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合成孔径聚焦超声成像技术研究

作　者: 杜英华
导　师: 靳世久
学　校: 天津大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 超声 SAFT 合成孔径聚焦小波相关相控阵
分类号: TB559
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 714次
引　用: 4次
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内容摘要

合成孔径聚焦超声成像作为一种超声后处理方法,能够将小孔径成像合成为大孔径成像,通过逐点聚焦的方法,使图像的分辨率不随位置和深度变化。在采用同样换能器阵元探头的情况下,使用合成孔径聚焦方法能够得到更高分辨率的重建图像,为缺陷的定性分析提供更可靠的依据。本文重点研究了合成孔径聚焦算法的原理以及影响合成孔径聚焦超声成像精度的因素,提出了改善合成孔径聚焦超声成像分辨率的算法和方法,并将合成孔径聚焦算法应用于相控阵超声成像系统。本文主要进行了以下几个方面的研究工作:1、对合成孔径算法进行了仿真,通过对回波的模拟聚焦,验证了合成孔径聚焦超声成像算法的有效性,并定量分析了延时误差对合成孔径聚焦的影响。通过仿真中可以看到,在换能器参数确定的情况下,延时精度是影响合成孔径聚焦成像质量的重要因素。2、通过Multi2000超声实验系统,使用单阵元换能器对标准试块上的不同的缺陷点进行扫描,获取原始数据后,利用合成孔径聚焦算法分别对上述数据进行了处理,通过对比处理前后-6dB的数值范围,结果表明,合成孔径聚焦算法比原始扫描数据提高分辨率17%以上。3、基于换能器阵列的声场辐射理论对合成孔径聚焦成像方法进行了建模,系统地分析了模型中各种参数对成像质量的影响,通过实验对不同换能器阵元数、子孔径阵元数、阵元间距等的合成孔径聚焦图像的分辨率进行了对比,建立了提高合成孔径聚焦超声成像质量的参数选取原则。4、针对实验中多阵元换能器扫描时,不同扫描位置间的回波延时与理论计算差别较大的问题,提出了基于小波变换计算相关性系数的合成孔径聚焦算法,通过实验证明,这种算法的分辨率要高于传统延时叠加算法。5、提出了将合成孔径聚焦算法应用于相控阵超声成像系统,通过超声实验系统采集了相控阵线扫原始数据,并用合成孔径聚焦算法进行了处理,实验结果表明合成孔径聚焦算法能够提高相控阵远场成像的分辨率,有效地解决了相控阵超声成像在远场的聚焦效果较差的问题。6、提出了一套便携式合成孔径超声系统的设计方案,为合成孔径超声成像方法的实际应用奠定了基础。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-24
  1.1 引言  9
  1.2 无损检测技术概述  9-13
    1.2.1 射线检测方法  10-11
    1.2.2 磁粉检测法  11
    1.2.3 渗透检测方法  11-12
    1.2.4 涡流检测方法  12
    1.2.5 超声检测方法  12-13
  1.3 超声无损检测技术  13-18
    1.3.1 相控阵超声成像技术  13-15
    1.3.2 合成孔径聚焦超声成像技术  15-16
    1.3.3 衍射时差法超声成像技术  16
    1.3.4 声发射检测技术  16-17
    1.3.5 超声导波检测技术  17-18
    1.3.6 电磁超声检测技术  18
  1.4 合成孔径聚焦超声成像的国内外研究现状  18-22
    1.4.1 合成孔径聚焦超声成像国外研究现状  18-21
    1.4.2 合成孔径聚焦超声成像国内研究现状  21-22
  1.5 本文的研究意义及主要研究内容  22-24
第二章合成孔径聚焦超声成像原理  24-46
  2.1 引言  24
  2.2 合成孔径聚焦超声成像算法  24-27
    2.2.1 延时的计算  25
    2.2.2 延时聚焦的实现  25-26
    2.2.3 波束控制方法  26-27
  2.3 合成孔径聚焦超声成像算法的MATLAB 仿真  27-32
    2.3.1 扫描回波仿真  27-29
    2.3.2 合成孔径聚焦算法仿真  29-31
    2.3.3 延时误差仿真  31-32
  2.4 合成孔径聚焦超声成像实验  32-45
    2.4.1 实验系统简介  32-34
    2.4.2 实验环境的设置  34-35
    2.4.3 实验数据的获取  35-36
    2.4.4 实验数据的预处理  36-39
    2.4.5 实验结果与分析  39-45
  2.5 小结  45-46
第三章合成孔径聚焦超声成像建模分析  46-71
  3.1 引言  46
  3.2 合成孔径聚焦成像方法概述  46-49
    3.2.1 单阵元合成孔径聚焦方法  46-47
    3.2.2 多阵元合成孔径聚焦方法  47-48
    3.2.3 合成发射孔径聚焦方法  48
    3.2.4 合成接收孔径聚焦方法  48
    3.2.5 合成聚焦方法  48-49
  3.3 合成孔径聚焦超声成像建模分析  49-55
    3.3.1 换能器的声场辐射理论  49-51
    3.3.2 合成孔径聚焦超声成像的建模  51-52
    3.3.3 提高合成孔径聚焦成像质量的参数选取原则  52-55
  3.4 合成孔径聚焦成像模型的实验验证  55-70
    3.4.1 不同阵元间距合成孔径聚焦成像对比  55-61
    3.4.2 不同子孔径数合成孔径聚焦成像对比  61-65
    3.4.3 不同深度合成孔径聚焦成像对比  65-70
  3.5 小结  70-71
第四章合成孔径聚焦超声成像算法及应用研究  71-90
  4.1 引言  71
  4.2 基于小波变换计算相关性因子的合成孔径算法  71-80
    4.2.1 信号的多分辨分析及相关性计算  72-75
    4.2.2 算法流程图  75
    4.2.3 算法成像实验  75-80
  4.3 合成孔径聚焦方法在相控阵超声检测中的应用  80-89
    4.3.1 合成孔径聚焦成像在相控阵超声系统中的应用仿真  81-83
    4.3.2 合成孔径聚焦方法在相控阵线扫数据处理中的应用研究  83-89
  4.4 小结  89-90
第五章合成孔径聚焦超声成像系统设计  90-112
  5.1 引言  90
  5.2 合成孔径成像系统的总体设计  90-92
  5.3 成像系统的FPGA 设计  92-97
    5.3.1 USB 通讯辅助接口的设计  92-93
    5.3.2 发射电路的FPGA 设计  93
    5.3.3 波束合成器的FPGA 设计  93-97
  5.4 FPGA 设计中的关键问题研究  97-102
    5.4.1 FPGA 系统设计方法研究  97-99
    5.4.2 FPGA 设计中的异步接口技术  99-100
    5.4.3 FPGA 的同步设计原则  100-102
  5.5 合成孔径系统FPGA 设计的仿真、编译和实现  102-106
    5.5.1 FPGA 系统的仿真  102-104
    5.5.2 FPGA 系统的编译  104-105
    5.5.3 设计在FPGA 中的实现  105-106
  5.6 设计的验证和调试  106-111
    5.6.1 设计在FPGA 中的实现  107-109
    5.6.2 USB 驱动软件  109-110
    5.6.3 数据的分析和处理  110-111
  5.7 小结  111-112
第六章总结与展望  112-115
  6.1 总结  112-113
  6.2 创新点  113-114
  6.3 工作展望  114-115
参考文献  115-124
发表论文和科研情况说明  124-125
致谢  125

合成孔径聚焦超声成像技术研究

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