[发明专利]基于椭圆弧扫描转换的相控阵超声成像实现方法

摘要

基于椭圆弧扫描转换的相控阵超声波回波成像方法属于快速超声波回波成像技术领域，其特征在于，利用椭圆弧的扫描转换技术，对现有时域相控阵中的每个发送/接收阵元组获得的回波数据进行椭圆弧绘制操作，目标反射物为多个椭圆弧的交点，使其像素值有效叠加，高于其周围像素，借此得到目标反射物的位置。依次由构造一个由计算机、相控阵探头和模/数转换器串接而成的成像系统，各次探测过程中数据的采集，利用椭圆弧扫描转换技术计算以发送/接收阵元为焦点的纵断面上的椭圆弧构成，最终实现对被探测物体的超声波反射信号的快速准确的成像。

主权项

1.基于椭圆弧扫描转换的时域相控阵超声波回波成像方法，其特征在于，依次按以下步骤实现：步骤(1): 构建一个基于椭圆弧扫描转换的能在被测物体的深度方向形成的纵断面上作无损伤检测的时域相控阵超声波回波成像系统，以下简称系统，它由一台计算机、一个相控阵探头、一个相控阵控制器和一个模数转换器组成，其中：所述的相控阵控制器的输入端与计算机控制信号的输出端相连，相控阵探头的输入端与相控阵控制器的输出端相连，相控阵的回波信号输出端与所述模数转换器的输入端相连，所述模数转换器的输出端与所述计算机的回波采样信号输入端相连，在被测物体的上表面设置X‑Z坐标系，被测物体沿X轴方向的水平长度为Mx，向右为正，纵轴Z向下为正，作为目标反射物被测物体纵断面上深度方向的坐标为(x, z)，所述相控阵探头共有N个用超声换能器组成的相控阵阵元，以下简称阵元，各阵元沿X轴正方向等间距Δx排列组成一个相控阵阵列，各阵元用Ei表示，i=0,1,2,…,N‑1，i既是阵元编号，也是检测过程中各个探测步骤的序号，图像中相邻两个像素点的间距称为图像精度accuracy，阵列中首个阵元的坐标为(x0, 0)，第Ei个阵元的坐标为(xi= x0+i*Δx/accuracy, 0)，目标图像水平方向的像素点数目Xlength=Mx/accuracy，计算超声换能器的半功率波束角β0.5=0.84λ/d，λ为超声在被测物体中传播时的波长，d为超声换能器的直径，对于所有的阵元均相同，在深度为z时，阵元有效孔径长度为：Lz=z*β0.5；步骤(2)：所述系统按如下步骤实现所述的基于椭圆弧扫描转换的相控阵超声回波成像方法：步骤(2.1)：第i=0步，按如下步骤探测:步骤(2.1.1)：所述计算机控制所述相控阵控制器产生一个晶体管‑晶体管逻辑电平TTL脉冲，触发首个阵元Ei=E0，使其向被测物体的垂直于X轴的深度方向Z发射一个激励脉冲；步骤(2.1.2)：包括Ei在内的所有N个阵元都转为接收模式并开始计时，接收从被测物体反射的回波信号，所述模数转换器对本次探测过程中各阵元Ej接收到的回波信号进行采样，共计Nt次，采样序号为nt，nt=0,1,2,….,Nt‑1，采样频率为fs，fs的值为模数转换器预设，记Si,j(nt)为相控阵在第i=0步探测过程中，第j个阵元Ej第nt次采样得到的采样值；每个阵元的总采样次数Nt为： Nt＝2Zdepth·accuracy·fs/v，v为超声波在被测物体中的传播速度，Zdepth为生成目标图像的垂直方向的像素数目，通过设置Zdepth来实现；步骤(2.2)：所述计算机重复步骤(2.1.1)‑步骤(2.1.2)，依次读取第i=1,2,…,N‑1步所述模/数转换器输入的全部N个相控阵阵元的回波信号采样值；步骤(3)：对于第i=0步探测过程中,第j=0个阵元接收的回波采样信号Si,j(nt)，nt=0,1,…, Nt‑1，求解其对应的子图像It,r，即采样信号对目标图像上所有像素点的贡献值，步骤(3.1)：依次按以下步骤计算所述纵断面上的以坐标点(xi, 0)和(xj, 0)为焦点的一系列椭圆弧：步骤(3.1.1)：取深度方向上的初始坐标值zα＝0，椭圆中心点坐标为(xc=(xi+xj)/2, 0)，计算路径Ei→p(xc,zα)→Ej的传输距离：计算超声在被测物体中传播距离为ri,j(xc, zα)时所需要的时间ti,j(xc,zα)＝ri,j(xc,zα)·accuracy/v，及该时间所对应的采样序号nt= ti,j(xc, zα)·fs；步骤(3.1.2)：判断采样信号Si,j(nt)是否为非0值，若是，执行步骤(3.1.3)，否则，跳过步骤(3.1.3)直接执行步骤(3.1.4)；步骤(3.1.3)：采样信号Si,j(nt)所对应的椭圆弧为arci,j(ri,j(xc, zα))，该椭圆弧以(xi, 0)和(xj, 0)为焦点且经过点(xc, zα)，其中椭圆长半轴为a=ri,j(xc, zα)/2，短半轴为b= 0，椭圆弧方程为f(x,z)＝b2(x‑xc)2+a2z2‑a2b2＝0，调用中点画椭圆算法得到该椭圆弧上所有像素点的坐标，对于所有满足z≥0的像素点p(x_k, z_k)，k=0,1,2,…, n_k‑1，n_k为满足条件的像素点数目，其像素点的值累加其中，变迹函数ω_i,j(x,z)为：ωi,j(x,z)＝ωi(x,z)·ωj(x,z)步骤(3.1.4)：依次取深度方向上的坐标值zα=1,2, …, Zdepth‑1，重复执行步骤(3.1.1)至步骤(3.1.3)；步骤(4)：依次取接收阵元j=1,2,…,N‑1，执行步骤(3)；步骤(5)：依次对于探测步骤i=1,2,…,N‑1,执行步骤(3)‑步骤(4)，生成Xlength×Zdepth的纵断面图像；步骤(6)：运用边缘检测算法提取出纵断面图像中像素值显著变化的点，这些像素点构成了被测物体中分界面的形状和位置。