Modified synthetic transmit aperture algorithm for ultrasound imaging

The modified synthetic transmit aperture (STA) algorithm is described. The primary goal of this work was to assess the possibility to improve the image quality achievable using synthetic aperture (SA) approach and to evaluate the performance and the clinical applicability of the modified algorithm using phantoms. The modified algorithm is based on the coherent summation of back-scattered RF echo signals with weights calculated for each point in the image and for all possible combinations of the transmit-receive pairs. The weights are calculated using the angular directivity functions of the transmit-receive elements, which are approximated by a far-field radiation pattern of a narrow strip transducer element vibrating with uniform pressure amplitude over its width. In this way, the algorithm takes into account the finite aperture of each individual element in the imaging transducer array. The performance of the approach developed was tested using FIELD II simulated synthetic aperture data of the point reflectors, which allowed the visualization (penetration) depth and lateral resolution to be estimated. Also, both simulated and measured data of cyst phantom were used for qualitative assessment of the imaging contrast improvement. The experimental data were obtained using 128 elements, 4 MHz, linear transducer array of the Ultrasonix research platform. The comparison of the results obtained using the modified and conventional (unweighted) STA algorithms revealed that the modified STA exhibited an increase in the penetration depth accompanied by a minor, yet discernible upon the closer examination, degradation in lateral resolution, mainly in the proximity of the transducer aperture. Overall, however, a considerable (12 dB) improvement in the image quality, particularly in the immediate vicinity of the transducer’s surface was demonstrated. The modified STA method holds promise to be of clinical importance, especially in the applications where the quality of the “near-field” image, that is the image in the immediate vicinity of the scanhead is of critical importance such as for instance in skin- and breast-examinations.     

合成孔径压缩感知超声成像中的高效能稀疏字典设计

针对目前常见的稀疏字典缺乏针对性,在合成孔径医学超声成像中的应用效果不佳,难以在低压缩率下保证重构图像质量的问题,本文设计了一种高效能的稀疏字典。根据超声回波信号是由发射脉冲信号经过不同延时衰减后叠加的特点,利用发射脉冲作为基函数构造稀疏字典,回波信号在该稀疏字典确定的变换域中具备很好的稀疏性,理论上能使其稀疏表示系数的稀疏度等于超声阵元接收到的反射回波数。通过FieldⅡ对简单点目标和复杂目标的仿真结果表明:在相同的重构算法和压缩率下该稀疏字典重构的平均绝对误差明显小于常见的稀疏字典,其值仅为DWT的几分之一,DFT和DCT的几十分之一,能让回波信号以更低的压缩率实现相同的恢复效果。本文最后使用体模的实际采集数据对算法的实际效果进行检测,实验结果也与仿真结果基本一致。基于该稀疏字典的压缩感知算法可以进一步减少合成孔径成像所需存储的数据量、降低系统的复杂度。     

Parameter optimization of pulse compression in ultrasound imaging systems with coded excitation

A linear array imaging system with coded excitation is considered, where the proposed excitation/compression scheme maximizes the signal-to-noise ratio (SNR) and minimizes sidelobes at the output of the compression filter. A pulse with linear frequency modulation (LFM) is used for coded excitation. The excitation/compression scheme is based on the fast digital mismatched filtering. The parameter optimization of the excitation/compression scheme includes (i) choice of an optimal filtering function for the mismatched filtering; (ii) choice of an optimal window function for tapering of the chirp amplitude; (iii) optimization of a chirp-to-transducer bandwidth ratio; (iv) choice of an appropriate n-bit quantizer. The simulation results show that the excitation/compression scheme can be implemented as a Dolph–Chebyshev filter including amplitude tapering of the chirp with a Lanczos window. An example of such an optimized system is given where the chirp bandwidth is chosen to be 2.5 times the transducer bandwidth and equals 6 MHz: The sidelobes are suppressed to −80 dB, for a central frequency of 4 MHz, and to −94 dB, for a central frequency of 8 MHz. The corresponding improvement of the SNR is 18 and 21 dB, respectively, when compared to a conventional short pulse imaging system. Simulation of B-mode images demonstrates the advantage of coded excitation systems of detecting regions with low contrast.     

非线性合成孔径聚焦超声成像

论文介绍了合成孔径聚焦超声成像系统原理。建立了一个无损检测超声成像系统。同时，为了进一步提高分辨率，设计了基于相关系数的非线性合成孔径聚焦算法。然后利用此算法对试块成像，结果表明，与延时叠加合成孔径算法相比，基于相关性分析的非线性合成孔径算法提高了图像的分辨率，改善了图像质量。     

URA编码孔径的层析成像

URA编码孔径成像是X射线成像的一项新技术.它不但提高了信噪比,而且具有层析分辨能力.本文详细论述了URA编码孔径的层析成像原理,并提供了一种改善层析成像质量的叠代方法.并应用迭代方法成功地进行了计算机模拟实验.     

AUV双基地合成孔径声呐成像实验*

单基地合成孔径声呐成像通常基于点目标假设,其相干积累处理不能克服分布型目标散射模式的起伏效应。收发异置的双基地声呐可以从不同角度观察目标,充分挖掘目标散射模式的角度依赖特性,在对水下目标(尤其人造目标)检测与定位方面,相对仅仅观测后向散射的单基地声呐有潜在的优势。该文 介绍一种基于自主水下航行器的双基地合成孔径声呐系统,重点介绍湖试成像的结果,验证双基地合成孔径声呐的可行性。同时通过引入目标散射模式建模的宽角度合成孔径声呐处理,实现了对目标探测性能的提升。     

压缩感知光谱成像技术的编码孔径与探测器匹配优化

编码孔径光谱成像仪在实际应用中存在着编码模板与探测器分辨率不匹配从而降低系统分辨率的问题。针对该问题进行了两种情况分析,并通过数学理论建模给出了相应的解决方案。对于编码模板分辨率高于探测器分辨率这一情况,提出引入邻域嵌入超分辨技术的方法,实现了基于压缩感知的超分辨光谱成像。对于编码模板分辨率低于探测器分辨率这一情况,提出区块阈值划分的编码孔径,将编码微元按照区块阈值重新划分并进行灰度分级,从而实现低分辨率编码模板的高分辨率编码孔径。利用梯度投影稀疏重构(GPSR)算法进行数据立方体重建,实验结果表明:运用基于超分辨理论的编码孔径快照光谱成像系统所测得的光谱图像更精准,内容更丰富;采用基于区块阈值划分的编码孔径的编码孔径快照光谱成像系统具有更高的空间分辨率和光谱分辨率。结果证实优化后的编码孔径快照光谱成像系统,其分辨率和成像质量大幅度提升,并实现了高分辨率元件的100%利用。     

时域压缩合成孔径超分辨水声成像算法

提出一种针对水下稀疏目标的时域压缩合成孔径声呐成像方法(TC-SAS),实现了水声目标高分辨实时成像。通过多子阵的孔径合成,在时域上构造出成像网格格点到有效孔径内逐帧阵列的格林函数,并给出成像区域散射强度到数据域的映射矩阵;然后利用该区域空域稀疏的先验知识,通过正交匹配追踪的稀疏重构方式,解算出成像区域散射系数矩阵,实现了稀疏目标高分辨成像.同时,针对线性调频信号提出数据缩减的方法,通过对观测数据和字典矩阵同时脉压后截取,减小了数据规模;进一步结合二维矩阵数表查表的方法,以空间换时间,实现了区块实时成像。数值仿真以及湖试试验表明,所提算法能分辨出传统的时延求和算法难以分辨的目标,并且在图像清晰度指标上平均提升4.9 dB.改善了合成孔径声呐的成像质量.     

X光环孔编码成像技术研究

 着眼于惯性约束聚变实验研究中的应用，对X光环孔编码成像技术进行了研究。利用数值模拟的手段，分析了环孔的自相关函数及其对环孔编码成像技术图像重建的影响，对不同的图像重建技术进行了初步比较。基于星光II实验装置，利用自行研制的X光环孔编码成像系统进行了激光等离子体X光环孔编码成像技术的演示实验，获得了满意结果。     

0.2 THz步进频率逆合成孔径雷达成像

研究设计了一种0.2 THz的步进频率雷达成像系统,带宽12 GHz,并利用逆合成孔径技术对物体进行二维高分辨成像。针对系统设计参数进行Matlab仿真,获得简单转台目标的二维逆合成孔径雷达图像。仿真结果表明,太赫兹雷达成像系统可实现目标的二维高分辨成像,横向和纵向距离可以达到cm级分辨率。     

X光环孔编码成像技术研究

着眼于惯性约束聚变实验研究中的应用,对X光环孔编码成像技术进行了研究。利用数值模拟的手段,分析了环孔的自相关函数及其对环孔编码成像技术图像重建的影响,对不同的图像重建技术进行了初步比较。基于星光II实验装置,利用自行研制的X光环孔编码成像系统进行了激光等离子体X光环孔编码成像技术的演示实验,获得了满意结果。     

合成孔径成像的应用及发展

条带合成孔径成像自20世纪50年代提出,应用于雷达成像,并成功地应用于环境资源监测、灾害监测、海事管理及军事等领域。近年来,随着科学技术的发展,合成孔径成像日趋成熟,并扩展到其他领域,得到了广泛的应用。该文简要介绍了条带合成孔径成像的原理及其在雷达、声呐、无损检测及医学影像等方面的应用及发展。     

光学合成孔径成像技术及发展现状

基于干涉成像理论介绍了合成孔径成像技术原理。分别从成像过程、成像特性、视场大小、适用范围等方面对迈克尔逊型和菲索型两种合成孔径成像系统做了对比,重点介绍了这两种类型合成孔径望远镜在地基系统和天基系统上的应用、发展现状及发展趋势,指出迈克尔逊型合成孔径望远镜将会向着长基线、复杂基线结构的方向发展,而菲索型合成孔径望远镜则会向着复杂孔径排列结构的方向发展,以组成等效孔径为其子孔径几倍甚至几十倍的系统。与传统光学系统相比,合成孔径系统具有分辨力高、镜面加工难度小、易折叠、重量轻等特点,是实现高分辨力光学成像的一种有效途径,幸运成像、分布发射与在轨装配、无支撑薄膜望远镜等各种新技术都可以引用到合成孔径技术中来。     

0.2 THz步进频率逆合成孔径雷达成像

研究设计了一种0.2 THz的步进频率雷达成像系统,带宽12 GHz,并利用逆合成孔径技术对物体进行二维高分辨成像。针对系统设计参数进行Matlab仿真,获得简单转台目标的二维逆合成孔径雷达图像。仿真结果表明,太赫兹雷达成像系统可实现目标的二维高分辨成像,横向和纵向距离可以达到cm级分辨率。     

基于孔径分割与视场分割的通道型成像光谱偏振技术

本文基于孔径分割、视场分割与通道光谱技术, 提出一种成像光谱偏振技术的新方案. 本方案在单一面阵探测器上同时获取经过不同强度调制的两对正反相干涉图, 四幅干涉图相加获取强度加倍的目标图像, 正反相干涉图相减获取纯干涉条纹, 纯干涉条纹相加减获取强度加倍的单通道干涉条纹, 对单通道干涉条纹进行傅里叶变换获取目标的光谱与偏振信息. 文中描述了方案的原理结构, 推导出了干涉强度的表达式, 并利用计算机仿真验证了方案的可行性. 为新型成像光谱偏振仪的设计和工程化应用提供了一种新思路.     

太赫兹综合孔径近场成像系统设计

根据太赫兹成像兼具微波穿透特性和红外线高分辨率成像的特点,在红外与毫米波成像系统的基础上,提出一种近场太赫兹波被动干涉合成孔径成像系统的设计方案,并对其实现方法进行了分析。系统采用二维波束扫描天线结构实现综合孔径成像,在保证高精度成像的同时降低了系统的复杂度。通过数值仿真对成像系统的成像性能进行分析,仿真结果表明系统具有较高的空间分辨率;并对系统的成像过程进行了模拟仿真,验证了系统的可行性。     

太赫兹综合孔径近场成像系统设计

根据太赫兹成像兼具微波穿透特性和红外线高分辨率成像的特点,在红外与毫米波成像系统的基础上,提出一种近场太赫兹波被动干涉合成孔径成像系统的设计方案,并对其实现方法进行了分析。系统采用二维波束扫描天线结构实现综合孔径成像,在保证高精度成像的同时降低了系统的复杂度。通过数值仿真对成像系统的成像性能进行分析,仿真结果表明系统具有较高的空间分辨率;并对系统的成像过程进行了模拟仿真,验证了系统的可行性。     

可重编程正交频分复用水声调制解调技术进展*

随着海洋探索和军事应用的迫切需求,水声通信需要向高数据率、高可靠性方向发展。正交频分复用技术被视为水声高速通信的新途径,并被成功应用于水声通信,在水声通信中展现了其优越性。高度灵活的自适应平台的发展,激发了可重编程水声调制解调器的发展,以适应不同实验/应用场景的需求。文中从带宽、调制方案、数据率、传输距离、误码率方面,介绍了国内外研究机构对可重编程正交频分复用水声调制解调器研究的进展,并对其中的技术进行概述。最后对可重编程正交频分复用水声调制解调器进行了展望。认为可重编程正交频分复用水声调制解调器需要的是分块接收处理的自适应实时扩展平台,同时也坚信水声网络的发展和需求必将推动智能水声通信的发展。     

光学综合孔径成像技术实验研究

根据光学综合孔径成像系统的成像质量与点扩散函数和光学传递函数的关系,以G o lay-3阵列结构为例,从空间域和频率域对光学综合孔径成像技术进行理论仿真和实验研究。在空间域从理论上分析光学综合孔径成像系统的点扩散函数,对复杂目标的成像通过目标函数与点扩散函数的卷积求得,点扩散函数决定了成像质量。通过数值仿真和模拟实验取得了点扩散函数强度分布图,两者分布规律一致证明理论分析正确。在频率域研究光学综合孔径调制传递函数,理论仿真和实验取得的调制传递函数表明,空间域和频率域内光学综合孔径成像技术的理论分析与实验结果具有较好的一致性。     

轴对称综合孔径光学系统的调制传递函数和成像性质

综合分析目前各种综合孔径光学系统的结构和成像特征,并对它们作了比较。使用数值模拟方法,对单环轴对称综合孔径光学系统和双环结构的轴对称系统进行分析,研究了轴对称综合孔径光学系统的结构形式及其调制传递函数(MTF),并对其成像性质作了评估与比较。讨论了一种4+2双环结构的轴对称综合孔径系统的结构形式,对其成像特点作了详细描述,最后运用图像复原维纳滤波器对系统成像图做了处理,以使这种轴对称综合孔径系统具有更理想的成像效果。