合成孔径聚焦超声成像方法研究

1引言

对于一个传统的阵列换能器超声成像系统来说，系统的方位分辨率是由换能器的长度和工作波长决定的，要提高系统的方位分辨率，通常只有两种途径：采用大孔径换能器或应用高的工作频率。但是在很多介质中，随着频率的升高，声波的传播损耗越来越大，其穿透深度越来越小，因此高方位分辨率和大的探测范围就构成了一对矛盾[1]。

从合成孔径雷达技术发展过来的合成孔径聚集成像方法突破了以上超声成像系统方位分辨率的经典概念。根据理论分析，合成孔径超声成像系统的方位分辨率是换能器基元尺寸的一半，基元换能器孔径d 越小，方位分辨率越高。由此可见，采用合成孔径技术能带来的好处是可以用小孔径的实际基元换能器和较低的工作频率，对位于远处的目标物作具有高方位分辨率的探测、

观察。该技术突破了经典概念的限制，解决了直接成像技术中对系统设计参数的一些互相矛盾的要求。

本文对合成孔径聚集技术（SAFT ）进行了研究，根据换能器阵列的声场辐射理论对成像进行了建模，并利用MAT －LAB 对模型进行了数值仿真，分析了影响成像质量的参数，最后利用超声成像实验系统对标准试块进行了成像实验，实验结果表明，采用合成孔径成像方法能够有效地提高成像的方位分辨率。

2合成孔径聚焦成像原理

合成孔径聚焦成像的扫描方式如图1所示，换能器阵

列中的基元换能器依次向成像区域发送脉冲信号，并接收和储存检测信号，直到扫描完成[2]。

图1合成孔径成像扫描方式

图1中换能器阵元数为N ，阵元间距为d ，发射孔径距孔径中心的间距为x n ，成像点与扫面线垂直的平面偏转角为θ，成像点距孔径中心距离为r ，

距发射孔径为r n 。N 阵元的合成孔径延时叠加的表示式为：

式中：c 为波速；τn 可以近似表示为。

假设发射信号采用高斯信号，表达式如下式所示：

式中：A 为发射系数，f 0为换能器基频。

接收信号的表达式如下所示：

式中：

τn 为接收延迟；K 为接收系数，按照高斯分布来确定，τn 的计算按前述。

合成孔径聚焦超声成像方法研究

杜英华，张聪颖，陈世利，孙芳，刘婧，靳世久

(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072)

摘

要：合成孔径聚焦成像方法（SAFT ）具有分辨率高、能在近场区工作的优点，是超声成像领域发展起来的新技

术。文中介绍了合成孔径超声成像的原理，根据换能器阵列的声场辐射理论建立了数学模型，利用MATLAB 对模型进行了数值仿真，最后进行了合成孔径超声成像实验。实验结果表明，合成孔径成像方法能够有效提高成像系统的分辨率。

关键词：SAFT ；合成孔径；超声成像中图分类号：TB56

文献标识码：B

文章编号：1003-2029（2010）02-0094-03

第29卷第2期2010年6月海洋技术

OCEAN TECHNOLOGY

Vol.29，No.2June ，2010

收稿日期：2009-12-20

基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（60534050）。

作者简介：杜英华（1974-），女，河北人，博士，主要研究方向为精密

仪器及机械。

合成孔径聚焦原理如图2所示。纵向的竖线代表一个换能器波束，横向的线代表采样扫描线。

图2合成孔径聚焦成像原理

换能器的超声信号都以一定的扩散角进行发散，一般用信号的-6dB带宽表示，在图中如θ所示，计算方法如下：

从图2中可以看出，对于成像点P1，在扩散角θ作用下，共有5点参与成像，N1，N2，N1'，N2'，P1，N1位于M-1和M之间，所以，对于P1重建点，N1的整数延时系数为0，小数延时系数确定过程如下：

N2的整数延时系数为1，小数延时系数确定过程如下：

因为N1'，N2'与N1，N2，在位置上对称，所有整数系数和小数系数相同。

这样，P1点的重建公式可以表示为：

3合成孔径聚焦成像的数值模拟

根据以上原理，利用MATLAB对合成孔径聚焦成像方法进行了数值模拟。假设成像区域内有两个缺陷点，它们平行于扫描平面，换能器接收到的回波信号如图3所示。

回波的等高线图如图4所示。从图中可以看出，未经合成孔径聚集处理的回波图像分辨率不高，两个缺陷点不能有效地区分开。

图4回波图像等高线图

利用合成孔径聚集算法处理后的图像如图5所示。从图中可以看出，经过算法处理后，图像的分辨率有明显的提高，两个缺陷点能够区分开，并且经过合成孔径聚集技术处理的图像分辨率是不随深度变化的。

图5合成孔径聚集技术重建图像

4合成孔径聚焦成像实验

为了进一步对多阵元合成孔径聚焦方法进行实际成像研究，以便得到真实的扫描数据，并按照合成孔径方法对数据进行处理，从而更全面地了解这种方法在实际成像中的成像精度、分辨率和对比度等方面的特性，本文利用Matrix公司生产的超声实验设备进行了成像实验，并对数据进行了后续处理和数据分析，提炼出了相应的特征参数，从实际验证了这种成像方法的优缺点和成像特性。

图6(a)是对标准试块单缺陷点进行扫描的回波示意图。

从图中可以看出，回波信号和数值模拟符合度较高，真实地图3缺陷点回波信号波形图

杜英华等：合成孔径聚焦超声成像方法研究

第2期95

海洋技术第29卷

反映回波的强度和时间。图6(b)是回波信号的信噪比。根据分贝下降法[3]，取比最高回波幅值低6dB 的回波幅值为“标准”

高度，测量中出现回波高度超过“标准”幅值的探头移动距离，定义为缺陷的长度。根据这种方法，可以估算出缺陷的尺寸，进而推算出成像的分辨率。

(a)

(b)

图6单缺陷点回波及信噪比

对于此单缺陷点的成像，根据所发声波的波速6300m/s 、换能器间距0.5mm ，计算出延迟时间矩阵，然后对各列数据进行移位叠加的合成孔径处理，重建图像以及重建后的图像信噪比分别如图7(a)，(b)所示。

(a)(b)

图7合成孔径聚集处理后图像及信噪比

从图中可以看出，经过合成孔径算法处理后，图像的质量有很大的改善，根据-6dB 法，在处理前的方位分辨率为10mm ，处理后降低为5mm ，分辨率有了成倍的提高。

5结论

通过实验结果表明，合成孔径成像方法具有良好的声束形成能力，提高了系统分辨率，具有较好的成像质量。合成孔径聚焦成像方法在海洋超声检测、无损探伤领域具有很高的应用前景

。

参考文献：

[1]孙宝申,沈建中.合成孔径聚集超声成像(一)[J].应用声学,1993,12(3):43-48.[2]蔡兰等.合成孔径聚焦成像方法研究[J].武汉工业大学学报,1996,18(1):84-87.[3]冯若.超声手册[M].南京:南京大学出版社,1999，

364-365.

Research of Synthetic Aperture Focus Technology in Ultrasonic Imaging

DU Ying-hua,ZHANG Cong-ying ，CHEN Shi-li,SUN Fang,LIU Jing,JIN Shi-jiu

（State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments,Tianjin University,Tianjin 300072,China ）

Abstract ：Synthetic aperture focusing technique (SAFT)has the advantage of high resolution and being used in near-field.The prin -ciple of SAFT and simulation results using MATLAB is introduced.The testing results illustrates that this technology has high ultra -sound formation ability,high lateral resolution and good performance.

Key words:synthetic aperture focusing technique;beam forming;ultrasonic imaging

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