钢轨缺陷的超声相控阵波数成像算法*

该文应用超声相控阵全矩阵捕获的波数成像算法,检测带有通孔缺陷的钢轨和B型相控阵试块。以实验获取的全矩阵数据为基础,研究了自发自收模式和全矩阵模式的波数成像算法,理论上分析了全聚焦方法和波数算法的计算性能,取得波数成像的结果并与全聚焦方法的成像结果做了对比。实验结果表明:波数成像算法具有更快的计算速度和更高的横向分辨率,且能够更加精准地还原钢轨中缺陷大小和形状,而传统的全聚焦方法计算耗时长,聚焦点分布不均匀,重建较大的缺陷出现了纵向拉长的现象,不能够较好地反映钢轨中的大缺陷。波数成像算法在各向同性材料实时检测中有很大的应用潜能。     

合成孔径激光成像雷达的二维傅里叶变换成像算法

提出了合成孔径激光成像雷达(SAIL)的二维傅里叶变换成像算法,即对回波信号进行顺轨向相位二次项共轭补偿后直接实施二维傅里叶变换。归纳了啁啾光源侧视SAIL,平移二次项波面直视SAIL和偏转平面波面直视SAIL的数据收集方程,采用连续变量和函数说明了算法的成像过程,并分析了矩形和圆形天线孔径下的成像分辨率,最后给出了离散傅里叶变换的表达形式。算法中交轨向和顺轨向的时间域数据均直接变换到频率域成像,给出了圆形孔径天线SAIL的随交轨向变化的顺轨向成像分辨率的解析解。     

频域宽带下视多波束三维声成像算法

为解决下视多波束三维成像声呐跨航向分辨率差、旁瓣级高的问题,提出一种频域宽带下视多波束三维声成像算法。该算法将阵元域回波信号通过二维傅里叶变换直接变换到波数-频率域,之后进行深度向匹配滤波,同时选取带宽内的频点进行频域宽带信号的相位补偿,再进行二维逆傅里叶变换回阵元域,实现跨航向-深度向成像处理。沿航向采用时域合成孔径方法,得到三维图像结果.计算机仿真和海上实验结果表明,相比于常规的下视多波束三维成像声呐处理算法,改进的方法跨航向主瓣变窄,角分辨率明显提高,旁瓣降低10~30 dB。相比于传统基于分块DFT的频域宽带波束形成,改进的频域宽带方法避免了跨航向处理中的时域分块插值和多次变换域,复数加法和乘法次数显著降低。改进的频域宽带下视多波束三维声成像算法可以有效地获取水下三维高分辨图像,抑制虚影,明显改善成像质量。同时,计算效率高,更适合于实时成像系统实现。      

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪光谱重建并行算法

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪具有高空间分辨率和高光谱分辨率的特点,但光谱重建时间冗长。通过对傅里叶变换光谱重建流程分析,为研制的1024pixel(光谱维)×1024piexl(像宽)×1024piexl(像高)高分辨率紫外傅里叶变换成像光谱仪的数据立方体反演,设计了一种并行优化算法。实验表明,在6核处理器上对512M和2G的数据立方体进行变换,时间分别只需88.33s和489.75s,加速比分别为3.70和3.04,大幅度提高了运算效率。如将该算法应用到更多内核处理器上,可得到更高的加速比和更少的运算时间。     

最小方差波束形成与广义相干系数融合的医学超声成像方法

为了在医学超声成像过程中提高分辨率并修正由生物组织的声速不均匀性引入的聚焦误差,提出了将最小波束形成与广义相干系数融合的高分辨率成像方法.首先对阵元数据进行延时聚焦处理,得到了聚焦后的多通道数据;然后对多通道数据进行最小方差波束形成,同时把阵元数据变换到波束域,计算广义相干系数;最后利用广义相干系数加权最小波束形成的结...     

窗口傅里叶变换轮廓术中窗口尺度选取的改进

多尺度窗口傅里叶变换法根据条纹信号的瞬时频率梯度来确定信号的局域平稳长度,再由局域平稳长度来控制窗口的尺度,即窗口的尺度和局域平稳长度成正比。使用多尺度窗口傅里叶变换法来使条纹信号的频谱局域化,可以在条纹信号的频率分辨率和空间分辨率之间达到一种较佳的调和。针对多尺度窗口傅里叶变换三维形貌测量技术中局域平稳长度提取算法的不足进行了改进,使窗口尺度的选取更具合理性,对变形光栅基频提取更精确,进一步减小了位相测量的误差。给出了理论分析、计算机模拟以及实验结果。     

相位环形统计矢量对提高全聚焦成像质量的影响

为进一步提高超声全聚焦的成像质量,提出一种基于相位环形统计矢量的全聚焦成像方法。首先,在全聚焦实施过程中提取全矩阵数据中信号的相位信息。然后,将同一聚焦像素点的相位视作环形分布的统计样本,通过饱和状态加权统计构建由幅值和相位分布共同决定的相位环形统计矢量。最后,将相位环形统计矢量的模等效为全聚焦图像的幅值。结果表明,该成像算法既能够通过放大相位分布对信号幅值的贡献提高信噪比,又能够通过减小声束宽度有效提高横向分辨率。相比于相位相干加权算法SCF和CCF,基于相位环形统计矢量的算法对相位偏差的容忍度更高。      

多子阵合成孔径声呐波数域算法不均匀采样问题研究

多子阵合成孔径声呐(SAS)方位向采样不均匀,因而单子阵波数域算法(ω-k)不能直接用于多子阵SAS图像重建。为此,提出两种改进ω-k算法的方法,使其可以应用于多子阵SAS图像重建。不均匀分离快速傅里叶变换(NSFFT)方法采用多子阵匀速直线运动的假设,将方位向不均匀采样的傅里叶变换分解为若干个均匀采样的傅里叶变换;不均匀快速傅里叶变换(NFFT)方法则直接快速计算方位向不均匀采样的傅里叶变换。文中对这两种方法进行了理论分析,并利用仿真数据和湖试数据对这两种方法进行了验证。成像结果表明两种方法均可用于多子阵SAS系统图像重建。NSFFT计算效率较高,但声呐基阵前进方向速度的不均匀性会对成像质量造成一定的影响;NFFT可以适用于任意速度的情况,但计算效率比NSFFT方法低。综合来看,两种方法各有特点,可以根据应用场景的不同进行选择。      

伸缩窗口傅里叶变换在三维形貌测量中的应用

为了克服窗口傅里叶变换在分析非平稳信号所存在的缺陷,基于窗口傅里叶变换技术提出了伸缩傅里叶变换法并应用于三维形貌测量中。通过对窗函数在空间尺度上引入伸缩变换,得到一个可调宽度的空间一频率窗,实现空间频率分辨率随光栅图像条纹频率变化自动可调的实时快速测量。该方法克服了窗口傅里叶变换分析中所有频率窗口的大小形状固定不变的缺点,适合复杂物体形貌的测量。给出了理论分析、计算机模拟以及实验研究结果。     

基于粒子群算法的稀疏阵列超声相控阵全聚焦成像

为降低相控阵超声检测全聚焦算法的成像数据量及阵列稀疏优化的计算时间,研究了一种用于稀疏阵列全聚焦成像的阵列优化算法,并通过实验对其成像效果进行了验证。针对目前超声相控阵检测的全矩阵采集数据量大、全聚焦算法成像时间长的难点,该文通过构建稀疏阵列,在保证成像质量的同时显著降低成像数据量,提高了全聚焦算法的成像效率。通过以主瓣宽度、旁瓣峰值以及主瓣峰值作为约束条件构建适应度函数,采用粒子群算法得到稀疏阵元位置分布并进行阵元权重修正,并将其用于稀疏全聚焦成像。相比全阵元成像,使用粒子群算法所得的稀疏阵列的阵元个数降低了56.25%、65.62%,数据使用量降低了80.86%、88.18%。在阵列优化方面,相比遗传算法减少了84.86%的计算时间。     

水浸超声检测的平面波频域快速成像算法

给出了一种基于一步相移法的水浸超声检测快速频域算法,以适用于液浸式相控阵成像。通过在阵列信号频域乘以相移因子,将阵列虚拟延拓至水浸工件表面,再进行单介质频域成像。相比时域延时叠加算法,节省了计算界面折射点的用时。对于垂直入射平面波检测,提出一种网格匹配的方法,通过调整傅里叶变换的点数,使阵列信号频域和图像频域的采样网格相重合,有效地减少了频域插值误差和伪像,进一步降低了运算次数.实验结果表明,网格匹配频域算法的运算次数仅为时域平面波算法的1/60,为水浸式超声实时检测提供了一种可行方案。      

压缩感知在合成发射孔径医学超声成像中的应用

为了解决合成发射孔径技术在医学超声成像实现中面临的数据量大及接收通道多的问题,提出一种超声成像系统频率域稀疏性模型的压缩感知成像算法。首先对超声系统频率域稀疏性模型进行了验证;然后根据稀疏性模型利用压缩感知理论对回波信号进行压缩采样,并使用最优化方法完成回波信号重建;最终通过合成发射孔径技术完成超声成像。针对医学成像中常用的点目标及模拟胎儿目标进行成像仿真实验,对重建图像在均方误差、分辨率及成像质量等方面与常规成像结果对比分析。实验结果表明在保证成像质量的同时,仅使用30%原始数据量及50%总接收通道数目可完成成像;频率域稀疏性模型的压缩感知成像算法可以大幅度减少合成发射孔径成像所需数据量及接收通道数,极大地降低了系统复杂度。      

Reflectivity function reconstruction using the frequency deconvolution technique

Deconvolution of ultrasonic echo signals improves resolution and quality of ultrasonic images. A frequency deconvolution algorithm depends on the Fast Fourier transform is proposed for ultrasonic data. The stability of the algorithm and the influence of the truncation effect on the deconvoluted results were investigated with respect to the duration time of reflectivity function reconstruction and the signal to noise ratio. Reliability of the separation of reconstructing the reflectivity of a biological tissue is estimated by frequency deconvolution of the echo ultrasound signals.     

激光相干场成像散斑噪声复合去噪方法

噪声是影响激光相干场高分辨成像系统像质的重要因素,激光相干场成像系统既受背景光加性噪声影响,又受激光乘性散斑噪声影响.为解决激光相干场成像系统受激光乘性散斑噪声和背景光加性噪声叠加引起的成像像质退化效应问题,从噪声抑制角度提高激光相干场系统高分辨成像像质,研究建立了激光散斑乘性噪声和背景光加性噪声对大气下行链路激光回波场信号影响干扰模型,并基于该模型提出了一种基于同态滤波和稀疏基追踪级联复合去噪算法.首先基于同态滤波理论将激光乘性散斑噪声转化为加性噪声,再由高通滤波器滤除散斑噪声,最后采用基追踪稀疏理论方法抑制背景光等加性噪声对像质的影响.研究表明,较现有单一去噪方法,该级联复合去噪方法可一次性消除激光乘性散斑噪声和背景加性噪声两种不同性质的噪声,有效改善了激光相干场成像质量.     

面向开环扫描系统的超声图像畸变校正方法

超声显微成像技术广泛应用于工业无损检测领域。相较于闭环、半闭环扫描系统硬件复杂、成本高,开环扫描系统结构简单、成本低,但由于无反馈机制会导致步进电机的非线性运动引起图像像素错位畸变。因此,消除非线性运动带来的错位畸变是采用开环扫描系统实现高质量超声成像的关键。该文提出集最大值投影法、最大类间方差法和中心坐标校正法于一体的MIP-Otsu-C³M方法,对开环扫描系统获得的硬币回波数据采用最大值投影法获取初始灰度图像,采用最大类间方差法获取感兴趣区域的B扫描图像边缘像素位置,并采用中心坐标校正法成功消除像素错位,解决了超声C扫描图像畸变问题。对消除错位畸变的回波数据进行飞行时间法和傅里叶变换法图像重建,直接获得了非畸变的三维图像和透视图像。该新颖算法也验证了最大值投影法可拓展至图像畸变校正应用。     

超声虚源成像中自适应双向空间逐点聚焦方法

针对传统超声成像中图像分辨率和对比度随深度下降的问题,提出了一种基于虚源的自适应双向空间逐点聚焦超声成像方法。首先,使用超声换能器线列阵分子孔径分别定焦点发射和接收超声波,采集扫描线数据;然后将焦点视为虚拟点声源,计算虚源到空间成像点的延时,利用合成孔径原理再次进行空间逐点聚焦;在合成过程中采用相干系数进行自适应加权。采用空间脉冲响应法对不同深度的点目标和囊目标仿真成像,从而量化分辨率和对比度。在F数为1.5、焦距为10 mm时(对应子孔径阵元数为17)可以获得与64通道定焦点发射、动态聚焦接收相当的图像质量且在所有深度上保持一致。实际硬件平台的体模成像实验进一步验证了方法的有效性。该方法可在整个成像深度范围内保持和常规成像一致的分辨率和对比度,从而获得更优的整体成像效果。      

Extract echo signal in HFR imaging system

Ultrasonic high frame rate (HFR) method was developed by Jianyu Lu in 1997. This method constructs images in frequency domain; the spectrum of space domain objects is calculated based on the spectrum of echo signals, and the image is obtained by using IFFT (inverse fast Fourier transform). Because of this imaging process, the echo signal from each individual scatterer cannot be obtained directly. In this paper, we present a method, which can pick up the echo signal of every scatterer in HFR imaging method. Computer simulation has been performed to verify our method. With the new method we have developed, many other imaging methods, such as Doppler blood flow and elastic imaging, can be easily combined with HFR method to give more information of the imaged objects.     

互相关自适应加权的医学超声成像算法研究

根据超声成像系统的超声回波信号互相关性,提出互相关自适应加权超声成像算法.该算法根据散射点回波信号之间的空间相关性设置加权系数,对不同位置的散射点进行自适应加权成像,从而降低了成像系统的旁瓣,抑制了相关性较差的噪声.通过Field II仿真的点目标和吸声斑目标处理结果表明该方法成像的横向和纵向分辨率高,成像速度快.相对于延时叠加(DAS)算法,该算法对散射点成像可提高对比度16 dB,对于吸声斑成像可提高对比度0.85 dB.最后采用完备数据集进行实验,结果表明该算法成像分辨率优于DAS算法,对比度提高了17 dB.