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超声波成像原理及图像特点概述 - 超声波断层成像

来源: | 作者:ymssn | 发布时间:2021-08-01 | 198 次浏览 | 分享到:

1. 超声层析(断层)成像方法的描述

超声波断层扫描仪中实现的控制技术基于天线阵列的数字聚焦原理。相控阵和合成孔径聚焦技术(SAFT),数字聚焦原理:后附说明

2. 要构建每个断层图,执行以下操作:

超声波断层扫描仪

首先,发生器的探测脉冲进入第一个通道,将超声波横波发射到测试对象中。由于天线阵列中使用的换能器具有较小的接触点(每个接触点约为2平方毫米),因此该波会在±90度的宽角度范围内传播,如图2所示。

图2  不同类型的波的方向   图 a)激励纵波-蓝线        b和 c) 激励横波(红线)

      同时(天线阵列AR)第二个通道(1-2)被打开以进行接收,并记录所有来自测试对象的超声振动信号,持续的时间足以使超声波行进到最大可反射信号的反射体并返回。从第一对传感器(1-1)以这种方式获得的A扫描存储在处理器的RAM中。

      然后,第一个通道(1-1)再次产生相同的振动信号,并将超声波发送到测试对象,该对象的所有反射信号现在由第三通道(1-3)以A扫描的形式记录下来,并也存储在设备存储器中。来自对1-4、1-5... 1-12的信号以相同的方式接收和存储。

      然后,第二个通道(2-1)开始工作以进行发射,而其余的通道依次进行接收。在这种情况下,由于互易原理1-2和2-1是相同的,因此该信号不再被第一通道接收。

      在第二个通道之后,第三个(3-1)变为发射器,依此类推,而序列号小于当前发射器号的通道不再参与信号接收。

列如:

1-2……..….1-12       11个A扫描

2-3………...2-12       10个A扫描

3-4…….…..3-12       9个A扫描

4-5……..….4-12       8个A扫描

5-6……..….5-12       7个A扫描

6-7…….…..6-12       6个A扫描

7-8…….…..7-12       5个A扫描

8-9………...8-12       4个A扫描  

9-10……….9-12      3个A扫描

10-11……..10-12    2个A扫描

11-12……..11-12    1个A扫描

共计:66个A扫描

因此,为了独立发射和接收超声波信号,所有n = 12 AR元件(12个天线阵列)依次被激活。考虑到层析成像仪中未使用组合模式的事实,可通过以下公式计算实现的总数N:

收集所有A扫描后,处理器会在设备屏幕上建立X轴断层图。在这种情况下,X轴断层扫描(或B扫描)是指二维彩色图像,该图像表示有关位于垂直于扫描表面并通过扫描仪中间的平面中位于天线阵列下方的测试对象区域的反射率的信息。天线阵列如图4所示。在图4上还显示了B,C和D扫描的相对位置,可以使用断层扫描仪和专用软件获得该相对位置。

超声波断层扫描仪

图3  坐标系中的天线阵列a)B扫描,b)B,C和D扫描。

3. 断层图的构造

断层图的每个点都承载有关被测对象的某个体积元素的反射率的信息。根据获得的A扫描在断层图上构造每个点的过程包括(图5)中所示的阶段,并描述如下:

断层图的构建

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1) 确定延迟时间,对应于66个A扫描中的每一次

Estimation of the delay time corresponding to a point in each of 66 A_scans

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2) 在每次A扫描中选择具有一定延迟和持续时间的区域

Selection of zones with certain delay and duration in each A_scan

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3) 所有选定区域的相干求和

Coherent summation of all the selected zones

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4) 一种颜色分配到一个点上

Allocation of a color to a point

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5) 构造断层扫描图

Construction of a tomogram

 

图4  断层扫描的顺序构造流程图。

 

1)    确定与66个A扫描中的每个点相对应的延迟时间。

将位于物体表面上天线阵列几何中心位置的点作为坐标原点。零右侧的点将具有正的水平坐标,而零左侧的点将具有负的水平坐标。深度坐标(只有正值)将沿着垂直于对象(如A)深处的轴进行计数。然后在来自一对元素i和j(i是发送,j是接收)的A扫描中,来自点A的反射将有一个延迟:


其中C是超声波横波在测试对象材料中的传播速度。

合成孔径聚焦技术

合成孔径聚焦技术(SAFT)

图6  反射脉冲的延迟时间

合成孔径聚焦技术

图7  求和信号UA的包络线的构造

2)在每个A扫描图像中选择延迟tAij和持续时间tu等于探测脉冲的区域。

让我们将对i,j的A扫描表示为函数uij,t∈[0,t max ],其中t max是从最远的可测对象的回波信号的到达时间。在这种情况下,t max为2 ms。这个函数的区域是我们要考虑的位于t =tAij至t = tAij+tu。

3)所有选定区域的同相求和(相干求和、相干叠加)

检测产生的信号并用于构造包络线,从而确定其最大值。所得值正好表征了A点的反射率(图7)。

4)分配每个接收到的信号包络峰VA的颜色值。

在此阶段将每个最大值的颜色与公认的标度的颜色相对应:该值越高,颜色越接近红色,而值越低,颜色越接近黑色。

5)构造断层扫描图

断层扫描仪在其屏幕上显示一幅彩色图像,该图像依次为可视对象的每个点执行1-4阶段的操作。这种图像构造原理在以前和现在的断层成像变体中都被使用。

4. 对相控阵和合成孔径聚焦技术(SAFT)做了一些研究。

个人见解:

1)从发射/接收来讲,相控阵通过延时控制多个阵元做偏转聚焦发射脉冲信号(延时通过阵元到聚焦点的几何关系算出来),所有的发射完毕再接收;SAFT是1号子孔径发射完立刻接收,接着2号发射/接收,到最后一个子孔径结束。前者会有波场干涉,后者可忽略不计。前者近场区域效果不佳,后者适用。

2)从数据处理上讲,相控阵通过传统的延时叠加来处理数据,SAFT也一样。区别是前者已确定一系列焦点位置,后者是在处理时通过延时在任意位置聚焦。所以个人来看,两者都能实现逐点聚焦,但后者要方便很多。

3)从分辨率上讲,若使用换能器、信号和检测试样一致,那么纵向分辨率一致,横向分辨率我估计也差不度。

4)对别人所说的将SA数据处理方法应用到相控阵中,怎么理解呢?个人认为两者的数据处理方法一致呀,都是传统的延时叠加。再研究,发现SAFT常用三种数据处理方法波包原子分解算法、匹配滤波法、角度相关卷积算法都是为了提高分辨率、对比度、信噪比。这三种均可用于相控阵。至于说相控阵远场干涉减弱,可用动态深度聚焦算法,也就是接收信号时调整接收延时,达到不同深度聚焦。这个思想也许就是将SAFT算法运用到相控阵中的佐证吧