采用分级聚焦波束形成的快速声成像算法

为了减小常规波束形成所需的庞大计算量以实现快速成像,本文提出了一种新的波束形成算法——分级聚焦波束形成。将基阵划分成各级子阵分级进行处理,对较短的子阵进行远场近似处理,逐级合并子阵进行子阵间的近场聚焦波束形成,并逐级进行波束插值。MAT- LAB仿真计算结果表明,分级聚焦法与常规波束形成相比,计算量和数据存储量大幅下降。该方法尤其适用于多焦点近场聚焦的场合。     

基于数字式MEMS传感器的声阵列成像系统设计*

常规驻极体传声器阵列成像系统存在数据采集系统复杂、体积大的问题,因而阵列传感器数量一般不超过60个,成像质量较差。为此,本文以数字式MEMS声传感器基础设计了260个传感器的声阵列,数据采集系统由FPGA控制,并嵌入到前端阵列中,后端是在另一个FPGA控制下的1个DSP芯片和2个PC104模块组成的集成系统,其中高速DSP芯片完成阵列信号处理以实现声成像功能。该系统能够实现对普通车间环境下机械设备噪声、气体泄漏噪声的现场成像测试,形成动态声像图。测试表明,该系统抗干扰能力强、声像分辨率高、成像速度快,实用效果良好。     

高分辨率扇形阵列超声激发振动声成像研究

对扇阵换能器的振动声成像进行了研究.在相关振动声成像和扇阵换能器的理论基础上,经过推导修正并得到了精确的速度势函数.进一步计算并仿真了系统点扩散函数（point spread function, PSF）,构造了组织模型,进行了成像仿真.最后分析了影响扇阵换能器系统分辨率的因素.研究结果表明：用扇阵换能器进行振动声成像可以获得很高的图像分辨率及对比度,在高强度聚焦超声（HIFU）治疗的热损伤检测等方面有重要的应用价值.分析指出通过提高换能器工作频率,减小几何焦距,增大口径可以提高系统的分辨率. 关键词： 振动声成像 扇形阵 点扩散函数     

基于镂空阵列探头的反射式光声/热声双模态组织成像

光声和热声成像技术除激发源不同外,可共用一套数据采集和处理系统,具有天然的融合优势.本文提出了一种基于镂空阵列的反射式光声/热声双模态成像技术,该技术利用光纤与天线,通过镂空阵列的开孔进行光声/热声信号激发,使得激发光、微波和接收超声信号共轴,构成明场光声/热声双模态成像模式.通过对探头镂空部分晶元相位和幅值的补偿校准...     

双面声阵列波束形成的正则化改进算法

双面声阵列波束形成能够区分识别位于不同扫描平面的相干声源,然而该算法在低信噪比条件下识别精度较低。针对此问题提出一种迭代正则化改进算法,通过迭代方法更新正则化矩阵与波束形成输出,在不断提升正则化稳定性、抑制干扰旁瓣的基础上使声学云图主瓣向实际相干声源点处聚焦。数值仿真与实验算例结果显示,改进算法在中高频代表频率下能够正确区分相干声源前后方位,并具有相对原算法更高的识别精度。从而表明:从反问题正则化角度对原算法进行优化改进是理论可行的;正则化矩阵的具体形式与广义逆波束形成输出的空间分辨率紧密相关,且可通过迭代方法将二者整合以提高声源识别精度。     

滑动焦点光声显微成像方法

在高分辨光声显微成像系统中,只有在有限焦深范围内的吸收体可以获得高分辨率高信噪比的成像,而实际的生物组织往往具有不规则的轮廓,导致成像结果分辨率和信噪比不均匀。提出了一种基于稀疏扫描轮廓的滑动焦点光声显微成像方法,首先在固定的焦点上稀疏扫描轮廓,人工选择轮廓点获取轮廓的稀疏矩阵,然后通过双调和(Biharmonic)插值获取完整的轮廓矩阵,并将轮廓矩阵转化为焦点位置移动矩阵,最后进行二次扫描,根据焦点位置移动矩阵在每次扫描之前调整焦点位置,使得在整个扫描过程中,样品始终处于焦深的范围,从而获得分辨率和信噪比均匀的光声显微图像。通过模型实验和在体皮下血管成像、颅下血管成像,证明了该方法可以有效地提高光声成像的质量。     

二维解卷积波束形成水下高分辨三维声成像

针对水下三维成像的空间分辨率难以提高,且具有较高旁瓣级的问题,提出了一种二维解卷积波束形成高分辨三维声成像算法,该算法首先完成任意距离切片的平面阵波束形成,近场情况下采用菲涅尔近似实现近场平面阵波束形成,然后通过二维解卷积技术对任意距离切片的二维波束形成结果进行解卷积处理,去除阵列指向性函数的影响,改善波束响应非理想冲击函数所造成波束形成主瓣宽及旁瓣级高的问题。通过计算机仿真分析,新算法可以有效的提高水下三维成像的空间分辨率,抑制旁瓣级,并能够在较宽频带和不同阵列孔径内保持与常规波束形成相当的稳定性。通过试验研究,新方法比常规波束形成实际目标成像分辨率提高一倍,最高旁瓣级下降20 dB,验证了该算法在实际系统中的有效性.     

近场子空间聚焦的碰摩故障声发射定位方法

针对宽带多源声发射信号的相干、多模态和能量衰减快问题,提出一种近场多重相干信号子空间聚焦的定位算法用于碰摩故障声发射源的定位检测。首先,为滤除干扰模态波、减小频散效应,采用基于模态声发射传播特性分析的小波分解滤波方法,从碰摩初期的声发射信号中获取零阶模态波及波速用于定位计算;其次,为实现信号解相干,提出基于双边相关变换(TCT)的近场聚焦矩阵估计方法;最后,针对声发射信号的能量衰减快问题,利用近场基于特征分解的多重信号分类(N-MUSIC)的空间谱估计方法来实现声源的精确定位。理论分析和实验结果表明:该方法定位精度高、计算复杂度低、稳定性强,能有效识别多个相干碰摩声源。相比传统相干子空间算法(CSM),该方法减少了信号初值和聚焦频点的计算量,对双声源的分辨概率较现有修正近场多重信号分类算法提高了17%,是一种有效的碰摩故障源检测方法。     

基于不同频率成份衰减矫正的光声成像方法

根据超声衰减理论,研究了光声信号不同频率成份随距离的衰减差异,及其对光声图像重建的影响;提出了对光声信号不同频率成份进行衰减矫正的成像方法,此方法增强了光声信号的高频成份,突出了吸收体的边界变化和细微的结构特征,提高了成像系统分辨率,实验结果显示系统分辨率由0.3 mm提高到0.2 mm.实验所用的光源为YAG激光器,波长为1064 nm,重复频率为20 Hz,脉宽为6 ns,探测器为针状的PVDF膜水听器,接收面积的直径为1 mm.     

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。     

提高成像分辨率的远场多孔声全息方法

针对远场声全息成像分辨率较差的问题,提出多孔声全息方法。利用多个小型传声器阵列进行优化布置,可以有效地提高分辨率,达到等效大阵列的声场可视化效果。首先推导了空间多孔加窗对远场Kirchhoff衍射积分声全息带来的干涉叠加效应;然后对主瓣宽度和旁瓣高度进行了定量计算,阐述了多孔优化布置方法,实现了旁瓣抑制条件下的分辨率最优;最后利用双音箱实验,验证了多孔声全息的可行性和理论分辨率,证明了多孔声全息方法的有效性。研究表明,多孔声全息的干涉叠加方法可以有效提高远场测量的重建分辨率,多孔声全息的优化设计方法可以实现旁瓣抑制条件下的分辨率最优。     

Automatic 3D scanning surface generation for microphone array acoustic imaging

This work presents a new technique for automatically generating the 3D scanning surface for acoustic imaging using microphone arrays. Acoustic images, or maps, of sound coming from spatially distributed sources, may be generated from microphone array data using algorithms such as beamforming. Traditional 2D acoustic maps can contain errors in the near-field if the object being imaged has a 3D shape. It has been shown that using the 3D surface geometry of an object as a scanning surface for beamforming can provide more accurate results. The methods used previously to generate this 3D scanning surface have either required existing CAD (Computer-Aided Design) models of the object being acoustically imaged or have required separate equipment which is generally bulky and expensive. The new method uses one or more cameras in the array, a data projector, and structured light code to automatically generate the 3D scanning surface. This has the advantage that it is inexpensive, can be incorporated as an add-onto existing microphone arrays, has short scan time, and is capable of being extended to imaging dynamic scenes. This technique is tested using beamforming and CLEAN-SC (CLEAN based on spatial Source Coherence) algorithms for a spherical array and an Underbrink multi-arm spiral array. For sound sources located about 1.2 m from the array, the mean position errors obtained are 6 mm. This is a quarter of the diameter of the mini-speakers being used as a sound sources.     

传声器阵列特征值滤波去噪方法

作为二阶统计量的互谱矩阵(CSM)是声学成像算法的核心输入量。为增强传声器阵列的去噪表现,研究了互谱矩阵特征值滤波的机理,并提出了两种新型的特征值滤波方法的设计准则:(1)声源互谱矩阵的Stein无偏风险估计(SURE收缩),即基于SURE准则的特征值软阈值收缩;(2)进一步提高声源互谱矩阵EYM (Eckart-Young-Mirsky)估计误差的最优收缩(Opt-Shrinkage)方法,即对声源特征值所含有的噪声进一步去除。然后,在3000个快照数,0 dB信噪比(SNR),100个传声器的环境下进行仿真。通过仿真,与经典的MUSIC方法比较原声源信号与去噪后信号的互谱矩阵对角线误差,其中MUSIC方法的互谱矩阵对角线误差为74.15%,SURE收缩为41.97%,最优收缩为20.62%。并通过改变快照数、声源数与SNR,对比了不同特征值滤波去噪方法的效果。从仿真结果上看,在少声源(少于40个)工况下SURE收缩方法的去噪效果优于MUSIC方法与最优收缩方法;在声源数超过42个后,最优收缩方法取得更显著的效果。最后,在3个声源、60个传声器数、-5 dB信噪比的声源定位实验中,SURE收缩与最优收缩均获得了相比MUSIC方法更好的去噪效果。研究表明在现有传声器阵列特征值滤波方法的基础上,对特征值的进一步处理可以得到更好的去噪效果。     

自由空间中球形粒子的负向声辐射力

针对一定声场作用下自由空间中的球形粒子,首先分析了声散射过程中的吸收声功率、散射声功率和损失声功率以及三者之间的关系,并通过计算发现了由于参数选取不当导致的负吸收现象。接着从动量守恒定律出发推导了声辐射力的一般表达式,阐释了声辐射力与声能流之间的关系,并从理论和计算两方面验证了负向声辐射力的存在。当负向声辐射力产生时,声波的背向散射被抑制。在此基础上,进一步研究了粒子的偏心特性和流体的黏度这两种常见因素对负向声辐射力的影响。利用球函数的加法公式推导了偏心球的散射系数和声辐射力公式,结果显示偏心距离、粒子的材料等都会显著改变负向声辐射力的产生条件。在低频近似下,由于流体黏度附加的正向声辐射力是否能完全抵消原来的负向声辐射力将决定最终的声辐射力方向。该结果对利用负向声辐射力制成单行波声学镊子来实现对特定粒子的操控有着理论指导意义。     

单层传声器阵列重建相干声场的近场声全息方法研究

针对传声器阵列两侧存在相干声源的非自由声场重建问题,提出基于球面谐波函数扩展近场声全息理论的相干声场重建方法。该方法在已知测量面两侧声源几何位置时,使用单层传声器阵列获取测量面处的声压分布,通过最小二乘法获得与目标声源和干扰噪声源响应对应的最优球波函数扩展项数和最优系数向量,结合测点位置的空间坐标进行声波分解,并分别重建出各声源在测量面上的声压分布。为了验证方法的有效性,分别给出了相干噪声源为球形声源和非球形声源的仿真验证,并在全消声室内对双扬声器产生的相干声场的重建进行了实验验证。结果表明:该方法对球形声源和非球形声源干扰下的声场重建都具有较好的效果,球形声源干扰下的重建精度更高。     

浅海环境中应答器法测量水下平台声目标强度的理论分析

应答器法是在浅海环境中测量水下运动平台声目标强度的常用方法。根据简正波理论分析浅海点源声场的空间特性,指出不同号简正波之间的相互干涉是导致声场空间起伏的主要原因。对基于应答器法的水平平均测量法(HAM法)进行了理论分析,并提出一种新的浅海环境中水下运动平台目标强度的测量方法,即垂直平均测量法(VAM法)。对比了HAM法和VAM法的有效性、物理意义、试验效率和技术难度,分析表明二者物理意义相同,VAM法比HAM法具有更高的有效性和试验效率,不过其技术难度更大。     

水声测量用声脉冲瞬态抑制方法的研究

脉冲声技术是一种很常用的水声测量技术，但由于脉冲声存在着瞬态过程，严重影响了它在低频下的使用，本文中研究的水声测量用声脉冲瞬态抑制方法，通过瞬态抑制等效消除换能器的瞬态过程，从而为在有限尺寸水域内扩展水声测量低频限创造了条件。     

Measurement of sound absorption by underwater acoustic material using pulse-separation method

An alternative pulse-separation method is presented for measuring the sound absorption at normal incidence of an underwater acoustic material in a water-filled impedance tube. A damped sine pulse was generated in the water-filled impedance tube with a regular waveform and a short duration time of approximately 1 ms. During the generation of the pulse, the inverse filter principle was used to compensate for the transducer response. In addition, the effects of the characteristics of the tube termination can be eliminated during the generation of the pulse to obtain a single plane pulse wave in the impedance tube, which is a necessary condition for this technique. Measurements of the sound absorption coefficient of the rubber material and the reflection coefficient from a water/air interface were used to verify the pulse-separation method.     

A three-dimensional coupled-mode model for the acoustic field in a two-dimensional waveguide with perfectly reflecting boundaries

This paper presents a three-dimensional(3D) coupled-mode model using the direct-global-matrix technique as well as Fourier synthesis. This model is a full wave, two-way three-dimensional model, and is therefore capable of providing accurate acoustic field solutions. Because the problem of sound propagation excited by a point source in an ideal wedge with perfectly reflecting boundaries is one of a few three-dimensional problems with analytical solutions, the ideal wedge problem is chosen in this work to validate the presented three-dimensional model. Numerical results show that the field results by analytical solutions and those by the presented model are in excellent agreement, indicating that the presented model can serve as a benchmark model for three-dimensional sound propagation problems involving a planar two-dimensional geometry as well as a point source.