合成孔徑聚焦超聲成像 ——畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　合成孔徑超聲聚焦成像作為一種超聲處理方法，可以將小孔徑合成為大孔徑進(jìn)行成像，可以通過(guò)較低的工作頻率和較小的換能器孔徑得到較高的分辨率。在發(fā)射信號(hào)時(shí)，每個(gè)發(fā)射單元都可以作為點(diǎn)陣元發(fā)射，向目標(biāo)發(fā)射聲束。在接受信號(hào)時(shí)，每個(gè)接收單元依次將來(lái)自物體各點(diǎn)的信號(hào)接收同時(shí)存儲(chǔ)，然后對(duì)各點(diǎn)陣元接收到的信號(hào)進(jìn)行延遲計(jì)算，就得到物體的聚焦成像。與

2、直接成像技術(shù)相比較, 合成孔徑成像技術(shù)的特點(diǎn)是可以用小孔徑的換能器以及低的工作頻率來(lái)獲得比較高的方位分辨率，而且圖像的分辨率不隨位置和深度發(fā)生變化。在相同條件下，使用合成孔徑超聲聚焦的方法可以使圖像的分辨率更高，成像質(zhì)量更好。本文介紹了合成孔徑成像的原理以及合成孔徑成像的幾種工作方式，并使用MATLAB軟件進(jìn)行波束仿真，分析合成孔徑聚焦成像在不同方式下的成像效果，通過(guò)比較得知各個(gè)因素對(duì)合成孔徑超聲聚焦的影響。</p>&l

3、t;p>　　關(guān)鍵詞：合成孔徑 聚焦成像 超聲成像 圖像分辨率</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Synthetic aperture focusing ultrasound imaging as an ultrasonic processing method that can be a small synthetic ap

4、erture imaging is a large aperture , high resolution can be obtained with lower operating frequencies and smaller transducer aperture . When transmitting signals, each transmitting unit can transmit a point element , the

5、 emission beam to the target , when receiving the signal , a receiving unit, each of the object points of the signal from the receiver while storing , for each matrix</p><p>　　Key words: Synthetic aperture

6、Focus Imaging Ultrasound Imaging Image Resolution</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1

7、.2傳統(tǒng)超聲成像方法概述1</p><p>　　1.3超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)3</p><p>　　1.4合成孔徑聚焦超聲成像發(fā)展現(xiàn)狀5</p><p>　　1.5本文研究的意義及主要內(nèi)容7</p><p>　　第二章 合成孔徑超聲聚焦成像原理9</p><p>　　2.1合成孔徑成像原理9</p>

8、<p>　　2.2聚焦延時(shí)偏轉(zhuǎn)計(jì)算10</p><p>　　2.3延時(shí)疊加波束形成11</p><p>　　2.4波束的控制方法13</p><p>　　第三章 合成孔徑成像17</p><p>　　3.1合成孔徑聚焦17</p><p>　　3.2多陣元合成孔徑超聲聚焦18</p>

9、<p>　　3.3合成接收孔徑成像20</p><p>　　3.4合成聚焦成像21</p><p>　　3.5合成發(fā)射孔徑22</p><p>　　第四章 合成孔徑聚焦成像中各個(gè)參數(shù)的影響25</p><p>　　4.1換能器陣元數(shù)對(duì)成像的影響25</p><p>　　4.2陣元間距對(duì)合成孔徑成

10、像的影響26</p><p>　　4.3子陣元孔徑數(shù)對(duì)合成孔徑成像的影響27</p><p>　　第五章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)仿真29</p><p>　　5.1陣元數(shù)對(duì)成像的影響29</p><p>　　5.2窗函數(shù)對(duì)成像的影響30</p><p>　　5.3陣元間距對(duì)成像的影響31</p><p

11、>　　5.4子孔徑陣元數(shù)對(duì)成像的影響33</p><p>　　5.5水平孔徑對(duì)合成孔徑成像的影響34</p><p><b>　　5.6小結(jié)35</b></p><p><b>　　第六章 總結(jié)37</b></p><p><b>　　致謝39</b></

12、p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　合成孔徑超聲聚焦成像是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的成像方法。它是由合成孔徑雷達(dá)技術(shù)發(fā)展過(guò)來(lái)的。這是一種利用超聲波來(lái)獲得圖

13、像的一種成像方法。利用超聲成像的方法時(shí)，由于聲波可以穿透物體，就可以利用超聲波來(lái)獲得物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等信息，從而就可以得到不透光物體內(nèi)部聲學(xué)特性的成像[]。在傳統(tǒng)的超聲成像系統(tǒng)中，方位分辨率為，其中是換能器的半功率波束角，R是目標(biāo)到換能器的斜距，D是換能器長(zhǎng)度，是工作波長(zhǎng)。由此可以知道，要提高方位分辨率，只能使用大孔徑換能器或者提高工作頻率。但是使用大孔徑換能器，會(huì)使成本提高和硬件要求更高；使用高工作頻率，聲波在傳播過(guò)程中會(huì)有很大的損耗，

14、造成穿透深度越來(lái)越小，從而不能探測(cè)到理想范圍。合成孔徑聚焦成像分為兩個(gè)步驟，即數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的圖像重建。與傳統(tǒng)成像算法相比，合成孔徑聚焦成像有兩個(gè)特點(diǎn)，一是可以使用小孔徑的換能器和較低的工作頻率得到較高的圖像分辨率；二是可以在近場(chǎng)區(qū)工作，提高成像的分辨率和信噪比。合成孔徑超聲成像在現(xiàn)代有著廣泛的應(yīng)用，如探地雷達(dá)，地震預(yù)報(bào)，醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。</p><p>　　1.2傳統(tǒng)超聲成像方法概述</p>

15、;<p>　　超聲成像技術(shù)被一直廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有著重要地位，還具有廣闊的發(fā)展前景。在醫(yī)學(xué)中，超聲診斷在臨床上已經(jīng)取代了很多傳統(tǒng)的診斷方法，主要是由于儀器不斷更新?lián)Q代，同時(shí)還有方法簡(jiǎn)便，診斷準(zhǔn)確率越來(lái)越高等優(yōu)點(diǎn)。超聲診斷技術(shù)是應(yīng)用超聲具有良好的指向性和反射，散射，衰減等物理特性，利用不同的物理參數(shù)，使用不同類型的超聲診斷儀器，使用不同的掃描方法，超聲波發(fā)射到體內(nèi)，當(dāng)正常組織和病變組織的聲阻抗不同，那么反射和

16、散射的超聲回波信號(hào)的接收，再將超聲反射和散射的回聲信號(hào)接收，再加以檢波等處理后，就顯示為波形、曲線或圖像。超聲診斷的種類較多，如A型即超聲示波診斷法，B型即二位超聲顯像診斷法，M型即超聲光點(diǎn)掃描法等。</p><p>　?、?A型超聲診斷法[]也稱為超聲示波診斷法。這種方法為幅度調(diào)制型，是將回聲以波的形式顯示出來(lái)。在此種方法中，回聲強(qiáng)波的幅度就會(huì)很高，回聲弱波的幅度就會(huì)很低。在同一示波器顯示屏上，可以顯示單項(xiàng)或雙

17、相波形。在示波器顯示屏上，橫坐標(biāo)表示回聲的時(shí)間（距離），縱坐標(biāo)表示回聲信號(hào)的強(qiáng)弱 。A型超聲診斷儀通常是用來(lái)測(cè)量組織界面距離，器官大小以及鑒別病變的物理性質(zhì)。這種方法的結(jié)果比較準(zhǔn)確，是最早興起和使用的超聲診斷法。目前此方法已大多被其他方法取代了。</p><p>　?、?B型超聲診斷法[]也稱為二維超聲顯像診斷法。這種方法為輝度調(diào)制型，是將回聲信號(hào)以光點(diǎn)的形式顯示出來(lái)。在此種方法中，回聲強(qiáng)光點(diǎn)就很亮，回聲弱光點(diǎn)

18、就會(huì)暗。光點(diǎn)是隨探頭的移動(dòng)或晶片的交替輪換而移動(dòng)掃描。這種方法是二維空間顯示的，又稱二維法，主要是由于掃描是連續(xù)的，可以由點(diǎn)、線而掃描出臟器的解剖切面。按成像的速度，又可分為慢速成像法和快速成像法。慢速成像只能顯示器官的靜態(tài)解剖圖像，具有圖像清晰、逼真，掃描與檢查的空間范圍較大等優(yōu)點(diǎn)?？焖俪上窦夹g(shù)能顯示器官的活性，同時(shí)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)成像診斷，但顯示的區(qū)域比較小。B 型超聲診斷法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像顯示，顯示的影像具有真實(shí)、直觀等優(yōu)點(diǎn)，具有

19、很高的診斷價(jià)值，受到醫(yī)學(xué)界的高度重視，目前醫(yī)學(xué)界已經(jīng)普遍接受了這種成像方法。雖然 B 型超聲波成像診斷儀臨床應(yīng)用的歷史不長(zhǎng)，但是發(fā)展卻非常迅速，在各級(jí)醫(yī)院應(yīng)用極為廣泛。</p><p>　?、?M型超聲診斷法也稱為超聲光點(diǎn)掃描診斷法。它的顯示原理類似于 B 型顯示，都是以不同的灰階來(lái)反映回聲的強(qiáng)弱，都是采用輝度調(diào)制。這種方法是B型超聲中的一種特殊的顯示方式，即是在輝度調(diào)制型中加入慢掃描鋸齒波，讓回聲光點(diǎn)從左向右

20、進(jìn)行移動(dòng)自動(dòng)掃描。橫坐標(biāo)為光點(diǎn)慢掃描時(shí)間，縱坐標(biāo)為掃描時(shí)間線，即超聲的傳播時(shí)間（回聲代表被測(cè)結(jié)構(gòu)所處的深度位置）。當(dāng)探頭固定在一點(diǎn)掃描時(shí)，可以從光點(diǎn)的移動(dòng)來(lái)觀察反射體的深度及其活動(dòng)狀況，顯示出時(shí)間位置曲線圖。常以此方法探測(cè)心臟，故常稱為M型超聲心動(dòng)圖，目前一般作為二維彩色多普勒超聲心電圖儀的一種顯示模式設(shè)置于儀器上。</p><p>　?、?D型超聲診斷儀也稱為超聲多普勒診斷儀。這種方法是應(yīng)用多普勒效應(yīng)原理，即

21、當(dāng)超聲發(fā)射體（探頭）和反射體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回聲的頻率就會(huì)發(fā)生改變。頻率的變化為距離變近則頻率增加，距離變遠(yuǎn)則頻率減少。其增減的數(shù)字（差頻）可用檢波器檢出，用不同類型的儀器可顯示出多普勒信號(hào)音和多普勒曲線圖，用脈沖多普勒可獲得多普勒超聲頻譜圖。這種方法可觀察血流的方向和速度。D型診斷法還有很多應(yīng)用種類，如多普勒超聲聽(tīng)診法，多普勒超聲頻譜診斷法與彩色多普勒超聲，彩色多普勒血流成像法和彩色多普勒能量圖法等。多普勒超聲聽(tīng)診法可以早期聽(tīng)取胎心

22、、胎動(dòng)。多普勒超聲頻譜診斷法與彩色多普勒超聲一般是在二維聲像圖上，選取固定的取樣線，取樣點(diǎn)，然后提取多普勒信號(hào)，從而顯示出多普勒頻譜圖，用脈沖多普勒可以探測(cè)心臟、血管內(nèi)血液的流向、流速以及流量，并可同時(shí)聽(tīng)取多普勒信號(hào)音。彩色多普勒血流成像法是將彩色多普勒與二維超聲疊加的成像方法，可以全程進(jìn)行實(shí)時(shí)二維彩色多普勒血流顯像。彩色多普勒能量圖法也為稱能量圖法，是采取多普勒信號(hào)的強(qiáng)度與范圍、能量也即信號(hào)振幅的大小來(lái)進(jìn)行成像的方法。</p&g

23、t;<p>　　1.3超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)</p><p>　　超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[]是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高而且是發(fā)展較快的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。超聲檢測(cè)技術(shù)正向著高準(zhǔn)確度，高可靠性方向發(fā)展。目前超聲波檢測(cè)[]已經(jīng)成為五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[]之一，五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分別為RT=射線探傷；PT=滲透探傷；MT=磁粉探傷；ET=渦流探傷；UT=超聲波探傷[]。超聲檢測(cè)其實(shí)質(zhì)是以波動(dòng)形式在彈性介質(zhì)中

24、的傳播的機(jī)械振動(dòng)就是超聲波在介質(zhì)中傳播。超聲檢測(cè)超聲波與被檢測(cè)工件相互碰撞，由于超聲波具有反射、透射和散射等特性，從而對(duì)被檢測(cè)的工件進(jìn)行缺陷檢測(cè)、對(duì)被檢測(cè)的工件的幾何特性進(jìn)行測(cè)量、對(duì)被檢測(cè)工件的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化進(jìn)行檢測(cè)和表征，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。由于超聲技術(shù)穿透力強(qiáng)，對(duì)身體無(wú)害，還有很多優(yōu)點(diǎn)如檢測(cè)深度大，范圍廣，成本低等，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中。檢測(cè)出工件中的缺陷，并確定缺陷的位置，大小和性質(zhì)是無(wú)損檢測(cè)技

25、術(shù)的基本目的。在成像方法上，除了有傳統(tǒng)的A、B、M、D掃描成像方法外，還有相控陣超聲成像、衍射波時(shí)差法超聲成像和聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)等成像方法。</p><p>　　㈠ 相控陣超聲成像技術(shù)[]是采用一個(gè)換能器陣列來(lái)產(chǎn)生和接收超聲波波束。通常情況下，在一維上排列若干單元換能器組成線陣，每個(gè)單元換能器都連接著各自獨(dú)立的發(fā)射和時(shí)間延時(shí)電路。然后再把這些獨(dú)立電路分別連接到一個(gè)或多個(gè)通道開(kāi)關(guān)上，應(yīng)用多通道開(kāi)關(guān)每次按照事先設(shè)計(jì)的序

26、列和延遲，依靠電子開(kāi)關(guān)切換并以此激勵(lì)各單元換能器。所以各單元換能器發(fā)射的超聲波都是具有可以控制的確定相位。把換能器單元在檢測(cè)對(duì)象中產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行相干迭加，又因?yàn)槠湎辔魂P(guān)系各不相同，會(huì)產(chǎn)生“相長(zhǎng)干涉”和“相消干涉”。這樣就得到預(yù)先希望的波束入射角度和焦點(diǎn)位置。如果設(shè)計(jì)不同的激勵(lì)序列和延遲時(shí)間，就可以得到具有不同入射角度和焦點(diǎn)位置的波束。</p><p>　　相控陣超聲成像就是通過(guò)控制換能器中各陣元激勵(lì)脈沖的時(shí)間延

27、遲，改變由各陣元發(fā)射或接收聲波到達(dá)物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)線掃描或扇掃描。</p><p>　　相控陣超聲成像技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)，如相控陣超聲成像技術(shù)可以應(yīng)用電子掃描和聚焦，無(wú)需機(jī)械運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)速度快，只需要在一個(gè)位置放置探頭就可以生成被檢測(cè)物體的完整圖像，而且還可以檢測(cè)形狀復(fù)雜的物體。</p><p>　?、?衍射時(shí)差法超聲成像技術(shù)[]也叫裂紋端點(diǎn)衍射法或尖端反射法，是一種依靠從端點(diǎn)處和缺

28、陷的端角得到的衍射能量來(lái)檢測(cè)缺陷的方法。衍射時(shí)差法主要是通過(guò)缺陷端部產(chǎn)生的衍射信號(hào)之間的時(shí)間差來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量。通過(guò)材料的聲速以及衍射波的傳播時(shí)間，我們就可以計(jì)算出缺陷的自身高度。衍射時(shí)差法還可以檢測(cè)兩個(gè)探頭之間直接傳播的表面波和沒(méi)受到缺陷影響抵達(dá)試件內(nèi)壁的反射信號(hào)，然后通過(guò)表面波發(fā)射作為參照，以表面波與衍射脈沖的時(shí)差來(lái)計(jì)算出缺陷的深度。</p><p>　　衍射時(shí)差法超聲成像具有很多優(yōu)點(diǎn)，如檢測(cè)速度快，定

29、位準(zhǔn)確，定位精度高和可以確定缺陷尺寸等優(yōu)點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)果更加直觀。該技術(shù)目前廣泛的應(yīng)用于焊縫檢測(cè)，是因?yàn)檠苌鋾r(shí)差法對(duì)于判定缺陷的真實(shí)性和準(zhǔn)確定量十分有效。目前該技術(shù)主要應(yīng)用在西氣東輸管道及海底輸油管道中。</p><p>　?、?聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)[]中的聲發(fā)射是一種物理現(xiàn)象，大多數(shù)金屬材料塑性變形和斷裂時(shí)都會(huì)有聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)生，但是這種信號(hào)的強(qiáng)度很弱，只有采用特殊的具有很高靈敏度的儀器才能檢測(cè)到。由于各種材料的聲發(fā)射頻率

30、范圍很寬，包括次聲頻，聲頻，超聲頻。聲發(fā)射技術(shù)就是指利用儀器檢測(cè)、分析聲信號(hào)并利用聲發(fā)射信息來(lái)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)。</p><p>　　㈣ 電磁超聲檢測(cè)技術(shù)[]雖然和傳統(tǒng)的壓電超聲同屬于超聲范圍，電磁超聲的本質(zhì)區(qū)別就在于換能器不同，也就是發(fā)射接收方式不同。壓電超聲換能器是依靠壓電鏡片的壓電效應(yīng)發(fā)射和接收超聲波的，是在晶片上進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的。電磁超聲是考電磁效應(yīng)發(fā)射和接收超聲波的。是在被測(cè)工件表面的趨膚層內(nèi)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)

31、換的，不需要任何耦合介質(zhì)。在交變的磁場(chǎng)中鐵磁金屬內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮現(xiàn)象，然后金屬內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生彈性波，此效應(yīng)具有可逆性，人們把用該方法激發(fā)和接收的超聲波稱為電磁超聲。</p><p>　　1.4合成孔徑聚焦超聲成像發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　合成孔徑聚焦超聲成像最早是出現(xiàn)1967年Mahnaflux公司的John J.Flaherty等人申請(qǐng)的專利“合成孔徑超聲成像系統(tǒng)”中，最早提出了把“

32、合成孔徑”應(yīng)用于超聲成像中，以此來(lái)提高超聲系統(tǒng)的分辨率[]。在此之后，合成孔徑便廣泛的應(yīng)用到超聲檢測(cè)中。合成孔徑成像對(duì)掃描數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和后期的數(shù)據(jù)處理對(duì)硬件有比較高的要求，但是由于當(dāng)時(shí)的集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)達(dá)不到要求的水平，所以合成孔徑成像局限于實(shí)驗(yàn)室研究。</p><p>　　1978年美國(guó)斯坦福大學(xué)的Edward L.Ginzton實(shí)驗(yàn)室研制出了第一個(gè)數(shù)字化的合成孔徑超聲成像系統(tǒng)[]。 在該系統(tǒng)中，換能器的單個(gè)

33、陣元依次發(fā)射，然后將回波存儲(chǔ)在隨機(jī)存儲(chǔ)器中，當(dāng)所有陣元都發(fā)射完成，計(jì)算機(jī)通過(guò)聚焦算法，生成一幅由多條逐點(diǎn)聚焦的掃描線組成的圖像。</p><p>　　1988年，日本三菱公司YOSHIHIKO OZAKI等人提出了對(duì)合成孔徑成像系統(tǒng)的改進(jìn)方案[]。</p><p>　　1992年美國(guó)杜克大學(xué)的Levin F.Nock等人提出了合成接收孔徑的概念[]。合成接收孔徑的工作模式是發(fā)射時(shí)是全孔徑發(fā)

34、射，接收時(shí)是子孔徑接收。工作原理即第一次全孔徑發(fā)射，子孔徑開(kāi)始接收，然后接收陣元把收到的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)疊加存儲(chǔ)；第二次全孔徑發(fā)射，下一個(gè)子孔徑接收，將回波信號(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)疊加后存儲(chǔ)。然后把這兩組存儲(chǔ)器中的信號(hào)合成為一條掃描線。Levin F.Nock等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真，得到結(jié)論：合成接收孔徑成像比同等條件下的相控陣和合成聚焦成像方法的分辨率更高，而且系統(tǒng)造價(jià)更低。</p><p>　　1997年挪威Oslo大學(xué)的S

35、verre Holm提出了一種可以提高系統(tǒng)幀頻的合成發(fā)射孔徑成像方法[]，主要是采用發(fā)射時(shí)是子孔徑發(fā)射，接收時(shí)是全孔徑接收。這種方法中子孔徑的大小決定系統(tǒng)的復(fù)雜度。</p><p>　　1995年美國(guó)密歇根大學(xué)的Mustafa K araman等人提出了多陣元合成孔徑的概念[]。多陣元合成孔徑成像主要是用多個(gè)換能器陣元發(fā)射和接收的模式。</p><p>　　合成孔徑聚焦超聲成像是對(duì)回波數(shù)據(jù)

36、進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，所以能更好的應(yīng)用各種信號(hào)處理技術(shù)來(lái)提高成像質(zhì)量。</p><p>　　合成孔徑聚焦在醫(yī)學(xué)上有廣闊的應(yīng)用。1996年H.Ermert等人研究分析了提高合成孔徑用于血管內(nèi)超聲成像分辨率的方法[]。J.A.Jessen等人利用合成孔徑方法將超聲回波以沿血流的方向進(jìn)行聚焦，測(cè)出了血流的速度和方向[]</p><p>　　合成孔徑成像在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，由于通常是使用便攜式儀器對(duì)管

37、道進(jìn)行檢測(cè)，而合成孔徑成像方法需要很高的硬件條件，同時(shí)計(jì)算量也很大，這就使合成孔徑成像在無(wú)損檢測(cè)方面難度較大。隨著時(shí)代的發(fā)展，芯片的體積越來(lái)越小，集成度越來(lái)越高，合成孔徑成像在無(wú)損檢測(cè)方面很有效。S.I.Nikolov等人設(shè)計(jì)使用FPGA實(shí)現(xiàn)合成孔徑聚焦波束合成器，該波束合成器采用Xilinx公司的V4FX100實(shí)現(xiàn)，最高工作頻率為167.8MHz[]。</p><p>　　1992年中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所孫寶申，

38、沈建中首先引入了合成孔徑聚焦超聲成像[]的概念，分析了合成孔徑聚焦超聲成像的基本原理，方法同時(shí)還對(duì)回波信號(hào)時(shí)域處理的接收技術(shù)以及頻域處理的匹配濾波技術(shù)進(jìn)行介紹。之后孫寶申等提出了合成孔徑聚焦超聲成像的時(shí)域算法[]。</p><p>　　2003年畢永年等人首次將應(yīng)用了合成孔徑技術(shù)應(yīng)用到了醫(yī)學(xué)中[] ，完成了用于B超的合成接收孔徑系統(tǒng)前端的硬件設(shè)計(jì)，利用的是合成接收孔徑方法。系統(tǒng)換能器為24通道，發(fā)射2次，接收2次

39、，掃描深度為25cm，AD采用8位25MHz時(shí)鐘，延時(shí)聚焦精度為10ns。合成接收孔徑可以在降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度的同時(shí)還能提高B超的圖像分辨率。</p><p>　　2006年鋼鐵等人在TOFD成像中用到了合成孔徑聚焦技術(shù)[]，并且提出了一種新的超聲TOFD法B掃描圖像處理技術(shù)L_SAFT(linearization_SAFT)。先對(duì)鋁合金屬板的焊縫進(jìn)行B掃描，在根據(jù)換能器和缺陷端部的幾何關(guān)系，建立SAFT圖像的

40、數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)B掃描的SAFT重建。這種方法提高了圖像的分辨率，可以更加快速，準(zhǔn)確的捕捉裂紋端部的位置。</p><p>　　2008年李秋鋒對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的超聲成像進(jìn)行研究，建立一個(gè)合成孔徑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[]，在這個(gè)系統(tǒng)中換能器的收發(fā)方式是單孔徑收發(fā)，還有信號(hào)發(fā)生器，數(shù)據(jù)采集器，功率放大器，收發(fā)傳感器等組成。在該文章中對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行的圖像的進(jìn)行對(duì)比，可以知道，利用合成孔徑超聲聚焦成像算法可以提高成像的分辨率。<

41、/p><p>　　1.5本文研究的意義及主要內(nèi)容</p><p>　　合成孔徑聚焦超聲成像作為一種超聲成像方法，在同等條件下，合成孔徑聚焦成像可以得到更高的分辨率，為缺陷的定性分析提供可靠的依據(jù)。</p><p>　　本文在查找了大量的相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，分析了合成孔徑聚焦成像算法，詳細(xì)的研究了合成孔徑成像的各種工作方式，并且利用換能器聲場(chǎng)的輻射理論原理對(duì)合成孔徑聚焦超聲

42、成像進(jìn)行建模，仿真[]。利用MATLAB的波束形成方法分析各種因素對(duì)合成孔徑聚焦超聲成像分辨率的影響。通過(guò)Field II軟件對(duì)超聲場(chǎng)進(jìn)行模擬，仿真合成孔徑聚焦成像效果。進(jìn)一步驗(yàn)證各個(gè)因素對(duì)合成孔徑聚焦成像的影響。</p><p>　　第二章 合成孔徑超聲聚焦成像原理</p><p>　　2.1合成孔徑成像原理 </p><p>　　合成孔徑成像[]，[]即是由傳感

43、器沿線性孔徑軌跡移動(dòng)，在軌跡上的孔徑位置向成像區(qū)域發(fā)射脈沖信號(hào)，接收并儲(chǔ)存檢測(cè)信號(hào)，然后到下一孔徑位置進(jìn)行相同的發(fā)射信號(hào)、接收和儲(chǔ)存信號(hào)，直達(dá)掃描完成；然后按照重建點(diǎn)對(duì)相應(yīng)孔徑檢測(cè)的回波做相應(yīng)延時(shí)處理、信號(hào)作疊加處理，實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)聚焦，最終得到整個(gè)成像。合成孔徑成像的原理如圖2.1所示。表示陣元間距，D表示陣元大小。</p><p>　　圖2.1合成孔徑成像原理</p><p>　　在圖像重建

44、時(shí)，由于重建點(diǎn)到換能器陣元的距離不同所以各個(gè)換能器陣元的回波信號(hào)都有不同的延時(shí)，所以相位發(fā)生了變化。對(duì)每個(gè)換能器陣元的回波信號(hào)的相位進(jìn)行校正后，在進(jìn)行疊加運(yùn)算，這樣的過(guò)程稱為數(shù)據(jù)的聚焦。所得的圖像有缺陷的地方，回波信號(hào)同向相加，信號(hào)加強(qiáng)；無(wú)缺陷的地方，回波信號(hào)是隨機(jī)相加的，回波信號(hào)較弱。</p><p>　　對(duì)一個(gè)水平孔徑為D的小孔徑換能器，換能器的半功率點(diǎn)波束角為0.88乘以波長(zhǎng)與水平孔徑之比即，如果目標(biāo)的陣元

45、基元換能器的垂直距離為，那么換能器輻射聲束的合成孔徑長(zhǎng)度為:</p><p>　　由于合成孔徑中，各個(gè)基元陣元是依次發(fā)射并接收的，即各等效基元的相位差是由發(fā)射的接收的距離一起引起的。與實(shí)際同樣尺寸的直線陣列形成的相位差相比，合成孔徑的相位差就大了一倍。合成孔徑線陣的半功率波束角為</p><p>　　合成孔徑的方位分辨率即為：</p><p>　　由式（2-3）可以

46、得知：合成孔徑的方位分辨率只與換能器的孔徑有關(guān)，與目標(biāo)的位置和超聲波的頻率無(wú)關(guān)。</p><p>　　與之相比，超聲直接成像的方位分辨率：</p><p>　　R是目標(biāo)與換能器的距離，由上式可以得知，想要提高超聲成像方位分辨率，有兩種方法：一是使用較高的工作頻率，二是使用大孔徑換能器陣元。但是提高了工作頻率，聲波的損耗就越來(lái)越大，穿透率就會(huì)越差?？讖綋Q能器的尺寸越大，成本就會(huì)越高，系統(tǒng)復(fù)雜

47、度就會(huì)越高。同時(shí)方位分辨率還與目標(biāo)和換能器的距離有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，成像的分辨率越差。</p><p>　　合成孔徑技術(shù)可以使用小孔徑的換能器基元陣元和較低的工作頻率，獲得較高的分辨率，而且還能對(duì)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)進(jìn)行高分辨率的觀察。</p><p>　　2.2聚焦延時(shí)偏轉(zhuǎn)計(jì)算</p><p>　　圖2.2為延時(shí)疊加波束收發(fā)的幾何關(guān)系,在圖中假設(shè)換能器陣元數(shù)為N，陣元間距為d

48、，發(fā)射孔徑距孔徑中心的間距為，成像點(diǎn)與掃面線垂直的平面偏轉(zhuǎn)角為θ，成像點(diǎn)到孔徑中心距離為r，到發(fā)射孔徑為。</p><p>　　圖2.2 延時(shí)疊加波束收發(fā)方式</p><p>　　N 陣元的合成孔徑延時(shí)疊加的表示式為：</p><p>　　其中r/c是信號(hào)從場(chǎng)點(diǎn)到陣元坐標(biāo)原點(diǎn)的時(shí)間，是對(duì)第n個(gè)陣元的時(shí)間。為第n個(gè)陣元的位置 。</p><p&g

49、t;<b>　　由余弦定理 </b></p><p>　　延時(shí)可以分解為偏轉(zhuǎn)延時(shí)和聚焦延時(shí)。偏轉(zhuǎn)延時(shí)表示波束聚焦方向</p><p><b>　　聚焦延時(shí)</b></p><p>　　2.3延時(shí)疊加波束形成</p><p>　　延時(shí)疊加波束形成[]是超聲成像中最傳統(tǒng)，最簡(jiǎn)單的成像方法之一。延時(shí)疊加是

50、通過(guò)對(duì)發(fā)射和接收信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)處理，來(lái)達(dá)到成像的目的。延時(shí)疊加波束形成有兩種模式，發(fā)射聚焦和接受聚焦。</p><p>　　假設(shè)發(fā)射信號(hào)是單一頻率的信號(hào)，頻率為，角頻率為,波束為。</p><p><b>　　表達(dá)式如下式所示:</b></p><p><b>　　經(jīng)過(guò)延時(shí)疊加后</b></p><

51、p>　　在上式中，exp(jt)對(duì)波束的形成無(wú)影響，故</p><p>　　由于r對(duì)波束的形成也無(wú)影響，故合成波束</p><p>　　疊加延時(shí)波束形成的仿真，基本參數(shù)設(shè)置為：陣元數(shù)N=32，中心頻率=3.5MHZ，聲速c=1.5mm/us,陣元間距為半波長(zhǎng)d=λ/2 ，波束角度的取值范圍~。</p><p>　　圖2.3 延時(shí)疊加波束形成</p>

52、<p>　　從圖2.3中可以看出，主瓣寬度≈，旁瓣寬度為13dB，波束的主瓣寬度和副瓣高度是判斷波束形成質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。主瓣寬度越窄，旁瓣幅度越低，成像的側(cè)向分辨率越高，成像的對(duì)比度越好。</p><p>　　2.4波束的控制方法</p><p>　　控制波束通常有動(dòng)態(tài)聚焦，幅度變跡，動(dòng)態(tài)孔徑等方法。</p><p>　　動(dòng)態(tài)聚焦與定點(diǎn)聚焦不同，聚焦延時(shí)是

53、隨r變化的函數(shù)，動(dòng)態(tài)聚焦可以應(yīng)用到發(fā)射和接收時(shí)，提高成像質(zhì)量。在延時(shí)疊加波束形成中，如果發(fā)射時(shí)采用動(dòng)態(tài)聚焦就會(huì)有很長(zhǎng)的采集數(shù)據(jù)時(shí)間，一般只在接收時(shí)采用動(dòng)態(tài)聚焦；只有在合成孔徑成像時(shí)，才使用發(fā)射和接收的動(dòng)態(tài)聚焦。分段動(dòng)態(tài)聚焦將成像空間劃分成很多個(gè)小段，發(fā)射采用定點(diǎn)聚焦，接收采用動(dòng)態(tài)聚焦。</p><p>　　幅度變跡是對(duì)收發(fā)通道的幅度加權(quán)，使每個(gè)陣元的激勵(lì)信號(hào)幅度可能不同，幅度變跡使傳感器邊沿位置陣元的激勵(lì)信號(hào)幅度

54、較小，而中心位置的陣元的激勵(lì)信號(hào)幅度較大。由于圖像重建的過(guò)程中，收發(fā)信號(hào)的延遲各不相同，造成相位的改變，當(dāng)疊加時(shí)，造成同相相加信號(hào)增強(qiáng)，而其他相位不同，則相對(duì)減弱。幅度變跡可以有效的減小影響。</p><p>　　常用的幅度變跡函數(shù)為hanning函數(shù)，hamming函數(shù)，Blackman函數(shù)。</p><p><b>　　分別為：</b></p>&l

55、t;p><b>　　Hanning窗：</b></p><p>　　n=0,1,…,N-1</p><p><b>　　Hamming窗:</b></p><p>　　n=0,1,…,N-1</p><p>　　Blackman窗:</p><p><b>　

56、　經(jīng)過(guò)幅度變跡后</b></p><p>　　動(dòng)態(tài)孔徑是指在接收開(kāi)始時(shí)只有位于接收子陣列中心的少數(shù)通道有用，隨著接受深度的增加，越來(lái)越多的接收通道被打開(kāi)，接收孔徑逐漸加大。</p><p>　　圖2.4 延時(shí)疊加波束形成</p><p>　　由圖2.4可知， 經(jīng)過(guò)幅度變跡，波束的旁瓣幅度大大下降，主瓣寬度變大。這說(shuō)明幅度變跡可以壓制旁瓣，提高成像的對(duì)比度

57、，增加主瓣寬度，降低成像的分辨率。</p><p>　　圖2.5 延時(shí)疊加波束陣元數(shù)的影響</p><p>　　由圖2.5可以得知不同數(shù)目陣元所產(chǎn)生的波束的差異，陣元數(shù)越大，有效孔徑越大產(chǎn)生的波束的主瓣寬度越窄，旁瓣越小，成像效果越好。</p><p>　　第三章 合成孔徑成像</p><p>　　合成孔徑成像有多種工作方式，合成孔徑聚焦，

58、多陣元合成孔徑聚焦，合成接收孔徑，合成聚焦，合成發(fā)射孔徑[]。</p><p><b>　　3.1合成孔徑聚焦</b></p><p>　　合成孔徑聚焦就是指每次發(fā)射只有一個(gè)陣元有效，接收也只有一個(gè)陣元有效。合成孔徑聚焦的發(fā)射和接收方式如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 合成孔徑聚焦收發(fā)模示</p><p>

59、;　　因?yàn)榘l(fā)射和接收都只有一個(gè)陣元有效，延遲相同，故合成波束應(yīng)該表示為:</p><p>　　假設(shè)陣元發(fā)射單一頻率信號(hào)時(shí)，當(dāng)不考慮t時(shí)，</p><p>　　又因?yàn)椋谶h(yuǎn)場(chǎng)區(qū)時(shí)，</p><p>　　由于r固定隊(duì)波束形成無(wú)影響，合成波束</p><p><b>　　整理得：</b></p><p>

60、;　　單陣元合成孔徑聚焦成像方法因?yàn)橹挥幸粋€(gè)發(fā)射陣元和接收陣元有效，從而成本很低，功率也很小，又由于是全孔徑動(dòng)態(tài)聚焦，使成像的分辨率有很大的提高。但是單陣元合成孔徑聚焦成像也有一些不足之處，如發(fā)射功率比較低，造成信噪比較低；多次發(fā)射然后合成在一起處理后成像，對(duì)動(dòng)態(tài)的物體成像分辨率較低；需要多次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，需要較大的存儲(chǔ)空間。</p><p>　　為了提高合成孔徑成像的分辨率，有發(fā)展了多種合成孔徑成像方法，多陣元合成

61、孔徑聚焦成像，合成孔徑接收成像方法，合成聚焦成像方法，合成孔徑發(fā)射成像方法等。</p><p>　　3.2多陣元合成孔徑超聲聚焦</p><p>　　多陣元合成孔徑超聲聚焦是指發(fā)射時(shí)有幾個(gè)陣元有效，接收時(shí)也是有幾個(gè)陣元同時(shí)有效。主要是因?yàn)閱侮囋铣煽讖骄劢钩上穹椒ǖ陌l(fā)射功率和能量都比較小，造成信噪比很低，從而提出了多陣元合成孔徑超聲聚焦成像方法。多陣元合成孔徑聚焦發(fā)射接收模式如圖3.2所示

62、。</p><p>　　假設(shè)虛擬陣元N,子孔徑為L(zhǎng)個(gè)陣元,子孔徑的個(gè)數(shù)(移動(dòng)的次數(shù))為K,則K = N - L+ 1。大多數(shù)時(shí)候，發(fā)射陣元數(shù)和接收陣元數(shù)是相同的。合成波束為</p><p>　　上式中表示第k個(gè)子孔徑發(fā)射的延時(shí)，表示第k個(gè)子孔徑接收，子孔徑中第i個(gè)陣元的延時(shí)。 </p><p>　　圖3.2 多陣元合孔徑聚焦收發(fā)模式</p><

63、p>　　假設(shè)陣元發(fā)射單一頻率信號(hào)時(shí)，</p><p>　　由于r固定隊(duì)波束形成無(wú)影響，合成波束</p><p>　　第k個(gè)子孔徑的中心位置為</p><p><b>　　發(fā)射延遲時(shí)間為</b></p><p><b>　　接收延時(shí)時(shí)間為</b></p><p><

64、b>　　求和得：</b></p><p>　　多陣元合成孔徑聚焦超聲成像的發(fā)射陣元是幾個(gè)同時(shí)有效，接收陣元也是幾個(gè)同時(shí)有效，這樣提高陣元發(fā)射信號(hào)的能量，有效的提高了信噪比。多陣元合成孔徑聚焦超聲成像的方法對(duì)旁瓣的抑制有很強(qiáng)的效果，提高了合成孔徑成像的分辨率。</p><p>　　3.3合成接收孔徑成像</p><p>　　合成接收孔徑是指發(fā)射時(shí)是

65、全孔徑有效，接收時(shí)是多個(gè)孔徑即子孔徑有效。發(fā)射接收模式如圖3.3所示。陣元總數(shù)為N，子孔徑大小為L(zhǎng)，子孔徑數(shù)k=N/L,第一次發(fā)射時(shí)，第一個(gè)全孔徑發(fā)射，子孔徑接收，子孔徑中逐個(gè)陣元接收。第二次發(fā)射時(shí)，第二個(gè)全孔徑發(fā)射，子孔徑接收，一直到第k個(gè)孔徑發(fā)射。由于發(fā)射時(shí)是全孔徑有效，可以不用考慮發(fā)射延時(shí)，只有接收延時(shí)。</p><p><b>　　合成波束為</b></p><p

66、>　　圖3.3 合成接收孔徑收發(fā)模式</p><p>　　假設(shè)陣元發(fā)射單一頻率信號(hào)時(shí)，r固定隊(duì)波束形成無(wú)影響，合成波束為:</p><p><b>　　求和得：</b></p><p><b>　　3.4合成聚焦成像</b></p><p>　　合成聚焦是指發(fā)射時(shí)只有一個(gè)陣元有效，接收時(shí)是全

67、孔徑有效。發(fā)射接收模式如3.4所示。設(shè)第n陣元發(fā)射延遲時(shí)間為，第m個(gè)陣元接收延遲時(shí)間為，合成聚焦為:</p><p>　　圖3.4 合成聚焦收發(fā)模式</p><p>　　假設(shè)陣元發(fā)射單一頻率信號(hào)時(shí)，r固定隊(duì)波束形成無(wú)影響，合成波束為</p><p>　　第m個(gè)陣元發(fā)射的延時(shí)為</p><p>　　第n個(gè)陣元發(fā)射的延時(shí)為</p>

68、<p><b>　　整理得：</b></p><p><b>　　3.5合成發(fā)射孔徑</b></p><p>　　合成發(fā)射孔徑是指發(fā)射時(shí)是多個(gè)陣元有效，接收時(shí)是全孔徑有效。發(fā)射接收模式如圖3.5所示。陣元總數(shù)為N，子孔徑大小為L(zhǎng)，子孔徑數(shù)k=N/L,第一次發(fā)射時(shí)，第一個(gè)子孔徑發(fā)射，全孔徑接收，子孔徑中逐個(gè)陣元發(fā)射。第二次發(fā)射時(shí)，第二個(gè)

69、發(fā)射陣元發(fā)射，全孔徑接收，一直到第k個(gè)孔徑發(fā)射。</p><p>　　圖3.5 合成發(fā)射孔徑收發(fā)模式</p><p>　　設(shè)第k個(gè)子孔徑發(fā)射延遲時(shí)間為，第i個(gè)陣元接收延遲時(shí)間為，合成波束為:</p><p>　　第k個(gè)子孔徑的中心位置為</p><p>　　第k個(gè)子孔徑發(fā)射延遲為</p><p>　　第i個(gè)陣元接收延

70、遲為</p><p>　　假設(shè)陣元發(fā)射單一頻率信號(hào)時(shí)，r固定隊(duì)波束形成無(wú)影響，合成波束為</p><p><b>　　整理得：</b></p><p><b>　　求和得：</b></p><p>　　到此，分析幾種合成孔徑聚焦成像方法，可以得知每種方法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。</p><

71、p>　　單陣元合成孔徑聚焦方法是信噪比比較低，成像分辨率不是很高，但是其硬件電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)成本及復(fù)雜度都比較低。</p><p>　　多陣元合成孔徑聚焦成像方法是對(duì)旁瓣有很好的抑制效果，但是與單陣元相比較，系統(tǒng)的成本及復(fù)雜度都有很大提高。</p><p>　　合成發(fā)射孔徑成像中子孔徑的尺寸是影響系統(tǒng)復(fù)雜度和成像質(zhì)量的重要參數(shù)，子孔徑越大，成像的分辨率越高，但是相應(yīng)的系統(tǒng)復(fù)雜度以及成本

72、也相應(yīng)增加。</p><p>　　合成接收孔徑成像由于只有很少的接收通道，造價(jià)比較小，但是接收孔徑的尺寸是影響系統(tǒng)分辨率的重要因素。</p><p>　　合成聚焦成像無(wú)論是主瓣的寬度還是對(duì)旁瓣的抑制都是比較好的，但是單陣元發(fā)射，信噪比較低，容易受到雜波干擾，而且系統(tǒng)復(fù)雜度比較高，成本高。</p><p>　　第四章 合成孔徑聚焦成像中各個(gè)參數(shù)的影響</p>

73、;<p>　　在合成孔徑聚焦中有很多參數(shù)對(duì)成像效果有影響。如中心頻率，陣元總數(shù)，陣元間距，波數(shù)等。在中心頻率和波數(shù)相同的條件下，分析陣元總數(shù)，陣元間距，子孔徑陣元數(shù)對(duì)成像的影響。</p><p>　　4.1換能器陣元數(shù)對(duì)成像的影響</p><p>　　分析陣元數(shù)在合成孔徑聚焦成像中的影響，保持其他條件不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變陣元數(shù)，觀察所得結(jié)果的不同，從而得知換能器陣元數(shù)對(duì)成像

74、的影響。</p><p><b>　　參數(shù)設(shè)置：</b></p><p>　　陣元中心頻率=3.5MHZ，聲速c=1.5mm/us，陣元間距d=λ/4,波束角度取值范圍為~。陣元總數(shù)分別取N=32，N=64，N=128。</p><p>　　圖4.1陣元數(shù)對(duì)合成孔徑成像的影響</p><p>　　從上圖可知，陣元數(shù)越多，

75、主瓣寬度越小，副瓣高度也逐漸降低，這可以得到結(jié)論：合成孔徑聚焦的換能器陣元數(shù)越多，成像分辨率越高，成像質(zhì)量越好。但是多換能器也會(huì)提高硬件要求，使成本升高，增加軟件復(fù)雜度，在實(shí)際中要按照需要進(jìn)行選擇。</p><p>　　4.2陣元間距對(duì)合成孔徑成像的影響</p><p>　　分析陣元間距在合成孔徑聚焦成像中的影響，保持其他條件不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變陣間距，觀察所得結(jié)果的不同，從而得知陣元間

76、距因素對(duì)成像的影響。</p><p><b>　　參數(shù)設(shè)置：</b></p><p>　　在單陣元合成孔徑聚焦中，陣元總數(shù)N=64，陣元中心頻率=3.5MHZ，聲速c=1.5mm/us，,波束角度𝞱取值范圍為~。</p><p>　　陣元間距d分別取d=λ/2, d=λ/4,d=λ/8。</p><p>

77、　　圖4.2 陣元間距對(duì)合成孔徑成像的影響</p><p>　　由上圖可知，在d=λ/2時(shí)，有很大的副瓣產(chǎn)生，是因?yàn)殛囋g間距過(guò)大，達(dá)到了奈奎斯特采樣定理的臨界值，當(dāng)d<λ/2 時(shí), 發(fā)現(xiàn)副瓣消失了; 當(dāng)繼續(xù)減小d時(shí),可以發(fā)現(xiàn) 副瓣雖然消失了, 但主瓣寬度將變得很寬,這就使得分辨率將減小。因此對(duì)于陣元移動(dòng)間距的選擇并不是越小越好。</p><p>　　4.3子陣元孔徑數(shù)對(duì)合成孔徑成

78、像的影響</p><p>　　分析子孔徑陣元數(shù)在合成孔徑聚焦成像中的影響，保持其他條件不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變子孔徑陣元數(shù)，觀察所得結(jié)果的不同，從而得知子孔徑陣元數(shù)對(duì)成像的影響。</p><p><b>　　參數(shù)設(shè)置：</b></p><p>　　在多陣元合成孔徑聚焦中，陣元總數(shù)N=32，陣元中心頻率=3.5MHZ，聲速c=1.5mm/us，陣元

79、間距d=λ/2,波束角度取值范圍為~。子孔徑數(shù)分別為L(zhǎng)=4,L=8,L=16</p><p>　　圖4.3子孔徑陣元數(shù)對(duì)合成孔徑成像的影響</p><p>　　由上圖可知，子孔徑數(shù)目越多，成像效果越好。采用多陣元孔徑聚焦對(duì)旁瓣的抑制效果比價(jià)好。</p><p>　　綜合各種結(jié)果可以得知，換能器陣元數(shù)越多，陣元間距越小，子孔徑陣元數(shù)越多，合成孔徑聚焦成像效果越好。但是

80、增加陣元數(shù)和子孔徑陣元數(shù)都會(huì)提高系統(tǒng)硬件難度和成本，應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇合適的成像參數(shù)。</p><p>　　第五章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)仿真</p><p>　　上面已經(jīng)分析了各種因素對(duì)合成孔徑成像質(zhì)量的影響，在這里將通過(guò)Field II軟件來(lái)仿真及驗(yàn)證各種因素的影響是否正確。Field II是丹麥理工大學(xué)快速成像實(shí)驗(yàn)室提供的仿真平臺(tái)。它可以仿真超聲探頭所發(fā)出的聲場(chǎng)和超聲圖像。Field II是基于

81、線性系統(tǒng)空間原理，將傳感器分成一些小的單元，再將這些小的單元產(chǎn)生的響應(yīng)疊加在一起。Field II可以計(jì)算大量的超聲傳感器的發(fā)射脈沖和回波聲場(chǎng)，同時(shí)還可以模擬一些線性成像以及人體組織的逼真圖像等。Field II仿真效果已經(jīng)與實(shí)際的圖像很接近，目前已被廣泛上認(rèn)同為超聲仿真的標(biāo)準(zhǔn)。Field II軟件使用前要先進(jìn)行初始化，才能夠調(diào)用Field II的命令。</p><p>　　5.1陣元數(shù)對(duì)成像的影響</p&

82、gt;<p>　　分析陣元數(shù)在合成孔徑聚焦成像中的影響，保持其他條件不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變陣元數(shù)，觀察所得結(jié)果的不同，從而得知因素對(duì)成像的影響。</p><p>　　Field II仿真基本參數(shù)設(shè)置：</p><p>　　中心頻率3MHz,聲速為1.54mm/us，子孔徑陣元數(shù)32，采樣頻率100MHz，7個(gè)散射點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(-9,0,20), (-6,0,30), (-3

83、,0,40)，(0,0,50), (3,0,60), (6,0,70), (9,0,80)。陣元間距d=λ。水平孔徑為width=0.5mm，垂直孔徑為width=0.1mm,聚焦點(diǎn)為（0,0,50）。</p><p>　　陣元線性陣列數(shù)分別為N=128，N=256。圖5.1和圖5.2分別給出了不同陣元數(shù)下合成孔徑成像效果。</p><p>　　圖5.1 合成孔徑聚焦成像陣元數(shù)128

84、 圖5.2 合成孔徑聚焦成像陣元數(shù)256</p><p>　　由圖5.1和圖5.2可知：合成孔徑聚焦的換能器陣元數(shù)越多，成像分辨率越高，成像質(zhì)量越好。</p><p>　　5.2窗函數(shù)對(duì)成像的影響</p><p>　　分析窗函數(shù)在合成孔徑聚焦成像中的影響，保持其他條件不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變程序中是否添加窗函數(shù) ，觀察所得結(jié)果的不同，從而得知因素對(duì)成像的影響。&

85、lt;/p><p>　　Field II仿真基本參數(shù)設(shè)置：</p><p>　　128陣元線性陣列,中心頻率3MHz,聲速為1.54mm/us，子孔徑陣元數(shù)32，采樣頻率為100MHz，陣元間距為d=λ/2，聚焦點(diǎn)為（0,0,50），7個(gè)散射點(diǎn)坐標(biāo)分別為(-9,0,20),(-6,0,30),(-3,0,40)(0,0,50),(3,0,60),(6,0,70),(9,0,80)。 </

86、p><p>　　水平孔徑為width=0.5mm，垂直孔徑為width=0.1mm 。 </p><p>　　窗函數(shù)hamming窗：</p><p>　　, n=0,1,…,N-1 （5-1）</p><p>　　圖5.3 合成孔徑聚焦成像加窗 圖5.4 合成孔徑聚焦成像未加窗</p>

87、<p>　　由圖5.3和圖5.4可以得知：經(jīng)過(guò)幅度變跡后的成像的陰影影響減小，但是圖像的分辨率也降低了。</p><p>　　5.3陣元間距對(duì)成像的影響</p><p>　　分析陣元間距在合成孔徑聚焦成像中的影響，保持其他條件不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變陣元間距，觀察所得結(jié)果的不同，從而得知子孔徑陣元數(shù)對(duì)成像的影響。</p><p>　　Field II仿真

88、基本參數(shù)設(shè)置：</p><p>　　128陣元線性陣列，中心頻率3MHz，聲速為1.54mm/us，子孔徑陣元數(shù)32，采樣頻率100MHz，7個(gè)散射點(diǎn)坐標(biāo)分別為(-9,0,20)，(-6,0,30)， (-3,0,40) ，(0,0,50)， (3,0,60)，(6,0,70)， (9,0,80)。水平孔徑為w=0.5mm，垂直孔徑為S=0.1mm，聚焦點(diǎn)為（0,0,50）。</p><p&g

89、t;　　陣元間距d=λ，d=λ/2，d=λ/4。</p><p>　　圖5.5陣元間距d=λ 圖5.6陣元間距d=λ/2</p><p>　　圖5.7陣元間距d=λ/4</p><p>　　由圖5.5，圖5.6和圖5.7可知，當(dāng)陣元間距為λ/2時(shí)，會(huì)有很大的副瓣產(chǎn)生，是因?yàn)殛囋g間距過(guò)大，達(dá)到了奈奎斯特采樣定理的臨界值，當(dāng)繼

90、續(xù)減小d時(shí),可以發(fā)現(xiàn)分辨率更高了。陣元間距越小，合成孔徑成像效果越好，分辨率越高。</p><p>　　5.4子孔徑陣元數(shù)對(duì)成像的影響</p><p>　　分析子孔徑陣元數(shù)在合成孔徑聚焦成像中的影響，保持其他條件不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變子孔徑陣元數(shù)，觀察所得結(jié)果的不同，從而得知子孔徑陣元數(shù)對(duì)成像的影響。</p><p>　　Field II仿真基本參數(shù)設(shè)置：</

91、p><p>　　128陣元線性陣列,中心頻率3MHz,聲速為1.54mm/us，采樣頻率100MHz，7個(gè)散射點(diǎn)坐標(biāo)(-9,0,20), (-6,0,30), (-3,0,40) (0,0,50), (3,0,60), (6,0,70), (9,0,80)。水平孔徑為w=0.5mm，垂直孔徑為S=0.1mm，陣元間距d=λ/2, 聚焦點(diǎn)為（0,0,50）。</p><p>　　子孔徑陣元數(shù)N=

92、32，N=64。</p><p>　　圖5.8子孔徑陣元數(shù)32 圖5.9孔徑陣元數(shù)64</p><p>　　由圖5.8和圖5.9可知：子孔徑陣元數(shù)越多，旁瓣抑制效果越好，成像質(zhì)量越好。</p><p>　　5.5水平孔徑對(duì)合成孔徑成像的影響</p><p>　　分析水平孔徑在合成孔徑聚焦成像中的影響

93、，保持其他條件不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變水平孔徑，觀察所得結(jié)果的不同，從而得知子孔徑陣元數(shù)對(duì)成像的影響。</p><p>　　Field II仿真基本參數(shù)設(shè)置：</p><p>　　128陣元線性陣列,中心頻率3MHz,聲速為1.54mm/us，采樣頻率100MHz，7個(gè)散射點(diǎn)坐標(biāo)(-9,0,20), (-6,0,30), (-3,0,40) (0,0,50), (3,0,60), (6,0,

94、70), (9,0,80)。 陣元間距d=λ/2。子孔徑陣元數(shù)N=32。聚焦點(diǎn)為（0,0,50）。</p><p>　　水平孔徑分別為w=0.5mm，w=1mm。</p><p>　　圖5.10水平孔徑w=0.5mm 圖5.11水平孔徑w=1mm</p><p>　　由圖5.10和圖5.11可以知道，水平孔徑越大，對(duì)旁瓣的抑制效果越好，成像質(zhì)

95、量越高，但是增大孔徑，會(huì)使成本增加，同時(shí)也會(huì)造成系統(tǒng)復(fù)雜度的增加。</p><p><b>　　5.6小結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)以上的分析可以得知，陣元數(shù)目越多，子陣元越多，陣元間距越小，水平孔徑越大，成像質(zhì)量越好。窗函數(shù)可以使因旁瓣引起的陰影現(xiàn)象減弱從而使成像效果更好。但是增加陣元數(shù)目會(huì)使硬件要求和成本增加，在現(xiàn)實(shí)中要合理選擇。</p>&

96、lt;p>　　本文介紹了合成孔徑超聲聚焦成像的工作原理，分析了各種因素對(duì)合成孔徑聚焦成像的影響，還通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證各種因素對(duì)合成孔徑聚焦成像的影響。合成孔徑聚焦成像作為一種超聲成像處理方法，可以和其他成像方法結(jié)合，提高成像的質(zhì)量。</p><p><b>　　第六章 總結(jié)</b></p><p>　　本文介紹了合成孔徑超聲聚焦成像的工作原理，分析了各種因素對(duì)合成

97、孔徑聚焦成像的影響，還通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證各種影響。合成孔徑聚焦成像作為一種超聲成像處理方法，可以和其他成像方法結(jié)合，提高成像的質(zhì)量。</p><p>　　本文在查閱了大量的國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，分析了合成孔徑聚焦超聲成像的方法和研究現(xiàn)狀，詳細(xì)的介紹了合成孔徑聚焦成像的成像原理和各種工作模式，以及各種模式的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)換能器陣列的聲場(chǎng)輻射理論對(duì)合成孔徑聚焦超聲成像進(jìn)行建模，分析了陣元數(shù)，陣元間距，子孔徑陣元數(shù)，孔徑

98、大小對(duì)合成孔徑聚焦超聲成像的影響，同時(shí)進(jìn)行了波束仿真。通過(guò)Field II軟件仿真可以看到，換能器陣元數(shù)越多，陣元間距越小，子孔徑陣元數(shù)越多，成像孔徑水平越大的情況下，合成孔徑聚焦成像的效果越好。但是增加陣元數(shù)和子孔徑數(shù)，孔徑大小都會(huì)提高系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的條件。</p><p>　　超聲成像在海洋超聲檢測(cè)，無(wú)損探傷領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用前景。超聲成像技術(shù)在現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中是一種重要的技術(shù)，

99、隨著電子學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也有了新的發(fā)展。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的目的是檢測(cè)出物體的缺陷，并確定缺陷的位置，大小和性質(zhì)。目前大量的應(yīng)用于金屬材料的構(gòu)建質(zhì)量在線監(jiān)控和產(chǎn)品的再投檢查，如鋼板，管道等，還有各種新材料的檢測(cè)，如有機(jī)基復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)陶瓷材料等。由于超聲成像直觀易懂，檢測(cè)精度高，應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)，壓力容器和復(fù)雜設(shè)備的檢測(cè)。超聲檢測(cè)技術(shù)還廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面，如人們正在努力將超聲檢測(cè)技術(shù)用于血壓控制系統(tǒng)進(jìn)行非接觸檢測(cè)

100、。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　從論文的選題、資料的收集到論文的撰寫(xiě)編排整個(gè)過(guò)程中，我得到了許多的熱情幫助。尤其要強(qiáng)烈感謝我的論文指導(dǎo)老師林杰老師，她對(duì)我進(jìn)行了無(wú)私的指導(dǎo)和幫助，給我耐心的講解疑難和一些不懂的問(wèn)題，還幫助進(jìn)行論文的修改和改進(jìn)。從導(dǎo)師身上我體味到了豐富的學(xué)養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)、求實(shí)的態(tài)度，勤奮的精神，這都成為了我不斷前行的動(dòng)力

101、和標(biāo)桿。在論文的撰寫(xiě)和資料搜集期間，前人的資料對(duì)我提供了莫大的幫助，這里再次感謝。</p><p>　　此外，本文最終得以順利完成，也是與學(xué)院其他老師的幫助分不開(kāi)的，雖然他們沒(méi)有直接參與我的論文指導(dǎo)，但在也給我提供了不少的意見(jiàn)，提出了一系列可行性的建議，在此向他們表示深深的感謝!感謝我的同學(xué)馬少玥、楊闊、劉鍇四年來(lái)對(duì)我學(xué)習(xí)、生活的關(guān)心和幫助。</p><p>　　最后，感謝所有關(guān)心我、幫助