[发明专利]一种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法

说明书

本发明提供了一种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法，属于无损检测领域。使用由相控阵探头采集到的全矩阵信号作为原始数据，依次计算单发全收阵列信号加权幅值，结合探头中心频率、采样频率、阵元数目和间距构建稀疏系数，根据权重筛选稀疏阵列并实施傅里叶变换；利用横向和纵向波数计算迁移因子，得到不同深度下的外推波场，获得加权全聚焦子图像；对各稀疏阵列对应子图像进行线性叠加与平均，最终实现检测区域内的超声成像。该方法使用较少数据量进行全聚焦成像，在保证成像质量的同时具有更快成像效率，具有一定的实时化全聚焦应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法，属于无损检测领域。

背景技术

全聚焦方法是一种基于全矩阵数据捕捉的超声成像检测技术，可对成像区域内任一点进行虚拟聚焦，相较于相控阵超声检测技术具有更高的成像分辨力和空间一致性。目前，全聚焦方法大多基于时域延迟叠加，通过定义高密度网格，对检测区域进行逐点聚焦处理和成像。然而，采用全矩阵数据的时域成像算法复杂度高，成像效率低，限制了其实际应用。为提高成像效率，可将稀疏阵列应用于数据处理和算法优化，在保证成像质量的同时，利用较少数据实现全聚焦成像(胡宏伟,等.基于稀疏矩阵的两层介质超声相控阵全聚焦成像[J].机械工程学报)。

基于稀疏阵列的时域全聚焦方法仍采用延迟叠加处理，成像效率有一定程度改善，但提升效果有限。相比之下，波数域方法作为一种新兴的超声成像技术，利用波场逐层外推代替时域的逐点延迟叠加过程，通过快速傅里叶变换实现缺陷成像检测效率提升(Z.Zhuang,et al,Comparison of time domain and frequency-wavenumber domainultrasonic array imaging algorithms for non-destructive evaluation[J].Sensors)。该方法首先利用单个阵元发射、所有阵元接收的二维矩阵数据形成全聚焦子图像，再通过线性叠加进行全聚焦成像。这一过程中，发射阵元数量仅影响叠加次数而对成像波数范围影响较小，减少发射阵元数量仍有望保持较好成像质量并提升成像效率。据此，本发明提出了一种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法，在信号发射端进行稀疏处理，构建稀疏系数，计算加权幅值，利用较少数据量实施成像，进一步提高全聚焦成像效率。

发明内容

本发明提供一种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法，目的是结合现有的频域全聚焦方法，计算阵列信号加权幅值，构建稀疏系数以降低信号维度，并根据权重从全矩阵信号中筛选稀疏阵列，在保证成像质量的前提下进一步提高成像效率。

本发明采用的技术方案是：使用由相控阵探头采集到的全矩阵信号作为原始数据，依次计算单发全收阵列信号加权幅值，结合探头中心频率、采样频率、阵元数目和间距构建稀疏系数，根据权重筛选稀疏阵列并实施傅里叶变换；利用横向和纵向波数计算迁移因子，得到不同深度下的外推波场，获得加权全聚焦子图像；对各稀疏阵列对应子图像进行线性叠加，最终实现检测区域内的超声成像；所述方法具体步骤如下：

(a)检测参数确定

针对被检测工件材质、尺寸和待检区域范围，选择合适的相控阵探头类型、阵元数目n、阵元间距L、采样频率fs及采样点数Nt；

(b)获取全矩阵信号

将选取探头放置于待检测区域上方进行信号采集，得到维度Nt×n×n的全矩阵信号M，该矩阵由n²个时域信号构成；将阵元i发射，阵元j接收的A扫描信号中第u个点表示为M_ij(u)，其中1≤u≤Nt，1≤i≤n，1≤j≤n；

(c)全矩阵信号稀疏处理

将M划分为n个二维子矩阵，其中由阵元i发射，所有阵元接收的子矩阵信号定义为M_i，数据维度为Nt×n；加权计算各子矩阵中所有A扫描信号幅值平方和S_i，如式(1)所示：