[發明專利]一種時頻結合快速全聚焦超聲成像方法

有效

• 申請號: 202010958600.4
• 申請日: 2020-09-14
• 公開（公告）號: CN112067698B
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 陳堯;冒秋琴;盧超;楊振軒;章卓才
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: G01N29/06
• 分類號: G01N29/06;G01N29/44
• 代理公司: 南昌市平凡知識產權代理事務所 36122
• 代理人: 張文杰

本發明公開了一種時頻結合快速全聚焦超聲成像方法，首先，將采集到的三維全矩陣數據拆分為N個二維矩陣切片。其次，借助二維正/逆傅里葉變換，逐級實現某一切片上每個深度層上的接收波場外推。然后，通過計算每個像素點到發射陣元的延時矩陣，對外推后的時域信號進行插值，實現該切片上的聚焦。最后，對N個二維切片重復上述相移加插值操作并累加，獲得時頻結合的全聚焦圖像。本發明的有益效果：與傳統時域全聚焦相比，該方法復雜度低、成像速度快，有望解決全聚焦難以實時成像問題，可有效實現材料內部缺陷的高精度定量、定位、定性，具有良好的推廣及應用前景。

技術領域

本發明涉及超聲無損檢測領域，特別涉及一種時頻結合快速全聚焦超聲成像方法。

背景技術

全聚焦(total?focusing?method，TFM)是近年來興起的一種相控陣超聲后處理成像技術。與傳統相控陣成像技術相比，該技術是一種依賴于全矩陣數據采集(full?matrixcapture，FMC)的離線成像技術，克服了傳統技術中發射聲束數量受限的缺點，并通過離線處理實現整個被檢區域的聚焦。研究表明，與傳統相控陣所提供的B型、C型、D型、S型視圖相比，TFM圖像具有更高的檢測信噪比和分辨率，其缺陷檢測能力和定量精度更高。正因如此，相關學者將全聚焦稱之為相控陣超聲檢測中的“黃金標準”成像技術。

全矩陣數據采集以一發全收的模式多方位的采集檢測信號，形成了由發射陣元，接收陣元和時間采樣點所組成的三維矩陣。以128個陣元為例，探頭按照1、2、…、128號的順序逐次對單個陣元進行激發。每次激發后，聲波經過檢測目標并被1～128號全部陣元接收。這樣，經128次激發后，共計形成A×128×128個超聲脈沖反射信號以三維矩陣形式保存，其中A為由上千個點組成的采樣點數。與一般超聲成像所用數據相比，用于全聚焦成像的全矩陣數據所攜帶的檢測信號量十分龐大。

時域全聚焦成像時需要重復、繁重的迭代運算，難以在短時間內處理龐大的數據量，導致成像時間十分漫長。因此，當下主流高端相控陣超聲檢測設備中，全聚焦通常被用作離線圖像處理技術，無法滿足實時成像的需求。基于此，如何提高全聚焦技術的效率是當下業界亟待解決的問題之一。

對此，相關研究者從算法和硬件兩方面入手，試圖有效提高全聚焦成像的運算效率。硬件方面，研究者們提出了基于多核心CPU和GPU并行運算方法，即利用多核心硬件進行多路并行迭代運算縮短運算時間。雖然多核心硬件加速方法能夠顯著提升運算效率，但現階段這些高性能硬件僅配置在工作站電腦上，短時期內難以普及到便攜式超聲相控陣探傷儀中。算法方面，研究者們根據全矩陣數據具有對稱性的特點，將其簡化為半矩陣或三角陣等稀疏矩陣，用以減少數據量進而縮短運算時間。然而，這種減少數據量的方法依舊未能避免逐像素點的迭代運算，僅能將運算時間縮短幾分之一，運算效率提升不夠明顯。

綜上，成像速度慢是現階段時域全聚焦技術發展中亟待解決的問題，更有效的快速超聲全聚焦成像方法期待被提出。

發明內容

本發明的目的在于提供一種時頻結合快速全聚焦超聲成像方法，利用相移加插值的時頻結合方法代替全時域繁重的延時疊加運算，顯著縮短全聚焦圖像的計算時間，為材料內部缺陷的高精度定量、定位、定性提供快速、有效的方法。

本發明的目的是這樣實現的，一種時頻結合快速全聚焦超聲成像方法，包括如下步驟：