水下应用的电容式微机械超声换能器阵列设计

为提高用于水下成像的电容式微机械超声换能器的指向性,文中用ANSYS力电耦合分析法设计了工作频率为400 k Hz的收发一体传感器的结构参数并完成了实验验证。同时研究了阵列设计方法,分析了电容式微机械超声换能器阵列各参数对指向性的影响,完成了从微小敏感单元到阵列的设计,实现了阵列指向性的优化设计。该阵列为16阵元的线阵,阵元间距为1.925 mm,阵元宽度为1.82 mm。进行了水下指向性测试,实验表明该线阵的-3 dB主瓣宽度为5?,最大旁瓣级为-13.5 dB,对称性好。该设计是实现较远距离的探测,提高成像分辨率的前提。     

基于超快超声多普勒的三维脑损伤成像方法研究

三维超声微血管成像可直观呈现血流信息,对于脑血管疾病诊断和治疗具有重要意义。本文旨在将超快超声成像技术、超快超声功率多普勒技术和机械扫描相结合,实现脑血管三维成像和脑缺血区域评价。通过工程实现,完成了可同步控制微型线性位移平台移动和超声阵列超快发射、高速采集与压缩存储的三维扫描数据采集序列与系统。利用GPU并行运算,高效实现了超声图像波束合成方法,对原始射频超声数据完成重建。进而,基于SVD杂波滤除技术,从重建三维超声数据中提取了脑部的动态小血管信号,并获得了各切面的功率多普勒成像和冠状面彩色多普勒超声小血管成像。最后,采用体素方法对三维脑血管进行重建。大鼠在体实验结果表明,该成像系统可用于三维脑血管网络在体成像,以及脑血管损伤区域定位与量化评价。本工作对脑病检测技术发展与诊断方法研究具有一定的借鉴意义。此外,相关检测系统和成像算法具有一定普适性,对其他富含微血流血管的组织检测也有一定的参考价值。     

基于折线采样的高分辨率成像系统设计

针对现有的提高线阵电荷耦合器件(CCD)成像系统的图像空间分辨率的方法存在的不足,提出了一种新的采样模式,并设计了一种高分辨率成像系统。该系统利用两个相同的线阵CCD相机进行特定的空间排列,即使得相机1和相机2的CCD阵列都倾斜θ来进行扫描取像,并利用图像校正和像素插值等图像重建方法,得到高分辨率的图像。实验结果表明,倾斜角取60°的情况下,相对于单个线阵相机在θ=0°的正常采样模式下得到的采样图像,图像的空间分辨率提高了1倍,且保持了成像的视野不变。本系统工程上实现简单,十分经济且便于维护,仅利用现有的成像装置即可获取更高分辨率的图像。     

线照明并行谱域光学相干层析成像系统与缺陷检测应用研究

针对玻璃缺陷在线无损检测的迫切需求,本文报道了一种基于线照明并行谱域光学相干层析成像系统的大视场检测系统.该系统采用快速面阵CMOS相机,单次拍摄即可获取完整的横截面(B-scan)图像.基于线照明面阵探测器的并行谱域光学相干层析成像系统,可以同时获取沿线照明方向各位置处的深度分辨信息,避免了横向扫描机构的应用.研制系统的轴向分辨率为17.9μm,并行方向上的横向分辨率55.7μm,扫描方向上的横向分辨率为24.8μm,轴向扫描速率为128 000 A-scan/s,横向视场为32 mm,空气中成像深度大于6 mm,成像灵敏度达到62 dB以上.利用研制的线照明并行谱域光学相干层析成像系统,开展了不同类型玻璃表面及其内部缺陷的检测应用研究.     

基于数字微镜器件并行共焦成像的光点阵列优化

数字微镜器件(DMD)的灵活性有助于实现并行共焦成像。设计并搭建了基于DMD的并行共焦成像系统,分析了DMD光点阵列对轴向分辨率、横向分辨率和图像对比度的影响,得出了最优光点阵列参数。结果表明:光点越小,则横向和轴向分辨率越高;当光点间距大于光点大小时,增大光点间距对成像的横向分辨率无明显改善;对于1×1微镜,光点间距为光点大小的4倍时对应的图像对比度最高,即1×1光点大小、4倍光点间距为最优光点阵列。对数值孔径为0.25的物镜而言,最优光点阵列对应的横向分辨率优于512lp/mm,轴向分辨率可达7.82μm,均达到衍射极限。基于最优光点阵列的三维体光栅成像比宽场成像具有更高的分辨率和明显的层切效果,与激光扫描共焦成像相比无较大差距。基于DMD的并行共焦成像系统在保证高速成像的前提下,实现了高分辨率和高图像对比度的光学层切成像,在实时成像和三维成像中有一定的优势和应用前景。     

多角度复合的超声多普勒矢量血流成像

血流速度的精确测量对于研究心血管疾病和动脉粥样硬化斑块的形成至关重要,传统的彩色多普勒方法局限于获得沿超声束的速度分量,难以描绘复杂的血流运动.本文提出了一种多角度复合的超声多普勒方法,结合多角度复合技术来提升速度估算的准确度.该方法可以获取复杂血管内较为精确的二维速度矢量,实现血管内动态矢量血流成像.仿真结果表明,多角度复合有效地减小了速度估算的误差,提升图像的质量.颈动脉分叉仿体成像实验表明,该方法可以获得较为清楚的血管内速度矢量图像.定量分析结果表明5个角度复合方案能够准确估算血管内流量.本文提出的多角度复合的矢量多普勒具有可视化复杂血流和计算血流动力学参数的能力,在矢量血流成像方法中有重要潜力.     

水声信号稀疏重构高分辨角度-多普勒成像

针对傅氏空时二维谱估计分辨率低以及声呐空时采样数据样本数不足给角度-多普勒成像带来困难的问题,提出一种水声信号稀疏重构的高分辨角度-多普勒成像方法和抗混响空时滤波器的稀疏重构方法.该方法在声呐阵列单测量向量的极少观测样本条件下,建立阵列信号的空时稀疏表示模型,应用稀疏表示的匹配追踪算法和基追踪算法重构回波与混响的高分辨...     

平面波超声成像中的波束合成方法研究进展

平面波成像通过单次全孔径发射-接收即可获取整幅图像,将成像帧频显著地提升至1000帧/秒以上.然而,平面波成像过程中发射的非聚焦波束将导致回波信号信噪比降低,进而使图像的分辨率和对比度变差.通过多角度相干复合成像技术可以改善平面波成像的图像质量,但是会以牺牲帧频为代价.因此研究人员们开始将新型波束合成技术引入平面波成像...     

无造影剂增强的超快超声脊髓微血管成像方法

微小血管及其血流实时成像对监测生物体血氧代谢等具有重要意义.在无微泡造影剂的情况下,传统超声多普勒技术仍较难实现高信噪比的微小血管成像.本研究提出了一种无造影剂增强的超快超声脊髓微血管成像方法.本研究从基于多角度复合平面波的高帧频成像技术出发,提出基于特征值分解的频率-幅值双阈值滤波法,从而将脊髓组织信号和微血流信号分离,可实现脊髓内微血流的动态成像.在体成像实验结果表明,无超声造影剂时,超快超声多普勒成像技术仍可获得较为清晰的大鼠脊髓内微血流的实时图像,并能够清晰地呈现脊髓受损所致的微血流缺失状况.定量分析结果表明,增大复合平面波角度数可有效提高图像的信噪比.综上,超快超声多普勒成像技术有潜力被应用于脊髓内微血管成像及功能实时监测与动态评价,相关结果可为脊髓功能成像方法的研究提供借鉴.     

基于窗截取的立体元图像阵列快速生成

集成成像需要从不同角度记录三维(3D)物体的空间信息,采用计算机生成时,计算量大、时间长。针对这一问题,提出窗截取的立体元图像阵列快速生成方法。模拟真实透镜阵列的结构,建立采样模型,根据显示平台光学参数计算得出虚拟3D物体对应每个虚拟透镜元中的图像,即立体元图像,然后采用窗截取的方式生成立体元图像阵列。改变采样点和窗函数可以生成任意孔径任意排列结构的立体元图像阵列。实验搭建基于LED的集成成像显示平台,设计了与LED匹配的方形、六边形、圆形孔径的透镜阵列,选取不同类型的3D模型对比立体元图像阵列的计算时间和立体显示效果,结果表明,在不改变立体图像质量的前提下,当立体元图像的分辨率高于透镜阵列的采样率时,本文方法速度更快。     

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。      

复杂曲面构件的超声虚拟声源阵列成像*

利用虚拟声源和合成孔径聚焦相结合的复合成像技术解决复杂曲面构件超声检测图像中的缺陷位置失真问题。首先,在水浸检测条件下利用128阵元线性阵列换能器中采集曲面构件内部缺陷的B扫描数据。通过相邻阵元界面回波时间差构建虚拟声源,并将其定义为声波在水-构件双层界面上的入射点。然后,根据实际阵元-虚拟声源-聚焦目标三者之间的声传播路径,通过合成孔径聚焦技术将各路阵元的接收信号反推至虚拟声源处进行图像的延时叠加重建,最终获得复杂曲面构件中缺陷的超声图像。结果表明,与传统B扫图像和合成孔径聚焦图像相比,虚拟源-合成孔径聚焦图像能够准确呈现复杂曲面构件的表面轮廓,精确表征构件内部的缺陷位置。     

基于最优化线性波数光谱仪的谱域光学相干层析成像系统

相比传统光谱仪,基于线性波数光谱仪的谱域光学相干层析(OCT)无需对非线性波数干涉光谱数据进行重采样和插值,可大大减少数据计算量并提高成像灵敏度.通过模拟计算干涉光谱信号和点扩散函数,以点扩散函数半峰全宽值的倒数作为评价准则,可以优化包括色散棱镜材料的折射率、顶角角度以及衍射光栅和色散棱镜之间旋转角角度的线性波数光谱仪的结构参数.根据优化结果,实验中选用F2玻璃等边色散棱镜,以光栅-棱镜间旋转角角度为21.8°搭建了最优化线性波数光谱仪,并引入谱域OCT成像系统.实验测得成像系统的轴向分辨率达到8.52μm,灵敏度达到91 dB,6 dB成像深度达到1.2 mm.结合具有通用并行计算能力的图形处理卡,在无需重采样和插值的情况下可实时处理和显示人手指指甲皮肤接缝处的横断面OCT图像,验证了基于最优化线性波数光谱仪的谱域OCT系统的成像性能.     

亚像元几何图像成像与超分辨恢复算法

随着光学成像到光电数字成像的转变,如何提高CCD的几何分辨率已成为研制高分辨光电成像系统亟待解决的问题。从研究现状入手,给出了现有算法并指出不足之处`,建立了亚像元超分辨成像数学模型,提出了亚像元的CCD几何超分辨方法:将两片线阵CCD集成在同一器件中,在线阵方向上错开半个像元,同时读出时间减半,最终交织重组图像数据,合成高分辨率图像。利用MATLAB软件对双线性插值方法及亚像元成像方法进行了仿真,并定性定量地分析了两种方法的效果。结果表明:亚像元方法合成图像分辨率约为低分辨率图像的2倍,且两组仿真图像中的峰值信噪比比双线性插值图像分别高出1.4864dB和2.2070dB,该方法可以显著地减轻欠采样引起的图像模糊,且实时性优于双线性插值方法。     

子阵列差分系数加权的超声成像算法

传统的自适应加权系数可以有效改善超声图像的分辨率和对比度,但会影响背景图像的散斑特性,因此提出子阵列差分加权系数(SDF)以提升图像质量.该系数适用于传统线扫描超声成像,首先对阵列接收到的回波信号采用子阵列平滑的方式计算均值,得到信号中高相干性成份的强度,再用差分的方式反映相邻阵元回波信号之间的差异性,最后对延时叠加(...     

菲涅尔区域的乳腺三维超声成像技术

该文提出了一种基于菲涅尔区域的乳腺三维超声成像技术,可实现病变组织早期的定性诊断与定量监测。主要研究内容包括：采用透射方式,以慢度作为反演参量,将正演与反演的透射时间差作为迭代判据,基于菲涅尔区域法实现乳腺组织的二维反演成像;根据柱面传感阵列的分布特点,将乳腺三维超声成像问题转为二维成像问题,进而实现乳腺三维超声成像;计算三维病变成像声速及尺寸误差,并分析菲涅尔区域法的成像分辨率以及入射频率对成像分辨率的影响。该文研究结果证明基于柱面传感阵列的菲涅尔区域法可实现乳腺三维超声成像并有效实现病变早期监测与诊断。     

基于量子级联激光器照明的高对比度红外内窥成像

对单丝直径为20μm,12×9阵列方形面阵的Ge-As-Te-Se组分光纤束进行了测试,并开展红外成像研究.利用5～11μm连续可调谐红外量子级联激光器作为光源,对光纤束损耗进行检测,传输损耗平均为1 dB/cm.设计并加工了基于像方远心成像的紧凑型物镜,总长13.6 mm,直径6 mm,最终实现了2 mm×2 mm视...     

8×8APD阵列激光三维成像接收机研制

为了实现对目标的无扫描阵列激光三维成像并研究系统参数对三维成像距离分辨率的影响,研制了8×8 pixel激光三维成像接收机。接收机采用线性模式APD阵列,设计了模拟信号放大、阈值处理将回波光信号转换为数字信号后,利用FPGA设计实现64通道高精度阵列计时系统,实现了对目标的无扫描实时三维成像功能。首先对设计完成的三维成像接收机组成及成像原理进行了介绍,对三维成像接收机中APD探测器阵列信号的模拟处理和数字处理流程和实现方式进行了说明。随后分别对三维成像的核心FPGA计时系统及探测器整体进行了电子学测试和实验测试。测试结果表明,FPGA计时子系统的时间分辨率优于140 ps,三维成像系统整体距离分辨率在0.2 m左右。最后对分辨率的误差进行了分析,结果表明,激光回波强度波动是影响此接收机距离分辨率的最主要因素。     

基于合成孔径技术的内镜超声相控阵成像算法

利用孔径大小为2.32mm的16阵元换能器,搭建了一套16通道的内镜超声相控阵成像实验系统。在此基础上提出了一种适用于内镜成像的相控阵成像算法(PAI),该算法利用延时和叠加算法(DAS)取得扫描线数据,再利用合成孔径技术中的相干样点叠加,得到高分辨率图像。该相控阵成像算法实现了发射和接收的动态聚焦。经FieldII仿真和内镜探头超声成像实验验证,与延时和叠加算法以及动态接收聚焦算法(DRF)相比,图像的理论横向分辨率分别提高了93.68%和17.5%,实验获得的实际横向分辨率分别提高了92.78%和14.69%,验证了相控阵成像算法和实验系统的可行性。     

基于改进空间频率域采样的天文光干涉望远镜阵列优化

提出一种基于改进空间频率域(UV)采样的阵列评价函数,用于长基线天文光干涉望远镜阵列几何结构的优化。该评价函数将UV采样区域沿径向和角度方向分别进行划分,统计划分所得区域中UV采样点数目并计算UV采样点密度,以UV采样点密度偏离理想高斯分布的大小作为评价依据。在具体的优化技术上,利用遗传算法的全局收敛特性,降低了传统算法对初始结构的依赖,采用该评价函数对6孔径望远镜阵列进行优化设计,并与国际主流天文光干涉阵列CHARA进行了性能对比。分析结果表明:优化所得Array-6阵列UV采样点密度分布具有径向连续覆盖和低频强调的特点,有利于对轮廓信息的恢复;双星模拟成像实验中Array-6阵列重构图像相对于原始图像的误差为21.34,相比CHARA阵列降低了18.16%,具有更高的成像质量。该优化算法具备优化大孔径数目阵列的能力,对于射电波段望远镜阵列的优化设计亦有一定的参考意义。