术应用于柱面阵列超声井壁成像检测中，能够大幅节省阵列超声系统的通道数量，降低井下电子硬件系统设计的成本和困难，同时也能够在井下换能器频率较低的情况下，提升井壁成像检测的分辨率。

本发明的一种应用于柱面超声阵列的超声井壁成像方法优点在于：

本发明的超声井壁成像方法针对柱面超声阵列换能器阵元特征及实际井壁检测情形，利用合成孔径全聚焦方式采集每一个阵元依次单独发射时接收到的原始回波数据，并进行各成像点逐点聚焦成像处理，从而得到各成像点所对应的回波幅度数据，将各成像点的回波幅度数据拼接在一起，即得到整个成像平面内的幅度成像图。该发明应用于超声井壁成像检测中，将大幅减少柱面阵列超声井壁成像系统的独立通道数，降低系统的硬件成本。同时也能够在井下换能器频率较低的情况下，提升井壁成像检测的分辨率。

附图说明

图1为本发明中的柱面阵换能器结构示意图；

图2为本发明中的柱面阵列合成孔径聚焦成像方法工作流程示意图；

图3为本发明中的柱面阵列合成孔径聚焦成像方法操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种应用于柱面超声阵列的超声井壁成像方法进行详细说明。

本发明的超声井壁成像方法针对柱面超声阵列换能器阵元特征及实际井壁检测情形，利用合成孔径全聚焦方式采集每一个阵元依次单独发射时接收到的原始回波数据，并进行各成像点逐点聚焦成像处理，从而得到各成像点所对应的回波幅度数据，将各成像点的回波幅度数据拼接在一起，即得到整个成像平面内的幅度成像图。

合成孔径的原理是利用不同位置上的小孔径等效大孔径成像效果，将合成孔径技术应用于井下柱面阵列成像，能够利用较少的硬件通道数获得与相控阵方法相当的成像分辨率，进而降低了井下系统设计的复杂性。为此，本发明提供了一种应用于柱面阵列的合成孔径超声井壁成像方法，该方法所采用的柱面阵列换能器的结构如图1所示，在圆柱形结构表面均匀分布着N个条形压电晶片。换能器工作时以n个阵元为一动态阵元组，按组进行信号发射、接收以及合成孔径聚焦成像算法处理。

所述的超声井壁成像方法具体包括以下步骤：

步骤1)驱动柱面超声阵列中各换能器阵元，依次单独发射超声波信号，所有换能器阵元同时接收每一发射信号对应的回波信号；

步骤2)利用步骤1)中获得的回波信号，按合成孔径聚焦算法对各成像点进行逐点聚焦成像处理，得到各成像点对应的回波幅度数据；和

步骤3)将各成像点对应的回波幅度数据拼接在一起，得到整个成像平面内的幅度成像图。

实施例一

在本实例中，利用合成孔径聚焦方法进行超声井壁成像的工作流程具体包括以下两部操作：

(1)完成对当前动态阵元组进行超声发射、回波接收的控制及原始回波信号采集，此过程中系统控制工作流程如图2所示。动态阵元组中共n个阵元，第一次是1号阵元发射超声波信号，由1～n号阵元(即全孔径)接收回波信号，第二次是2号阵元发射超声波信号，全孔径接收回波信号，以此类推，直至第n次最后一个阵元发射超声波信号，全孔径接收回波信号。当前动态阵元组获得的回波信号集包含了所有单个阵元发射和所有阵元接收的组合关系，因此当该动态阵元组工作完成时将获得n²路原始回波信号s_l,m(t)(l＝1,2,…,n；m＝1,2,…,n)，将这些原始回波信号存储起来以进行后续的合成孔径聚焦成像信号处理。

(2)对采集到的原始回波信号进行合成孔径聚焦成像方法的信号处理，算法流程如图3所示。在信号处理过程中的详细步骤包括：

步骤1)将当前动态阵元组获得的n²路原始回波信号按合成孔径聚焦法则进行延时处理，各路回波信号的延时值根据下式计算获得：

其中，T为发射阵元位置坐标，R为接收阵元位置坐标，P为扫描平面内成像点位置坐标，c为介质中声速。

步骤2)对延时后的信号进行叠加计算，叠加后的回波信号表达式为：

其中，(x,z)为扫描平面内成像点位置坐标，l表示第l个发射阵元，m表示第m个接收阵元，n表示驱动柱面超声阵列中换能器阵元的个数。

步骤3)对叠加后的回波信号I(x,z)取包络。

具体做法是先对回波信号I(x,z)求希尔伯特变换，得到回波信号I(x,z)对应复信号的虚部，该虚部的计算公式表示为：

然后，再由三角函数性质可得复信号的模，即利用虚部计算回波信号I(x,z)对应复信号的模，获得各成像点对应的包络信号，该包络信号的计算公式表示为：

其中，A即为叠加后的回波信号I(x,z)在成像点坐标(x,z)处的包络信号。

步骤4)对包络信号E(x,z)进行峰值判断作为成像点坐标(x,z)上的幅度数据。

在实际处理中，假设数字化的包络信号E(x,z)为x(n)，若存在点x(i)，使得在序列x(n)当中，对于任意n(n≠i)，都有x(i)>x(n)，则取x(i)为该成像点坐标(x,z)上的幅度数据。

步骤5)将上述步骤计算得到的各成像点上的幅度数据拼接在一起，获得最终的柱面阵列合成孔径聚焦成像图。若一个动态阵元组对应的扫描周向上共有m_th个成像点，则柱面阵周向扫描区域共有N×m_th成像点。

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。