基于编码激励的增强全聚焦成像方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于编码激励的增强全聚焦成像方法及系统，该方法首先获取编码技术调制得到待发射的A和B码序列；然后获取由若干接收振元生成的回波数据，并得到A全聚焦成像数据和B全聚焦成像数据；对A和B全聚焦成像数据分别进行解码；将A和B全聚焦成像数据叠加后进行消除旁瓣处理；然后进行能量的焦点求和计算，得到全聚焦编码激励图像。本发明提供方法，通过使用编码激励技术和全聚焦的成像方法有机的结合在一起，解决了传统全聚焦方法在声场的远场穿透力不足的缺点；该方法通过全聚焦能量累加之后再解码，可以节省多个解码器。同时，利用编码技术结合使用超宽频带探头，提高了编码激励的能量转化效率，解决了全聚焦方法远场穿透力不足的缺点。

说明书

技术领域

本发明涉及超声波无损检测技术领域，特别是一种基于编码激励技术的增强全聚焦成像穿透力的方法及系统。

背景技术

在工业超声无损检测技术领域中，传统的全聚焦方法是以单脉冲发射为基础，因此，现有传统全聚焦技术的缺点是：传统全聚焦的激发方式采用每次单个晶片激发然后，所有晶片同步接收；由于每次是单个晶片激发导致了激发出的超声波较弱，较弱的超声波其穿透能力也弱；相对于大孔径相控阵技术来说，最终导致全聚焦的成像深度不足；并且现有标准的工业或医疗阵列超声换能器带宽在60-80％之间，传统的超声阵列换能器不能达到理想的脉冲压缩效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于编码激励技术的增强全聚焦成像方法和系统，该方法通过使用编码激励技术和全聚焦的成像方法有机的结合在一起，解决了传统全聚焦方法在声场的远场穿透力不足的缺点。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的基于编码激励的增强全聚焦成像方法，包括以下步骤：

根据超声探头中各振元频段施加对应的编码激励得到待发射的编码序列；

各振元利用编码序列发射超声波信号；

各个接收振元分别同时接收回波数据并生成全聚焦成像数据；

对全聚焦的回波数据进行解码；

对解码后的数据进行处理得到全聚焦编码激励图像。

进一步，所述编码序列包括A码序列和B码序列；

所述A码序列用于通过编码技术调制得到待发射的编码序列；

所述B码序列用于通过编码技术调制得到待发射的编码序列。

进一步，所述回波数据包括若干激励振元发射生成的全聚焦成像数据，每个所述全聚焦成像数据包括A全聚焦成像数据和B全聚焦成像数据；

所述A全聚焦成像数据是A码序列发射后在A接收振元生成的回波数据；

所述B全聚焦成像数据是B码序列发射后在B接收振元生成的回波数据；

进一步，所述对回波数据进行解码包括分别对每个所述A全聚焦成像数据和B全聚焦成像数据进行解码。

进一步，所述全聚焦编码激励图像是按照以下步骤得到的：

将A全聚焦成像数据和B全聚焦成像数据叠加后进行消除旁瓣处理；然后进行能量的焦点求和计算，得到全聚焦编码激励图像。

进一步，所述全聚焦编码激励图像包括若干激励振元发射编码序列后得到的全聚焦编码激励图像组成，

对所述每个激励振元的全聚焦编码激励图像计算整体矢量和，得到完整帧全聚焦编码激励成像。

进一步，所述超声探头为超宽频带探头，所述超宽频带探头采用与编码激励匹配的宽带换能器。

本发明提供的基于编码激励的增强全聚焦成像系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

获取编码技术调制得到待发射的编码序列；所述编码序列包括A码序列和B码序列；所述A码序列用于通过编码技术调制得到待发射的编码序列；所述B码序列用于通过编码技术调制得到待发射的编码序列；

获取由若干接收振元分别同时接收的回波数据并生成全聚焦的数据；所述全聚焦成像数据包括若干发射振元发射后，由若干接收振元生成的全聚焦成像数据，每个所述全聚焦成像数据包括A全聚焦成像数据和B全聚焦成像数据；

对A全聚焦成像数据和B全聚焦成像数据分别进行解码；

将A全聚焦成像数据和B全聚焦成像数据叠加后进行消除旁瓣处理；然后进行能量的焦点求和计算，得到全聚焦编码激励图像。

进一步，所述超声探头为超宽频带探头，所述超宽频带探头采用与编码激励匹配的宽带换能器。

进一步，所述编码序列是通过互补格雷编码得到的。

本发明的有益效果在于：

本发明提供基于编码激励技术的增强全聚焦成像方法，该方法通过使用编码激励技术和全聚焦的成像方法有机的结合在一起，最终解决传统全聚焦方法在声场的远场穿透力不足的缺点；以及解决了由于单个晶片激发而导致的超声波穿透能力弱的问题，该方法通过全聚焦能量累加之后再解码，可以节省多个解码器。

同时，利用编码技术结合使用超宽频带探头，提高了编码激励的能量转化效率，解决了全聚焦方法远场穿透力不足的缺点。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为编码激励原理示意图。

图2为全聚焦成像方法示意图。

图3为增强全聚焦成像方法示意图。

图4为超宽频带换能器示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本实施例首先详细介绍编码激励技术的基本原理，具体如下：

基于数学上的编码压缩原理，将设计好的编码经由超声探头晶片激励出去，形成超声波；后通过将接收到的反射波进行自卷积解码，实现编码脉冲压缩的效果；达到大幅度提高信噪比和穿透力的目的。通过两个发射接收周期来获得一条物理扫查线的互补码激励图象数据，从而实现提高超声成像系统的穿透力和信噪比的方法。

本实施例采用的是互补格雷编码，其优点是脉冲压缩后的旁瓣能量为0；实施例如下：

在第一次发射周期中发射a段代码，在第二次发射周期中发射b段代码。将所得到的两次发射周期的回波数据分别使用a(-n)，b(-n)进行解码：

A*a(-n)＝[1,-1,1,1]*[1,1,-1,1]＝[1,0,-1,4,-1,0,1]；

B*b(-n)＝[1,-1,-1,-1]*[-1,-1,-1,1]＝[-1,0,1,4,1,0,-1]；

其中，A表示格雷码a码卷积基序列之后形成发射序列；B表示格雷码b码卷积基序列之后形成发射序列；

得到两个解码数据流。通过矢量求和模块对上述解码后信号进行求和运算：

Decode＝A*a(-n)+B*b(-n)＝[0,0,0,8,0,0,0]；

得到焦点声束物理扫描线图象数据流。实现互补Golay码编码压缩的效果，得到了2*N倍的信噪比提升，其中，N为编码的长度。

本实施例还可以采用双码激励求和方法得到码源。

下面介绍全聚焦成像原理：

全聚焦成像是对全矩阵捕捉的回波数据矩阵进行虚拟聚焦、成像后处理来实现的。全矩阵捕捉过程：

设探头有N个阵元，依次排列为：阵元0、阵元1、......、阵元N-1。

激发阵元0，N个阵元接收回波信号并存储为S

激发阵元1，N个阵元接收回波信号并存储为S

依此类推，直至激发完N个阵元，收到N×N个A扫数据，虚拟聚焦过程：

如图2所示，下方小圆圈(图中是小方块)区域是成像区域，每个小圆圈代表一个像素点，成像点i代表成像区域内的任意一个像素点，(i,j)表示该点坐标，其中i＝0,1,2,...,m-1，表示y轴方向的坐标；j＝0,1,2,...,n-1，表示x轴方向的坐标。

P为0像素点间距，ds为探测起始深度；d为阵元间距，N为阵元个数，阵元k、阵元p分别表示发射阵元和接收阵元，其中，k和p的取值范围都是[0,N-1]，可得发射声程和接收声程为；

其中，h表示接收振元编号；

超声波从阵元k发射，经成像点img(i,j)，到接收阵元p的总声程为：

R(i,j,k,h)＝R(i,j,k)+R(i,j,h)；

其中，R(i,j,k)表示发射振元k到成像区焦点(i,j)的声程；R(i,j,h)表示接收振元h到成像区焦点(i,j)的声程；img(i,j)表示成像区域内的焦点坐标；

该总声程对应的A扫数据的索引位置为：

其中，ν指超声波在被测物体中的传播速度，f指阵元采样的时钟频率；

任意成像点的像素值是叠加该点的全聚焦图像数据得到的：

其中，S(k,h,A(i,j,k,h))表示成像区内对应焦点的单次全聚焦发射所反射的能量；

最后经上位机处理显示成像。

实施例2

如图3所示，本实施例提供的基于编码激励技术的增强全聚焦成像方法，包括以下步骤：

第一步：系统先调制编码，将选定的互补格雷码调制后所形成的码源即为“待发射的编码序列”(以下称为“编码序列”)，其中，编码序列是由A码序列和B码序列组成；而A码序列或B码序列通常是由多个脉冲组成的脉冲串；本实施例采用两组序列是可以消除旁瓣能量的伪像，因为A码和B码在数学上是互补。

第二步：系统发射和接收周期如下：首先将A码序列激励发射出去，然后将接收机的各个接收振元接收全矩阵回波信号得到A码全聚焦成像，然后通过A码解码模块对A码全聚焦的数据进行解码；再将A码解码后数据进行存储，等待B码的解码数据；本实施例A码序列和B码序列一般不同步进行，避免A,B序列激发的声波回波会混叠在一起，无法分开的现象发生；

第三步：将B码序列激励发射出去，然后将接收机的各个接收振元接收全矩阵回波信号得到B码全聚焦成像，然后通过B码解码模块对B码回波信号进行解码；其次将B码解码后数据和之前存储的A码数据同时送入“A+B的消除旁瓣模块”；

第四步：将“A+B消除旁瓣模块”中的解码终数据，进行能量的焦点求和计算，即全聚焦的矢量求和计算；从而得到第一振元激励的全聚焦编码激励图像；本实施例中在A和B解码后出现旁瓣，但是经过A+B求和后，可以消除旁瓣，因为AB旁瓣互补。

第五步：系统切换到第二激励振元，重复第一步至第四步的动作，从而得到第二振元激励的全聚焦编码激励图像；

第六步：依此类推，得到全部振元的全聚焦编码激励图像后，对各振元单独激励得到的图像再进行整体矢量求和，最终实现完整的一帧全聚焦编码激励成像。

本实施例提供的方法通过将编码激励技术和全聚焦的成像方法有机的结合在一起，设计出相应的发射和接收方法和逻辑顺序关系；最终提高传统全聚焦方法在声场的远场的穿透力。本实施例提供的全聚焦超声检测成像方法，可以对二维图像或三维图像进行处理，也可以将该成像方法存储与介质上。

本实施例是由于采用了编码激励技术和相对应的发射接收以及解码等逻辑构架，所以提高了全聚焦方法在声场的远场的穿透力。

实施例3

如图4所示，本实施例提供的超声宽带换能器，包括压电元件、匹配层、背衬、上电极、下电极；

所述压电元件上面和下面分别设有上电极和下电极，所述匹配层与压电元件下电极连接，所述背衬与压电元件上电极相连；

所述上电极和下电极上分别设置于电极导线。

所述换能器中心频率为编码激励技术所需激励的信号带宽的中值。

所述换能器中的压电元件为压电复合材料或压电单晶复合材料，优选压电单晶复合材料。

所述换能器匹配层设置至少为两层，优选三层。

所述换能器压电复合材料压电相体积分数为30％-50％。

所述换能器匹配层为环氧树脂与金属氧化物混合制成，匹配层特性阻抗为4-10Mrayl。

所述换能器背衬为环氧树脂与金属氧化物混合制成，背衬特性阻抗为5-10Mraly。

所述换能器中的压电元件下电极与所述电极导线一端连通，电极导线另一端与设备主机信号地连通，连接方式为焊接。

所述换能器压电元件上电极与另一所述电极导线一端连通，电极导线另一端与设备主机信号线连通，连接方式为焊接。

所述电极导线为铜基导线。

所述电极为铜、金、镍、镉、银中的一种或多种。

本实施例提供的超声换能器的带宽决定编码发射信号的频谱特征，如果编码信号与换能器的带宽匹配，则可激励理想的发射声波脉冲；反之，编码信号与换能器带宽不匹配将得不到有效的编码激励信号。

现有标准的工业或医疗阵列超声换能器带宽在60-80％之间，传统的超声阵列换能器不能达到理想的脉冲压缩效果，本实施例提供的采用匹配该编码信号带宽的宽带换能器，带宽达100％以上。提高了编码激励的能量转化效率，解决全聚焦方法远场穿透力不足的缺点。

本实施例提供的编码激励技术在工业无损检测中尚未广泛应用；将编码激励技术与全聚焦技术相结合解决全聚焦技术当中的实际问题，至今仍未见报导。本实施例虽然例举了互补格雷码作为实施例，应包含其它双码发射并解码求和的形式。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。