一种超声相控阵虚拟源稀疏全聚焦成像方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115951362A(43)申请公布日2023.04.11(21)申请号202211516637.7(22)申请日2022.11.29(71)申请人上海大学地址200444上海市宝山区上大路99号(72)发明人马世伟杜冰旭宋俊颖(74)专利代理机构上海上大专利事务所(普通合伙)31205专利代理师何文欣(51)Int.Cl.G01S15/89(2006.01)G06N3/126(2023.01)权利要求书1页说明书9页附图4页(54)发明名称一种超声相控阵虚拟源稀疏全聚焦成像方法(57)摘要本发明公开了一种基于阵列稀疏优化的超声相控阵虚拟源全聚焦成像方法。该方法首先利用遗传算法对稀疏发射阵列的布局进行优化设计，得到最佳阵列布局方案。之后，根据稀疏阵列与全阵列的声场一致性，对稀疏接收阵列进行有效孔径补偿，在减少有效阵元数目的同时，提升稀疏全聚焦成像质量。最后，针对高声衰减材料中微小缺陷的检测问题，结合优化设计的稀疏阵列构造虚拟源，代替实际稀疏阵列中的有效阵元，增强了聚焦声束能量，进一步提高了对于微小缺陷的分辨能力。通过本发明提出的稀疏全聚焦成像方法，可在保证成像质量的同时，极大地减少了成像算法使用数据量，提高了成像效率，并且适用于微小缺陷的检测。CN115951362ACN115951362A权利要求书1/1页1.一种超声相控阵虚拟源稀疏全聚焦成像方法，其特征在于，操作步骤如下：1)稀疏阵列布局优化；2)指向性函数加权处理、有效孔径权值修正；3)构造虚拟源阵列；4)实现稀疏TFM成像。2.根据权利要求1所述的超声相控阵虚拟源稀疏全聚焦成像方法，其特征在于，在所述步骤1)中的稀疏阵列布局优化：使用遗传算法对有效阵元个数为N的稀疏阵列进行优化，优化的目标函数基于相控阵指向性函数的参数旁瓣峰值(Peakside‑lobe,PSL)、主瓣宽度(Main‑lobewide,MLW)和主瓣峰值(Peakmain‑lobe，PML)来获得；优化的主要步骤包括：①种群初始化，②适应度函数评估，③采用合适的算法对初始种群进行选择、交叉、变异操作，④迭代获取最优的染色体序列，并将其还原得到最佳稀疏阵列。3.根据权利要求1所述的超声相控阵虚拟源稀疏全聚焦成像方法，其特征在于：在所述步骤2)中的指向性函数加权处理、有效孔径权值修正：首先根据优化得到的稀疏阵列中各阵元位置计算出阵元指向性函数，将其作为权重系数对接收回波值进行加权，以修正声束指向性变化的影响；其次，对各个接收阵元计算出有效孔径函数，将其作为权重系数对接收陈元进行有效孔径补偿，使得稀疏陈列的有效孔径近似或达到全阵元阵列的有效孔径。4.根据权利要求1所述的超声相控阵虚拟源稀疏全聚焦成像方法，其特征在于：在所述步骤3)中的构造虚拟源阵列：通过构建虚拟源阵列来代替实际阵列；在N个阵元的稀疏阵列中，通过聚焦延时法则激励换能器中连续的M个阵元，使得声波聚焦在一点，从而在实际相控阵列下方形成虚拟源；按阵列方向自左到右步进1个单位，激励下一组M个连续阵元，直到所有阵元完成激发，由此可以得到一个阵元个数为N‑M+1的虚拟源阵列。5.根据权利要求1所述的超声相控阵虚拟源稀疏全聚焦成像方法，其特征在于：所述步骤4)实现稀疏TFM成像：使用虚拟源阵列产生的球面波作为波源，全阵元矩阵进行接收并保存回波信号；计算出虚拟源阵列中每个虚拟源在成像区域内任意一点(x，z)处的强度值，再将每个虚拟源在目标聚集点(x，z)处的成像强度叠加，即获得最终该点的成像强度，由此得到整个被测区域内的稀疏TFM成像结果。2CN115951362A说明书1/9页一种超声相控阵虚拟源稀疏全聚焦成像方法技术领域[0001]本发明属于利用超声相控阵检测仪器对结构材料内部缺陷或损伤进行无损检测与成像评价的技术领域。具体涉及一种超声相控阵虚拟源稀疏全聚焦成像方法，本方法仅采用超声波相控阵换能器阵列中的部分有效阵元，构建虚拟源稀疏阵列，进行超声相控阵虚拟源稀疏全聚焦成像。背景技术[0002]超声相控阵检测和成像技术是一种新型的超声波扫描检测技术，可广泛应用于对工业和民用各类设施中的金属、非金属或复合材料结构件的内部缺陷或损伤进行无损检测与成像评价，也已在医学检测诊断领域得到了广泛应用。该技术使用的超声波换能器阵列是由一组相互独立的压电晶片(阵元)按照一定的空间布局排列构成线性相控阵列，通过超声相控阵检测仪器中的相控延时控制电路和控制软件，精确控制换能器中的各个阵元依次激发出相同频率、不同相位的超声波到被测介质中，同时利用各个阵元接收经过被测介质中传播的超声反射回波信号，通过合成波束的聚焦和偏转等信号处理技术，实现对被测介质内部损伤或缺陷的扫描检测和成像显示。与其它的超声波检测技术相比，相控