自適應(yīng)聲學(xué)成像方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)聲學(xué)成像方法，該方法包括：通過聲學(xué)換能器陣列定焦點(diǎn)發(fā)射聲波信號(hào)后接收聲波信號(hào)；對聲學(xué)換能器陣列中的每個(gè)陣元接收得到的聲波信號(hào)進(jìn)行聚焦波束形成處理，得到聲射頻掃描線數(shù)據(jù)；將焦點(diǎn)作為合成孔徑處理中的虛源，采用柱面波傳播模型計(jì)算每個(gè)虛源到空間點(diǎn)的延時(shí)，對掃描線數(shù)據(jù)進(jìn)行空間逐點(diǎn)聚焦；采用相干系數(shù)或廣義相干系數(shù)對空間逐點(diǎn)聚焦的結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)，提高相干成分的比例，降低非相干成分的比例；對空間逐點(diǎn)聚焦的結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)后的所有掃描線數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像變換，得到圖像。本發(fā)明使得成像實(shí)現(xiàn)深度一致的橫向分辨率和對比度，并有效降低旁瓣，從而全面提高聲學(xué)成像質(zhì)量。
【專利說明】自適應(yīng)聲學(xué)成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聲學(xué)陣列成像技術(shù)，尤其涉及一種自適應(yīng)聲學(xué)成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]合成孔徑聲學(xué)成像源于合成孔徑雷達(dá)技術(shù)。合成發(fā)射孔徑成像(SyntheticTransmitting Aperture Imaging, STAI)方法與常規(guī)聲學(xué)成像方法和其他方式的合成孔徑成像方法相比，能夠提高幀率、信噪比和對比度。但是由于STAI對成像設(shè)備硬件要求較高，特別是對數(shù)據(jù)傳輸和處理速度的要求非常高，在一定程度上限制了合成孔徑聲學(xué)成像的商業(yè)化推廣。同時(shí)，合成發(fā)射孔徑成像還存在發(fā)射陣元能量不足和發(fā)射次數(shù)太多等問題。常規(guī)聲學(xué)成像中的固定焦點(diǎn)發(fā)射、接收動(dòng)態(tài)聚焦的策略，使得發(fā)射焦點(diǎn)周圍圖像分辨較高，但隨著探測深度增大，波束的主瓣寬度增加，橫向分辨率降低。雖然合成孔徑成像能夠在全平面內(nèi)達(dá)到發(fā)射與接收同時(shí)動(dòng)態(tài)聚焦，形成相對均勻的分辨率和對比度，但是成像過程需要每個(gè)陣元依次發(fā)射，依次接收，成像速度較慢且信噪比較低，電子系統(tǒng)復(fù)雜。
[0003]為了克服以上缺點(diǎn)，C.Passmann和H.Ermert在1996年提出合成孔徑聚焦技術(shù)時(shí)給出了“虛源”(Virtual Source, VS)概念。而后由C.H.Frazier采用多陣元構(gòu)成的子孔徑聚焦產(chǎn)生VS用于提高成像的信噪比和分辨率。M.H.Bae等利用線列陣產(chǎn)生的VS重構(gòu)聲學(xué)圖像，改善成像質(zhì)量。最近，J.Kortbek等提出序列波束形成成像，把虛源合成過程認(rèn)為是第二個(gè)波束形成。M.Sutcliffe等拓寬了虛源合成成像在工業(yè)檢測方面的應(yīng)用。國內(nèi)虛源成像的研究是超聲成像中基于虛擬陣元的雙聚焦波束合成方法。虛源技術(shù)的研究表明:基于虛源的合成孔徑成像能夠減少前端電子的復(fù)雜度，并且能夠取得介于發(fā)射、接收全動(dòng)態(tài)聚焦方法和固定焦點(diǎn)發(fā)射、接收動(dòng)態(tài)深度聚焦方法之間的性能。
[0004]基于虛源的聲學(xué)成像能夠獲取更高分辨率和信噪比的前提是特定目標(biāo)的低分辨率圖像信號(hào)的相干疊加，但在實(shí)際應(yīng)用中這個(gè)條件并非總能得到滿足。通過對成像原理和過程的分析可以看到，基于聲傳播時(shí)間的合成疊加不僅包含了特定目標(biāo)的信號(hào)，也包含了其他具有相同傳播時(shí)間的非特定目標(biāo)的回波信號(hào)。非相干疊加會(huì)導(dǎo)致某些無目標(biāo)區(qū)域的旁瓣級(jí)提高。以點(diǎn)目標(biāo)為例:當(dāng)計(jì)算點(diǎn)目標(biāo)周圍成像結(jié)果時(shí)，點(diǎn)目標(biāo)的散射信號(hào)疊加進(jìn)入結(jié)果，從而產(chǎn)生較高的偽旁瓣，這些偽旁瓣產(chǎn)生的原因就在于疊加的各個(gè)虛源掃描線數(shù)據(jù)往往不完全相干，但是疊加后的幅度并不低。因此，在相對簡單的硬件條件下，需提出一種成像方法，用于實(shí)現(xiàn)深度一致的橫向分辨率和對比度，并有效降低偽旁瓣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種自適應(yīng)聲學(xué)成像方法，經(jīng)過對空間點(diǎn)的虛源的采集和波束形成處理后，將相干系數(shù)和廣義相干系數(shù)再次對空間點(diǎn)逐點(diǎn)聚焦的疊加，以便獲得基于虛源算法的深度一致的圖像，以及基于相干系數(shù)和廣義相干系數(shù)抑制非相干疊加。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種自適應(yīng)聲學(xué)成像方法，該方法包括:通過聲學(xué)換能器陣列定焦點(diǎn)發(fā)射聲波信號(hào)后接收聲波信號(hào)；對聲學(xué)換能器陣列中的每個(gè)陣元接收得到的聲波信號(hào)進(jìn)行聚焦波束形成處理，得到聲射頻掃描線數(shù)據(jù)；將焦點(diǎn)作為合成孔徑處理中的虛源，采用柱面波傳播模型計(jì)算每個(gè)虛源到空間點(diǎn)的延時(shí)，對掃描線數(shù)據(jù)進(jìn)行空間逐點(diǎn)聚焦；采用相干系數(shù)或廣義相干系數(shù)對空間逐點(diǎn)聚焦的結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)，提高相干成分的比例，降低非相干成分的比例；對空間逐點(diǎn)聚焦的結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)后的所有掃描線數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像變換，得到圖像。
[0007]優(yōu)選地，方法可表達(dá)為如下公式:
[0008]
【權(quán)利要求】
1.一種自適應(yīng)聲學(xué)成像方法，其特征在于，所述方法包括: 通過聲學(xué)換能器陣列定焦點(diǎn)發(fā)射聲波信號(hào)后接收所述聲波信號(hào)； 對所述聲學(xué)換能器陣列中的每個(gè)陣元接收得到的聲波信號(hào)進(jìn)行聚焦波束形成處理，得到聲射頻掃描線數(shù)據(jù)； 將所述焦點(diǎn)作為合成孔徑處理中的虛源，采用柱面波傳播模型計(jì)算每個(gè)虛源到空間點(diǎn)的延時(shí)，對所述掃 描線數(shù)據(jù)進(jìn)行空間逐點(diǎn)聚焦； 采用相干系數(shù)或廣義相干系數(shù)對所述空間逐點(diǎn)聚焦的結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)，提高相干成分的比例，降低非相干成分的比例； 對所述空間逐點(diǎn)聚焦的結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)后的所有掃描線數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像變換，得到圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)聲學(xué)成像方法，其特征在于，所述方法可表達(dá)為如下公式:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)聲學(xué)成像方法，其特征在于，所述通過聲學(xué)換能器陣列定焦點(diǎn)發(fā)射聲波信號(hào)后接收所述聲波信號(hào)具體包括:當(dāng)所述聲學(xué)換能器陣列為線列陣時(shí)，對所述聲學(xué)換能器陣列中的每個(gè)陣元的子孔徑分別發(fā)射聲波，焦點(diǎn)位于子孔徑中心線上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)聲學(xué)成像方法，其特征在于，所述通過聲學(xué)換能器陣列定焦點(diǎn)發(fā)射聲波信號(hào)后接收所述聲波信號(hào)具體包括:當(dāng)所述聲學(xué)換能器陣列為相控陣時(shí)，對所述聲學(xué)換能器陣列中的陣元的全孔徑發(fā)射聲波，在所述聲學(xué)換能器陣列的一個(gè)深度上按照等角度間隔或者等水平間隔方式形成焦點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的自適應(yīng)聲學(xué)成像方法，其特征在于，所述焦點(diǎn)的位置可以位于所述聲學(xué)換能器陣列前或所述聲學(xué)換能器陣列后。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)聲學(xué)成像方法，其特征在于，所述對所述聲學(xué)換能器陣列中的每個(gè)陣元接收得到的聲波信號(hào)進(jìn)行聚焦波束形成處理，得到聲射頻掃描線數(shù)據(jù)具體包括: 對覆蓋第一點(diǎn)的虛源回波進(jìn)行相干疊加，得到所述第一點(diǎn)處的合成掃描線信號(hào)為:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)聲學(xué)成像方法，其特征在于，所述采用相干系數(shù)對所述空間逐點(diǎn)聚焦的結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)具體包括: 通過如下公式對所述空間逐點(diǎn)聚焦的結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán):A(x，z) = CF，其中，CF為相干系數(shù)，
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)聲學(xué)成像方法，其特征在于，所述采用相干系數(shù)或廣義相干系數(shù)對所述空間逐點(diǎn)聚焦的結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)具體包括: 對陣元域數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換:
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)聲學(xué)成像方法，其特征在于，所述對所述空間逐點(diǎn)聚焦的結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)后的所有掃描線數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像變換具體包括: 對所述掃描線數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)處理； 對包絡(luò)處理后的掃描線數(shù)據(jù)進(jìn)行插值； 根據(jù)插值后的數(shù)據(jù)獲得掃描圖像。
【文檔編號(hào)】G01S15/89GK103969651SQ201410168368
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】吳文燾, 李平, 肖靈, 李遙, 韓曉麗, 張?jiān)埔? 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所