專利名稱：一種相控陣超聲二維陣列三維成像方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種相控陣超聲二維陣列三維成像方法。
背景技術(shù)：
相控陣超聲技術(shù)是實(shí)現(xiàn)快速超聲成像的關(guān)鍵技術(shù)，而相控陣超聲二維陣列系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維超聲成像最好的方法。但是由于受到陣列探頭設(shè)計(jì)因素的影響，相控陣探頭陣元之間的距離一般都比較小。對于一維陣列探頭來說，陣元形狀是長條狀的，陣元面積較大，如圖1a所示。對于二維陣列探頭來說，陣元呈小的正方形或矩形，陣元面積很小，如圖1b所示。對于超聲換能器來說，接收信號的強(qiáng)度跟換能器的面積成正比，對于二維陣列探頭來說，由于每個(gè)陣元的面積很小，其接收到信號的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于一維陣列探頭中每個(gè)陣元接收到的信號(即信號的信噪比很差)。如何利用信噪比很差的信號進(jìn)行波束合成，最終得到較好的超聲圖像，是實(shí)現(xiàn)二維陣列三維成像的關(guān)鍵技術(shù)。
發(fā)明人通過多年研究并通過對現(xiàn)有科技文獻(xiàn)的檢索，發(fā)現(xiàn)針對上述問題，沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān)相控陣超聲二維陣列三維成像波束合成方法研究。
本發(fā)明的目的是針對二維陣列探頭陣元面積小、回波信號弱、信噪比差，以及陣列在加工和應(yīng)用中不可避免地的造成部分陣元靈敏度變差或者失效的技術(shù)問題。并結(jié)合鄰近相關(guān)校正和集總相關(guān)校正的特點(diǎn)，提出一種相控陣超聲二維陣列三維成像的方法，且在方法中發(fā)明了一種適合的波束合成方法。
本發(fā)明的基本原理是基于相關(guān)相位校正的方法(根據(jù)參考信號的不同，相關(guān)校正分為鄰近相關(guān)校正和集總相關(guān)校正，鄰近相關(guān)校正是以多路信號中的一路為參考信號，集總相關(guān)校正是以多路信號的直接疊加之和為參考信號。)通過相關(guān)檢測來測量各通道信號之間的相位畸變，消除相位畸變后實(shí)現(xiàn)波束合成。
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種相控陣超聲二維陣列三維成像方法，且在所述三維成像方法中的波束合成方法包括下述步驟(1)劃分步驟對二維陣列中的各子陣進(jìn)行劃分；即根據(jù)每個(gè)子陣陣元接收到回波信號的信噪比進(jìn)行劃分。劃分標(biāo)準(zhǔn)是使各個(gè)子陣內(nèi)所有信號直接疊加后所得信號的信噪比大于5dB(2)集總相關(guān)校正步驟a，集總相關(guān)校正在每個(gè)子陣內(nèi)，各路信號Sn(n＝1，2，3...)跟參考信號A做集總相關(guān)校正，求得各路信號的相位偏差；b，消除相位偏差對每路信號做的相位延遲后得到Sn′；c，疊加將每個(gè)子陣內(nèi)的各路信號Sn′疊加得到每個(gè)子陣校正后的信號Sum n′，即得到了各個(gè)子陣內(nèi)部的合成波束。
(3)鄰近相關(guān)校正a，鄰近相關(guān)校正對集總相關(guān)校正后各個(gè)子陣的信號Sum n′做鄰近相關(guān)校正，即各個(gè)子陣的信號Sum n′與參考信號B做鄰近相關(guān)校正，求得各個(gè)子陣之間的相位偏差；b，消除相位偏差對各個(gè)子陣進(jìn)行的相位延遲；c，疊加將消除了相位偏差后各子陣的信號疊加，從而得到一條總的波束的數(shù)據(jù)。
在具體的集總相關(guān)校正步驟中，參考信號A為所在子陣內(nèi)所有信號的直接疊加之和Sum n；在具體的鄰近相關(guān)校正步驟中，參考信號B為任一子陣合成信號Sum n′；且在鄰近相關(guān)校正前，子陣內(nèi)合成信號的信噪比大于集總相關(guān)校正前合成信號的信噪比。
在具體的相控陣超聲二維陣列三維成像方法中還包括以下方法步驟A、發(fā)射聚焦步驟針對空間中的某一點(diǎn)，計(jì)算二維陣列中的每個(gè)陣元實(shí)現(xiàn)發(fā)射聚焦到該點(diǎn)所需要的延遲時(shí)間；通過控制二維陣列所有陣元的發(fā)射時(shí)間，完成發(fā)射聚焦；B、模數(shù)轉(zhuǎn)換及延遲聚焦步驟發(fā)射完成后，將所有陣元接收到的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；并根據(jù)聚焦點(diǎn)的位置進(jìn)行延遲聚焦；C、，波束合成方法步驟將各路信號根據(jù)上述提出的波束合成方法，先進(jìn)行子陣劃分，完成子陣內(nèi)的集總相關(guān)校正；再進(jìn)行子陣間的鄰近相關(guān)校正；后將各路信號根據(jù)檢測到的畸變做相應(yīng)相位延遲后再相加，從而得到一條波束，即完成了一條掃描線的掃描；D、重復(fù)掃描步驟針對預(yù)掃描空間中不同的點(diǎn)，重復(fù)A～C步，直至完成空間所有點(diǎn)的發(fā)射掃描；E、輸出顯示步驟取出所有數(shù)據(jù)中的最大值，等值面閾值的選擇定為比最大值低1/4倍。將三維圖像數(shù)據(jù)中是最大值1/4的數(shù)據(jù)連接成面，即完成三維圖像的顯示。
在實(shí)際的應(yīng)用中，上述三維成像方法應(yīng)用在醫(yī)學(xué)超聲與工業(yè)超聲中的相控陣超聲二維陣列三維成像中。
本發(fā)明解決了二維陣列探頭陣元面積小、回波信號弱、信噪比差，以及陣列在加工和應(yīng)用中不可避免地的造成部分陣元靈敏度變差或者失效的技術(shù)問題。利用本發(fā)明來實(shí)現(xiàn)相控陣超聲二維陣列三維成像檢測中的波束合成，克服了集總相關(guān)校正靈敏度偏差、鄰近相關(guān)校正中對信噪比敏感和存在誤差傳遞、積累的缺點(diǎn)；利用了集總相關(guān)校正抗噪聲干擾能力強(qiáng)；鄰近相關(guān)校正在信號信噪比較高時(shí)，估計(jì)精度較高的優(yōu)點(diǎn)，確保最終合成信號有更高的信噪比。
利用此發(fā)明可以解決相控陣超聲二維陣列三維成像中陣元信號信噪比較低，難以進(jìn)行波束合成的難題，具有重要的意義。


圖1是一維陣列和二維陣列及其焦點(diǎn)的示意圖；圖2是一維陣列得到二維圖像的掃描過程示意圖。
圖3是本發(fā)明方法中實(shí)現(xiàn)相控陣超聲二維陣列三維成像波束合成的原理圖，S1，S2，...，Sn是相位校正前的每路信號；Sum1，Sum2，...，Sumn是每個(gè)子陣所有信號的直接疊加所得的信號；S1′，S2′，...，Sn′是每路信號跟所在子陣直接疊加信號Sumn進(jìn)行集總相關(guān)校正后所得的每路信號；Sum1′，Sum2′...Sumn′是每個(gè)子陣在實(shí)現(xiàn)子陣內(nèi)集總相關(guān)校正后，自子陣內(nèi)各路信號疊加所得的信號。
圖4中3a是二維陣列及其檢測對象的示意圖，3b是二維陣列實(shí)現(xiàn)三維掃描得到多條數(shù)據(jù)線示意圖。
圖5不采用本發(fā)明的直接波束合成所成三維圖像的結(jié)果圖。
圖6采用本發(fā)明的波束合成方法所成三維圖像的結(jié)果圖。
上述各幅附圖的具體說明將結(jié)合具體實(shí)施方式
加以闡述。
具體實(shí)施例方式
圖1是一維陣列和二維陣列及其焦點(diǎn)的示意圖。
一維陣列探頭，陣元形狀是長條狀的，陣元面積較大，如圖1a所示。
二維陣列探頭，陣元呈小的正方形或矩形，陣元面積很小，如圖1b所示。
圖2一維陣列得到二維圖像的掃描過程示意圖。
通過控制各個(gè)陣元的發(fā)射和接收時(shí)間，在空間某條線上逐點(diǎn)地實(shí)現(xiàn)發(fā)射聚焦和接收聚焦，得到一條掃描線；多次重復(fù)后得到多條掃描線，從而完成二維圖像的扇形掃描。
圖3是本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)相控陣超聲二維陣列三維成像波束合成的原理圖，圖中S1，S2，...，Sn是相位校正前的每路信號；Sum1，Sum2，...，Sumn是每個(gè)子陣所有信號的直接疊加所得的信號；S1′，S2′，...，Sn′是每路信號跟所在子陣直接疊加信號Sumn進(jìn)行集總相關(guān)校正后所得的每路信號；Sum1′，Sum2′...Sumn′是每個(gè)子陣在實(shí)現(xiàn)子陣內(nèi)集總相關(guān)校正后，自子陣內(nèi)各路信號疊加所得的信號。
圖中所表示的三維成像方法中的波束合成方法包括下述步驟一種相控陣超聲二維陣列三維成像方法，且在所述三維成像方法中的波束合成方法包括下述步驟(1)劃分步驟對二維陣列中的各子陣進(jìn)行劃分；即根據(jù)每個(gè)子陣陣元接收到回波信號的信噪比進(jìn)行劃分。劃分標(biāo)準(zhǔn)是使各個(gè)子陣內(nèi)所有信號直接疊加后所得信號的信噪比大于5dB(2)集總相關(guān)校正步驟
a，集總相關(guān)校正在每個(gè)子陣內(nèi)，各路信號Sn(n＝1，2，3...)跟其參考信號A做集總相關(guān)校正，求得各路信號的相位偏差；b，消除相位偏差對每路信號做的相位延遲后得到Sn′；c，疊加將每個(gè)子陣內(nèi)的各路信號Sn′疊加得到每個(gè)子陣校正后的信號Sum n′，即得到了各個(gè)子陣內(nèi)部的合成波束。
(3)鄰近相關(guān)校正a，鄰近相關(guān)校正對集總相關(guān)校正后各個(gè)子陣的信號Sum n′做鄰近相關(guān)校正，即各個(gè)子陣的信號Sum n′與參考信號B做鄰近相關(guān)校正，求得各個(gè)子陣之間的相位偏差；b，消除相位偏差對各個(gè)子陣進(jìn)行的相位延遲；c，疊加將消除了相位偏差后各子陣的信號疊加，從而得到一條總的波束的數(shù)據(jù)。
在具體的集總相關(guān)校正步驟中，參考信號A為所在子陣內(nèi)所有信號的直接疊加之和Sum n；在具體的鄰近相關(guān)校正步驟中，參考信號B為任一子陣合成信號Sum n′；且在鄰近相關(guān)校正前，子陣內(nèi)合成信號的信噪比大于集總相關(guān)校正前合成信號的信噪比。
圖4a是二維陣列及其檢測對象的示意圖，圖4b是二維陣列實(shí)現(xiàn)三維掃描得到多條數(shù)據(jù)線示意圖。
圖4為相控陣超聲二維陣列實(shí)現(xiàn)三維掃描成像的示意圖。圖4a是二維陣列探頭與待檢對象的位置示意圖，二維陣列探頭置于待檢測對象上，待檢測對象中有預(yù)先加工好的人工缺陷(一個(gè)規(guī)則通孔)，通過控制陣元實(shí)現(xiàn)一個(gè)三角形平面上的順序掃描，如圖3a中虛線三角形所示(在該三角形平面內(nèi)的掃描如同圖2所示的一維陣列實(shí)現(xiàn)二維成像那樣得到多條數(shù)據(jù)線)。按照圖中虛線箭頭的方向，完成多個(gè)三角形平面的掃描，從而完成對金字塔形空間的掃描。圖4b是二維陣列通過電子掃描在一定的空間內(nèi)得到三維圖像數(shù)據(jù)(若干條數(shù)據(jù)線)的示意圖，每個(gè)黑點(diǎn)表示一條波束。在三維圖像顯示中，由于等值面法能夠顯示三維圖像的走向和形態(tài)，所以在完成對某個(gè)空間的掃描得到三維圖像數(shù)據(jù)后，通過顯示等值面的方法將待檢測對象的三維圖像顯示出來。
即在具體的相控陣超聲二維陣列三維成像方法中還包括以下方法步驟A、發(fā)射聚焦步驟針對空間中的某一點(diǎn)，計(jì)算二維陣列中的每個(gè)陣元實(shí)現(xiàn)發(fā)射聚焦到該點(diǎn)所需要的延遲時(shí)間；通過控制二維陣列所有陣元的發(fā)射時(shí)間，完成發(fā)射聚焦；B、模數(shù)轉(zhuǎn)換及延遲聚焦步驟發(fā)射完成后，將所有陣元接收到的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；并根據(jù)聚焦點(diǎn)的位置進(jìn)行延遲聚焦；C、，波束合成方法步驟將各路信號根據(jù)上述提出的波束合成方法，先進(jìn)行子陣劃分，完成子陣內(nèi)的集總相關(guān)校正；再進(jìn)行子陣間的鄰近相關(guān)校正；后將各路信號根據(jù)檢測到的畸變做相應(yīng)相位延遲后再相加，從而得到一條波束，即完成了一條掃描線的掃描；D、重復(fù)掃描步驟針對預(yù)掃描空間中不同的點(diǎn)，重復(fù)A～C步，直至完成空間所有點(diǎn)的發(fā)射掃描；E、輸出顯示步驟取出所有數(shù)據(jù)中的最大值，等值面閾值的選擇定為是最大值1/4。將三維圖像數(shù)據(jù)中是最大值1/4的數(shù)據(jù)連接成面，即完成三維圖像的顯示。
對于不同材質(zhì)的母材和檢測對象來說閾值選擇會有所不同，所以必須根據(jù)實(shí)際情況來確定。閾值的選擇以成像結(jié)果最能客觀反映待檢對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)。在三維成像實(shí)現(xiàn)過程中，以45#鋼中有氣孔為例，當(dāng)閾值N取-12dB時(shí)，三維成像具有很好的效果。
相控陣超聲二維陣列三維成像系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高分辨力三維成像最好的方法，是醫(yī)學(xué)超聲與工業(yè)超聲研究的熱點(diǎn)，其主要對探頭下方一定的空間進(jìn)行快速電子掃描得到三維圖像數(shù)據(jù)。由于二維陣列探頭中陣元面積小，回波信號弱、信噪比差，采用直接波束合成往往很難得到較好的圖像質(zhì)量。運(yùn)用本發(fā)明提出的波束合成方法，可以顯著地提高波束合成的質(zhì)量，從而提高最終三維超聲圖像的質(zhì)量。
上述方式只是本發(fā)明的一種實(shí)施方式，對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，在本發(fā)明公開了使用方法和原理的基礎(chǔ)上，很容易作出各種類型的改進(jìn)或變形，而不僅限于本發(fā)明上述具體實(shí)施方式
所描述的方法，因此前面描述的方式只是優(yōu)選地，而并不具有限制性的意義。
圖5不采用本發(fā)明的直接波束合成所成三維圖像的結(jié)果圖。
圖6采用本發(fā)明的波束合成方法所成三維圖像的結(jié)果圖。
采用本發(fā)明的波束合成方法后，所成三維成像更能反映實(shí)際情況，空間分辨力更高，圖像更清晰。
圖5，圖6是當(dāng)閾值N＝24dB時(shí)，不采用本發(fā)明直接波束合成和采用本發(fā)明得到的三維圖像。
權(quán)利要求
1，一種相控陣超聲二維陣列三維成像方法，其特征在于在所述三維成像方法中的波束合成方法包括下述步驟(1)劃分步驟對二維陣列中的各子陣進(jìn)行劃分；即根據(jù)每個(gè)子陣陣元接收到回波信號的信噪比進(jìn)行劃分；(2)集總相關(guān)校正步驟a，集總相關(guān)校正在每個(gè)子陣內(nèi)，各路信號Sn(n＝1，2，3...)跟參考信號A做集總相關(guān)校正，求得各路信號的相位偏差；b，消除相位偏差對各路信號做的相位延遲后得到Sn′；c，疊加將每個(gè)子陣內(nèi)的各路信號Sn′疊加得到每個(gè)子陣校正后的信號Sum n′，即得到了各個(gè)子陣內(nèi)部的合成波束；(3)鄰近相關(guān)校正a，鄰近相關(guān)校正對集總相關(guān)校正后各個(gè)子陣的信號Sum n′做鄰近相關(guān)校正，即各個(gè)子陣的信號Sum n′與參考信號B做鄰近相關(guān)校正，求得各個(gè)子陣之間的相位偏差；b，消除相位偏差對各個(gè)子陣進(jìn)行的相位延遲；c，疊加將消除了相位偏差后各子陣的信號疊加，從而得到一條總的波束的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣超聲二維陣列三維成像方法，其特征在于在上述(1)的劃分步驟中，是根據(jù)每個(gè)子陣陣元接收到回波信號的信噪比的大小劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)是使各個(gè)子陣內(nèi)所有信號直接疊加后所得信號的信噪比大于5dB。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣超聲二維陣列三維成像方法，其特征在于在(2)集總相關(guān)校正步驟中，參考信號A為所在子陣內(nèi)所有信號的直接疊加之和Sum n；在(3)鄰近相關(guān)校正步驟中，參考信號B為任一子陣合成信號Sum n′；且在鄰近相關(guān)校正前，子陣內(nèi)合成信號的信噪比大于集總相關(guān)校正前合成信號的信噪比。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣超聲二維陣列三維成像方法，其特征在于在成像方法中，三維圖像的顯示方法采用等值面顯示方法，等值面的閾值為-12db。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣超聲二維陣列三維成像方法，其特征在于所述成像方法還包括A、發(fā)射聚焦步驟針對空間中的某一點(diǎn)，計(jì)算二維陣列中的每個(gè)陣元實(shí)現(xiàn)發(fā)射聚焦到該點(diǎn)所需要的延遲時(shí)間；通過控制二維陣列所有陣元的發(fā)射時(shí)間，完成發(fā)射聚焦；B、模數(shù)轉(zhuǎn)換及延遲聚焦步驟發(fā)射完成后，將所有陣元接收到的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；并根據(jù)聚焦點(diǎn)的位置進(jìn)行延遲聚焦；C、波束合成方法步驟將各路信號根據(jù)上述提出的波束合成方法，先進(jìn)行子陣劃分，完成子陣內(nèi)的集總相關(guān)校正；再進(jìn)行子陣間的鄰近相關(guān)校正；后將各路信號根據(jù)檢測到的畸變做相應(yīng)相位延遲后再相加，從而得到一條波束，即完成了一條掃描線的掃描；D、重復(fù)掃描步驟針對預(yù)掃描空間中不同的點(diǎn)，重復(fù)A～C步，直至完成空間所有點(diǎn)的發(fā)射掃描；E、輸出顯示步驟取出所有數(shù)據(jù)中的最大值，等值面閾值是最大值的1/4倍；將三維圖像數(shù)據(jù)中是最大值1/4的數(shù)據(jù)連接成面，即完成三維圖像的顯示。
6，根據(jù)權(quán)利1-5所述的一種相控陣超聲二維陣列三維成像方法的應(yīng)用，其特征在于三維成像方法應(yīng)用在醫(yī)學(xué)超聲與工業(yè)超聲中的相控陣超聲二維陣列三維成像。
全文摘要
本發(fā)明屬于超聲檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種相控陣超聲二維陣列三維成像方法。且在所述三維成像方法中的波束合成方法包括劃分步驟集總相關(guān)校正步驟鄰近相關(guān)校正步驟。本發(fā)明解決了二維陣列探頭陣元面積小、回波信號弱、信噪比差，以及陣列在加工和應(yīng)用中不可避免地的造成部分陣元靈敏度變差或者失效的技術(shù)問題。本發(fā)明利用了集總相關(guān)校正抗噪聲干擾能力強(qiáng)；鄰近相關(guān)校正在信號信噪比較高時(shí)，估計(jì)精度較高的優(yōu)點(diǎn)，確保最終合成信號有更高的信噪比。
文檔編號G01N29/00GK101077306SQ20071011842
公開日2007年11月28日 申請日期2007年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)明者楊平 申請人:中國計(jì)量科學(xué)研究院