1、摘 要摘 要合成孔径超声聚焦成像作为一种超声处理方法，可以将小孔径合成为大孔径进行成像，可以通过较低的工作频率和较小的换能器孔径得到较高的分辨率。在发射信号时，每个发射单元都可以作为点阵元发射，向目标发射声束。在接受信号时，每个接收单元依次将来自物体各点的信号接收同时存储，然后对各点阵元接收到的信号进行延迟计算，就得到物体的聚焦成像。与直接成像技术相比较, 合成孔径成像技术的特点是可以用小孔径的换能器以及低的工作频率来获得比较高的方位分辨率，而且图像的分辨率不随位置和深度发生变化。在相同条件下，使用合成孔径超声聚焦的方法可以使图像的分辨率更高，成像质量更好。本文介绍了合成孔径成像的原理以及合成
2、孔径成像的几种工作方式，并使用MATLAB 软件进行波束仿真，分析合成孔径聚焦成像在不同方式下的成像效果，通过比较得知各个因素对合成孔径超声聚焦的影响。关键词：合成孔径 聚焦成像 超声成像 图像分辨率Error! No text of specified style in document.ABSTRACTSynthetic aperture focusing ultrasound imaging as an ultrasonic processing method that can be a small synthetic aperture imaging is a large apertu
3、re , high resolution can be obtained with lower operating frequencies and smaller transducer aperture . When transmitting signals, each transmitting unit can transmit a point element , the emission beam to the target , when receiving the signal , a receiving unit, each of the object points of the si
4、gnal from the receiver while storing , for each matrix element is then received to calculate the signal delay , the focused image of the object obtained . Compared with direct imaging techniques , synthetic aperture imaging characteristics can be used for small diameter transducer and a low operatin
5、g frequency to obtain high azimuth resolution , and the image resolution is not changed depending on the position and depth . Under the same conditions, the ultrasonic synthetic aperture focusing method can make a higher image resolution and better image quality. This paper introduces the principle
6、of synthetic aperture imaging as well as several works of synthetic aperture imaging and beam simulation using MATLAB software to analyze the effect of synthetic aperture imaging confocal imaging in different ways , by comparing the various factors that synthetic aperture focused ultrasound impact.K
7、ey words: Synthetic aperture Focus Imaging Ultrasound Imaging Image ResolutionError! No text of specified style in document. i目 录第一章 绪论 .11.1 引言 11.2 传统超声成像方法概述 11.3 超声无损检测技术 31.4 合成孔径聚焦超声成像发展现状 51.5 本文研究的意义及主要内容 7第二章 合成孔径超声聚焦成像原理 .92.1 合成孔径成像原理 92.2 聚焦延时偏转计算 102.3 延时叠加波束形成 112.4 波束的控制方法 13第三章 合成孔径成
8、像 .173.1 合成孔径聚焦 173.2 多阵元合成孔径超声聚焦 183.3 合成接收孔径成像 203.4 合成聚焦成像 213.5 合成发射孔径 22第四章 合成孔径聚焦成像中各个参数的影响 .254.1 换能器阵元数对成像的影响 254.2 阵元间距对合成孔径成像的影响 264.3 子阵元孔径数对合成孔径成像的影响 27第五章 实验设计仿真 .295.1 阵元数对成像的影响 295.2 窗函数对成像的影响 305.3 阵元间距对成像的影响 31ii 目 录Error! No text of specified style in document.5.4 子孔径阵元数对成像的影响 335.
9、5 水平孔径对合成孔径成像的影响 345.6 小结 35第六章 总结 .37致谢 .39参考文献 .41ERROR! NO TEXT OF SPECIFIED STYLE IN DOCUMENT. 1第一章 绪论1.1 引言合成孔径超声聚焦成像是上世纪 70 年代发展起来的成像方法。它是由合成孔径雷达技术发展过来的。这是一种利用超声波来获得图像的一种成像方法。利用超声成像的方法时，由于声波可以穿透物体，就可以利用超声波来获得物体的内部结构等信息，从而就可以得到不透光物体内部声学特性的成像 1。在传统的超声成像系统中，方位分辨率为 ，其中 是换能器的半功率0.5* 0.5=0.84/波束角，R
10、是目标到换能器的斜距，D 是换能器长度， 是工作波长。由此可以知道，要提高方位分辨率，只能使用大孔径换能器或者提高工作频率。但是使用大孔径换能器，会使成本提高和硬件要求更高；使用高工作频率，声波在传播过程中会有很大的损耗，造成穿透深度越来越小，从而不能探测到理想范围。合成孔径聚焦成像分为两个步骤，即数据采集、存储和处理数据的图像重建。与传统成像算法相比，合成孔径聚焦成像有两个特点，一是可以使用小孔径的换能器和较低的工作频率得到较高的图像分辨率；二是可以在近场区工作，提高成像的分辨率和信噪比。合成孔径超声成像在现代有着广泛的应用，如探地雷达，地震预报，医疗诊断等领域。1.2 传统超声成像方法概述
11、超声成像技术被一直广泛的应用于医学中，在医学领域中有着重要地位，还具有广阔的发展前景。在医学中，超声诊断在临床上已经取代了很多传统的诊断方法，主要是由于仪器不断更新换代，同时还有方法简便，诊断准确率越来越高等优点。超声诊断技术是应用超声具有良好的指向性和反射，散射，衰减等物理特性，利用不同的物理参数，使用不同类型的超声诊断仪器，使用不同的扫描方法，超声波发射到体内，当正常组织和病变组织的声阻抗不同，那么反射和散射的超声回波信号的接收，再将超声反射和散射的回声信号接收，再加以检波等处理后，就显示为波形、曲线或图像。超声诊断的种类较多，如 A 型即超声示波诊断法，B 型即二位超声显像诊断法， M
12、型即超声光点扫描法等。2 合成孔径聚焦超声成像 A 型超声诊断法 2也称为超声示波诊断法。这种方法为幅度调制型，是将回声以波的形式显示出来。在此种方法中，回声强波的幅度就会很高，回声弱波的幅度就会很低。在同一示波器显示屏上，可以显示单项或双相波形。在示波器显示屏上，横坐标表示回声的时间（距离） ，纵坐标表示回声信号的强弱 。A 型超声诊断仪通常是用来测量组织界面距离，器官大小以及鉴别病变的物理性质。这种方法的结果比较准确，是最早兴起和使用的超声诊断法。目前此方法已大多被其他方法取代了。 B 型超声诊断法 3也称为二维超声显像诊断法。这种方法为辉度调制型，是将回声信号以光点的形式显示出来。在此种
13、方法中，回声强光点就很亮，回声弱光点就会暗。光点是随探头的移动或晶片的交替轮换而移动扫描。这种方法是二维空间显示的，又称二维法，主要是由于扫描是连续的，可以由点、线而扫描出脏器的解剖切面。按成像的速度，又可分为慢速成像法和快速成像法。慢速成像只能显示器官的静态解剖图像，具有图像清晰、逼真，扫描与检查的空间范围较大等优点。快速成像技术能显示器官的活性，同时可以进行实时成像诊断，但显示的区域比较小。B 型超声诊断法可以实现实时动态成像显示，显示的影像具有真实、直观等优点，具有很高的诊断价值，受到医学界的高度重视，目前医学界已经普遍接受了这种成像方法。虽然 B 型超声波成像诊断仪临床应用的历史不长，
14、但是发展却非常迅速，在各级医院应用极为广泛。 M 型超声诊断法也称为超声光点扫描诊断法。它的显示原理类似于 B 型显示，都是以不同的灰阶来反映回声的强弱，都是采用辉度调制。这种方法是B 型超声中的一种特殊的显示方式，即是在辉度调制型中加入慢扫描锯齿波，让回声光点从左向右进行移动自动扫描。横坐标为光点慢扫描时间，纵坐标为扫描时间线，即超声的传播时间（回声代表被测结构所处的深度位置） 。当探头固定在一点扫描时，可以从光点的移动来观察反射体的深度及其活动状况，显示出时间位置曲线图。常以此方法探测心脏，故常称为 M 型超声心动图，目前一般作为二维彩色多普勒超声心电图仪的一种显示模式设置于仪器上。 D
15、型超声诊断仪也称为超声多普勒诊断仪。这种方法是应用多普勒效应原理，即当超声发射体（探头）和反射体之间有相对运动时，回声的频率就会发ERROR! NO TEXT OF SPECIFIED STYLE IN DOCUMENT. 3生改变。频率的变化为距离变近则频率增加，距离变远则频率减少。其增减的数字（差频）可用检波器检出，用不同类型的仪器可显示出多普勒信号音和多普勒曲线图，用脉冲多普勒可获得多普勒超声频谱图。这种方法可观察血流的方向和速度。D 型诊断法还有很多应用种类，如多普勒超声听诊法，多普勒超声频谱诊断法与彩色多普勒超声，彩色多普勒血流成像法和彩色多普勒能量图法等。多普勒超声听诊法可以早期听
16、取胎心、胎动。多普勒超声频谱诊断法与彩色多普勒超声一般是在二维声像图上，选取固定的取样线，取样点，然后提取多普勒信号，从而显示出多普勒频谱图，用脉冲多普勒可以探测心脏、血管内血液的流向、流速以及流量，并可同时听取多普勒信号音。彩色多普勒血流成像法是将彩色多普勒与二维超声叠加的成像方法，可以全程进行实时二维彩色多普勒血流显像。彩色多普勒能量图法也为称能量图法，是采取多普勒信号的强度与范围、能量也即信号振幅的大小来进行成像的方法。1.3 超声无损检测技术超声无损检测技术 4是目前国内外应用最广泛、使用频率最高而且是发展较快的一种无损检测技术。超声检测技术正向着高准确度，高可靠性方向发展。目前超声波
17、检测 5已经成为五大常规无损检测技术 6之一，五大常规无损检测技术分别为 RT=射线探伤； PT=渗透探伤；MT=磁粉探伤；ET=涡流探伤；UT=超声波探伤 7。超声检测其实质是以波动形式在弹性介质中的传播的机械振动就是超声波在介质中传播。超声检测超声波与被检测工件相互碰撞，由于超声波具有反射、透射和散射等特性，从而对被检测的工件进行缺陷检测、对被检测的工件的几何特性进行测量、对被检测工件的组织结构和力学性能变化进行检测和表征，进而对其进行评价的一种无损检测技术。由于超声技术穿透力强，对身体无害，还有很多优点如检测深度大，范围广，成本低等，被广泛的应用于工业和高技术产业中。检测出工件中的缺陷，
18、并确定缺陷的位置，大小和性质是无损检测技术的基本目的。在成像方法上，除了有传统的 A、B 、M 、D 扫描成像方法外，还有相控阵超声成像、衍射波时差法超声成像和声发射检测技术等成像方法。 相控阵超声成像技术 8是采用一个换能器阵列来产生和接收超声波波束。通常情况下，在一维上排列若干单元换能器组成线阵，每个单元换能器都连接着4 合成孔径聚焦超声成像各自独立的发射和时间延时电路。然后再把这些独立电路分别连接到一个或多个通道开关上，应用多通道开关每次按照事先设计的序列和延迟，依靠电子开关切换并以此激励各单元换能器。所以各单元换能器发射的超声波都是具有可以控制的确定相位。把换能器单元在检测对象中产生的
19、超声波进行相干迭加，又因为其相位关系各不相同，会产生“相长干涉”和“相消干涉” 。这样就得到预先希望的波束入射角度和焦点位置。如果设计不同的激励序列和延迟时间，就可以得到具有不同入射角度和焦点位置的波束。相控阵超声成像就是通过控制换能器中各阵元激励脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射或接收声波到达物体内某点时的相位关系，实现线扫描或扇扫描。相控阵超声成像技术有如下优点，如相控阵超声成像技术可以应用电子扫描和聚焦，无需机械运动，检测速度快，只需要在一个位置放置探头就可以生成被检测物体的完整图像，而且还可以检测形状复杂的物体。 衍射时差法超声成像技术 9也叫裂纹端点衍射法或尖端反射法，是一种依靠从端点
20、处和缺陷的端角得到的衍射能量来检测缺陷的方法。衍射时差法主要是通过缺陷端部产生的衍射信号之间的时间差来对缺陷进行定位和定量。通过材料的声速以及衍射波的传播时间，我们就可以计算出缺陷的自身高度。衍射时差法还可以检测两个探头之间直接传播的表面波和没受到缺陷影响抵达试件内壁的反射信号，然后通过表面波发射作为参照，以表面波与衍射脉冲的时差来计算出缺陷的深度。衍射时差法超声成像具有很多优点，如检测速度快，定位准确，定位精度高和可以确定缺陷尺寸等优点，检测结果更加直观。该技术目前广泛的应用于焊缝检测，是因为衍射时差法对于判定缺陷的真实性和准确定量十分有效。目前该技术主要应用在西气东输管道及海底输油管道中。
21、 声发射检测技术 10中的声发射是一种物理现象，大多数金属材料塑性变形和断裂时都会有声发射现象发生，但是这种信号的强度很弱，只有采用特殊的具有很高灵敏度的仪器才能检测到。由于各种材料的声发射频率范围很宽，包括次声频，声频，超声频。声发射技术就是指利用仪器检测、分析声信号并利用声发射信息来推断声发射源的技术。 电磁超声检测技术 11虽然和传统的压电超声同属于超声范围，电磁超声的本质区别就在于换能器不同，也就是发射接收方式不同。压电超声换能器是依ERROR! NO TEXT OF SPECIFIED STYLE IN DOCUMENT. 5靠压电镜片的压电效应发射和接收超声波的，是在晶片上进行能量
22、转换的。电磁超声是考电磁效应发射和接收超声波的。是在被测工件表面的趋肤层内进行能量转换的，不需要任何耦合介质。在交变的磁场中铁磁金属内将会产生磁致伸缩现象，然后金属内部将会产生弹性波，此效应具有可逆性，人们把用该方法激发和接收的超声波称为电磁超声。1.4 合成孔径聚焦超声成像发展现状合成孔径聚焦超声成像最早是出现 1967 年 Mahnaflux 公司的 John J.Flaherty等人申请的专利“ 合成孔径超声成像系统 ”中，最早提出了把 “合成孔径”应用于超声成像中，以此来提高超声系统的分辨率 12。在此之后，合成孔径便广泛的应用到超声检测中。合成孔径成像对扫描数据的存储和后期的数据处理
23、对硬件有比较高的要求，但是由于当时的集成电路和计算机技术达不到要求的水平，所以合成孔径成像局限于实验室研究。1978 年美国斯坦福大学的 Edward L.Ginzton 实验室研制出了第一个数字化的合成孔径超声成像系统 13。 在该系统中，换能器的单个阵元依次发射，然后将回波存储在随机存储器中，当所有阵元都发射完成，计算机通过聚焦算法，生成一幅由多条逐点聚焦的扫描线组成的图像。1988 年，日本三菱公司 YOSHIHIKO OZAKI 等人提出了对合成孔径成像系统的改进方案 14。1992 年美国杜克大学的 Levin F.Nock 等人提出了合成接收孔径的概念 15。合成接收孔径的工作模式
24、是发射时是全孔径发射，接收时是子孔径接收。工作原理即第一次全孔径发射，子孔径开始接收，然后接收阵元把收到的回波信号经过延时叠加存储；第二次全孔径发射，下一个子孔径接收，将回波信号经过延时叠加后存储。然后把这两组存储器中的信号合成为一条扫描线。Levin F.Nock 等人通过实验和仿真，得到结论：合成接收孔径成像比同等条件下的相控阵和合成聚焦成像方法的分辨率更高，而且系统造价更低。1997 年挪威 Oslo 大学的 Sverre Holm 提出了一种可以提高系统帧频的合成发射孔径成像方法 16，主要是采用发射时是子孔径发射，接收时是全孔径接收。这种方法中子孔径的大小决定系统的复杂度。6 合成孔
25、径聚焦超声成像1995 年美国密歇根大学的 Mustafa K araman 等人提出了多阵元合成孔径的概念 17。多阵元合成孔径成像主要是用多个换能器阵元发射和接收的模式。合成孔径聚焦超声成像是对回波数据进行存储和处理，所以能更好的应用各种信号处理技术来提高成像质量。合成孔径聚焦在医学上有广阔的应用。1996 年 H.Ermert 等人研究分析了提高合成孔径用于血管内超声成像分辨率的方法 18。J.A.Jessen 等人利用合成孔径方法将超声回波以沿血流的方向进行聚焦，测出了血流的速度和方向 19合成孔径成像在无损检测领域的应用，由于通常是使用便携式仪器对管道进行检测，而合成孔径成像方法需要
26、很高的硬件条件，同时计算量也很大，这就使合成孔径成像在无损检测方面难度较大。随着时代的发展，芯片的体积越来越小，集成度越来越高，合成孔径成像在无损检测方面很有效。S.I.Nikolov 等人设计使用 FPGA 实现合成孔径聚焦波束合成器，该波束合成器采用 Xilinx 公司的V4FX100 实现，最高工作频率为 167.8MHz20。1992 年中国科学院声学研究所孙宝申，沈建中首先引入了合成孔径聚焦超声成像 21的概念，分析了合成孔径聚焦超声成像的基本原理，方法同时还对回波信号时域处理的接收技术以及频域处理的匹配滤波技术进行介绍。之后孙宝申等提出了合成孔径聚焦超声成像的时域算法 22。200
27、3 年毕永年等人首次将应用了合成孔径技术应用到了医学中 23 ，完成了用于 B 超的合成接收孔径系统前端的硬件设计，利用的是合成接收孔径方法。系统换能器为 24 通道，发射 2 次，接收 2 次，扫描深度为 25cm，AD 采用 8 位25MHz 时钟，延时聚焦精度为 10ns。合成接收孔径可以在降低系统成本和复杂度的同时还能提高 B 超的图像分辨率。2006 年钢铁等人在 TOFD 成像中用到了合成孔径聚焦技术 24，并且提出了一种新的超声 TOFD 法 B 扫描图像处理技术 L_SAFT(linearization_SAFT)。先对铝合金属板的焊缝进行 B 扫描，在根据换能器和缺陷端部的几
28、何关系，建立SAFT 图像的数学模型，实现 B 扫描的 SAFT 重建。这种方法提高了图像的分辨率，可以更加快速，准确的捕捉裂纹端部的位置。2008 年李秋锋对混凝土结构的超声成像进行研究，建立一个合成孔径实验系统 25，在这个系统中换能器的收发方式是单孔径收发，还有信号发生器，数据采集器，功率放大器，收发传感器等组成。在该文章中对混凝土结构进行的图像的ERROR! NO TEXT OF SPECIFIED STYLE IN DOCUMENT. 7进行对比，可以知道，利用合成孔径超声聚焦成像算法可以提高成像的分辨率。1.5 本文研究的意义及主要内容合成孔径聚焦超声成像作为一种超声成像方法，在同
29、等条件下，合成孔径聚焦成像可以得到更高的分辨率，为缺陷的定性分析提供可靠的依据。本文在查找了大量的相关资料的基础上，分析了合成孔径聚焦成像算法，详细的研究了合成孔径成像的各种工作方式，并且利用换能器声场的辐射理论原理对合成孔径聚焦超声成像进行建模，仿真 26。利用 MATLAB 的波束形成方法分析各种因素对合成孔径聚焦超声成像分辨率的影响。通过 Field II 软件对超声场进行模拟，仿真合成孔径聚焦成像效果。进一步验证各个因素对合成孔径聚焦成像的影响。8 合成孔径聚焦超声成像ERROR! NO TEXT OF SPECIFIED STYLE IN DOCUMENT. 9第二章 合成孔径超声聚
30、焦成像原理2.1 合成孔径成像原理 合成孔径成像 27， 28即是由传感器沿线性孔径轨迹移动，在轨迹上的孔径位置向成像区域发射脉冲信号，接收并储存检测信号，然后到下一孔径位置进行相同的发射信号、接收和储存信号，直达扫描完成；然后按照重建点对相应孔径检测的回波做相应延时处理、信号作叠加处理，实现逐点聚焦，最终得到整个成像。合成孔径成像的原理如图 2.1 所示。 表示阵元间距，D 表示阵元大小。图 2.1 合成孔径成像原理在图像重建时，由于重建点到换能器阵元的距离不同所以各个换能器阵元的回波信号都有不同的延时 ，所以相位发生了变化。对每个换能器阵元的回波信号的相位进行校正后，在进行叠加运算，这样的
31、过程称为数据的聚焦。所得的图像有缺陷的地方，回波信号同向相加，信号加强；无缺陷的地方，回波信号是随机相加的，回波信号较弱。对一个水平孔径为 D 的小孔径换能器，换能器的半功率点波束角为 0.88 乘以波长与水平孔径之比即 ，如果目标的阵元基元换能器的垂直距离为 ，=0.88 0那么换能器辐射声束的合成孔径长度为:=0.880* MERGEFORMAT (2-1)10 合成孔径聚焦超声成像由于合成孔径中，各个基元阵元是依次发射并接收的，即各等效基元的相位差是由发射的接收的距离一起引起的。与实际同样尺寸的直线阵列形成的相位差相比，合成孔径的相位差就大了一倍。合成孔径线阵的半功率波束角为=0.882
32、=0.44=20* MERGEFORMAT (2-2)合成孔径的方位分辨率即为：=0=2* MERGEFORMAT (2-3)由式（2-3 ）可以得知：合成孔径的方位分辨率只与换能器的孔径有关，与目标的位置和超声波的频率无关。与之相比，超声直接成像的方位分辨率：=0.84* MERGEFORMAT (2-4)R 是目标与换能器的距离，由上式可以得知，想要提高超声成像方位分辨率，有两种方法：一是使用较高的工作频率，二是使用大孔径换能器阵元。但是提高了工作频率，声波的损耗就越来越大，穿透率就会越差。孔径换能器的尺寸越大，成本就会越高，系统复杂度就会越高。同时方位分辨率还与目标和换能器的距离有关，距
33、离越远，成像的分辨率越差。合成孔径技术可以使用小孔径的换能器基元阵元和较低的工作频率，获得较高的分辨率，而且还能对远距离的目标进行高分辨率的观察。2.2 聚焦延时偏转计算ERROR! NO TEXT OF SPECIFIED STYLE IN DOCUMENT. 11图 2.2 为延时叠加波束收发的几何关系,在图中假设换能器阵元数为 N，阵元间距为 d，发射孔径距孔径中心的间距为 ，成像点与扫面线垂直的平面偏转角为 ，成像点到孔径中心距离为 r，到发射孔径为 。图 2.2 延时叠加波束收发方式N 阵元的合成孔径延时叠加的表示式为：（ ） =-1=0(-)* MERGEFORMAT (2-5)其
34、中 r/c 是信号从场点到阵元坐标原点的时间， 是对第 n 个阵元的时间。 为第 n 个阵元的位置 。=-* MERGEFORMAT (2-6)=(-12 )* MERGEFORMAT (2-7)由余弦定理 12 合成孔径聚焦超声成像=2+2-2* MERGEFORMAT (2-8)=- 2+2-2 =+* MERGEFORMAT (2-9)延时 可以分解为偏转延时和聚焦延时。偏转延时 表示波束聚焦方向 =/* MERGEFORMAT (2-10)聚焦延时 表示聚焦到 场 点=- 2+2-2* MERGEFORMAT (2-11)2.3 延时叠加波束形成延时叠加波束形成 29是超声成像中最传统
35、，最简单的成像方法之一。延时叠加是通过对发射和接收信号进行相应的延时处理，来达到成像的目的。延时叠加波束形成有两种模式，发射聚焦和接受聚焦。假设发射信号是单一频率的信号，频率为 ，角频率为 ,波束为 。0 0 0表达式如下式所示:ERROR! NO TEXT OF SPECIFIED STYLE IN DOCUMENT. 13()=0* MERGEFORMAT (2-12)经过延时叠加后（ ,） =-1=00(-)* MERGEFORMAT (2-13)在上式中，exp(j t)对波束的形成无影响，故0（ ,） =-1=0-0(+)* MERGEFORMAT (2-14)由于 r 对波束的形成
36、也无影响，故合成波束（ ） =-1=0-0=-1=0-0/=-1=0-0* MERGEFORMAT (2-15)|（ ） |= (0/2)(02 )* MERGEFORMAT (2-16)叠加延时波束形成的仿真，基本参数设置为：阵元数 N=32，中心频率=3.5MHZ，声速 c=1.5mm/us,阵元间距为半波长 d=/2 ，波束角度 的取值范围0 。/2/214 合成孔径聚焦超声成像图2.3 延时叠加波束形成从图 2.3 中可以看出，主瓣宽度 ，旁瓣宽度为 13dB，波束的主瓣宽度和=2副瓣高度是判断波束形成质量的标准。主瓣宽度越窄，旁瓣幅度越低，成像的侧向分辨率越高，成像的对比度越好。2.
37、4 波束的控制方法控制波束通常有动态聚焦，幅度变迹，动态孔径等方法。动态聚焦与定点聚焦不同，聚焦延时是随 r 变化的函数，动态聚焦可以应用到发射和接收时，提高成像质量。在延时叠加波束形成中，如果发射时采用动态聚焦就会有很长的采集数据时间，一般只在接收时采用动态聚焦；只有在合成孔径成像时，才使用发射和接收的动态聚焦。分段动态聚焦将成像空间划分成很多个小段，发射采用定点聚焦，接收采用动态聚焦。幅度变迹是对收发通道的幅度加权，使每个阵元的激励信号幅度可能不同，幅度变迹使传感器边沿位置阵元的激励信号幅度较小，而中心位置的阵元的激励信号幅度较大。由于图像重建的过程中，收发信号的延迟各不相同，造成相位的改
38、变，当叠加时，造成同相相加信号增强，而其他相位不同，则相对减弱。幅度变迹可以有效的减小影响。常用的幅度变迹函数为 hanning 函数，hamming 函数，Blackman 函数。ERROR! NO TEXT OF SPECIFIED STYLE IN DOCUMENT. 15分别为：Hanning 窗：()=0.51-(2 -1)* MERGEFORMAT (2-17)n=0,1,N-1Hamming 窗:()=0.54-0.46(2 -1)* MERGEFORMAT (2-18)n=0,1,N-1Blackman 窗:()=0.42-0.5cos(2 -1)+0.08cos(4 -1)*
39、 MERGEFORMAT (2-19)n0,N 经过幅度变迹后（ ） =-1=0(-)* MERGEFORMAT (2-20)动态孔径是指在接收开始时只有位于接收子阵列中心的少数通道有用，随着接受深度的增加，越来越多的接收通道被打开，接收孔径逐渐加大。16 合成孔径聚焦超声成像图 2.4 延时叠加波束形成由图 2.4 可知， 经过幅度变迹，波束的旁瓣幅度大大下降，主瓣宽度变大。这说明幅度变迹可以压制旁瓣，提高成像的对比度，增加主瓣宽度，降低成像的分辨率。ERROR! NO TEXT OF SPECIFIED STYLE IN DOCUMENT. 17图 2.5 延时叠加波束阵元数的影响由图 2
40、.5 可以得知不同数目阵元所产生的波束的差异，阵元数越大，有效孔径越大产生的波束的主瓣宽度越窄，旁瓣越小，成像效果越好。18 合成孔径聚焦超声成像ERROR! NO TEXT OF SPECIFIED STYLE IN DOCUMENT. 19第三章 合成孔径成像合成孔径成像有多种工作方式，合成孔径聚焦，多阵元合成孔径聚焦，合成接收孔径，合成聚焦，合成发射孔径 30。3.1 合成孔径聚焦合成孔径聚焦就是指每次发射只有一个阵元有效，接收也只有一个阵元有效。合成孔径聚焦的发射和接收方式如图 3.1 所示。图 3.1 合成孔径聚焦收发模示因为发射和接收都只有一个阵元有效，延迟相同，故合成波束应该表示
41、为:（ ,） =-1=0(-2-2)* MERGEFORMAT (3-1)假设阵元发射单一频率信号 时，当不考虑 t 时，0（ ,） =-1=00(-2-2)=-1=00(-2-2)* MERGEFORMAT (3-2)20 合成孔径聚焦超声成像又因为 ，在远场区时，=- =（ ,） =-02-1=0-02=-02-1=0-02* MERGEFORMAT (3-3)由于 r 固定队波束形成无影响，合成波束（ ） = -1=0-02* MERGEFORMAT (3-4)整理得：（ ） =(0)(0)* MERGEFORMAT (3-5)单阵元合成孔径聚焦成像方法因为只有一个发射阵元和接收阵元有效
42、，从而成本很低，功率也很小，又由于是全孔径动态聚焦，使成像的分辨率有很大的提高。但是单阵元合成孔径聚焦成像也有一些不足之处，如发射功率比较低，造成信噪比较低；多次发射然后合成在一起处理后成像，对动态的物体成像分辨率较低；需要多次存储数据，需要较大的存储空间。为了提高合成孔径成像的分辨率，有发展了多种合成孔径成像方法，多阵元合成孔径聚焦成像，合成孔径接收成像方法，合成聚焦成像方法，合成孔径发射成像方法等。3.2 多阵元合成孔径超声聚焦ERROR! NO TEXT OF SPECIFIED STYLE IN DOCUMENT. 21多阵元合成孔径超声聚焦是指发射时有几个阵元有效，接收时也是有几个阵
43、元同时有效。主要是因为单阵元合成孔径聚焦成像方法的发射功率和能量都比较小，造成信噪比很低，从而提出了多阵元合成孔径超声聚焦成像方法。多阵元合成孔径聚焦发射接收模式如图3.2所示。假设虚拟阵元N,子孔径为L个阵元,子孔径的个数(移动的次数)为K,则K = N - L+ 1。大多数时候，发射阵元数和接收阵元数是相同的。合成波束为(,)=+1=01=0,(2-,)* MERGEFORMAT (3-6)上式中 表示第 k 个子孔径发射的延时， 表示第 k 个子孔径接收，子孔径 ,中第 i 个阵元的延时。 图 3.2 多阵元合孔径聚焦收发模式假设阵元发射单一频率信号 时，0（ ,） =-02-+1=0-
44、1=00（-,-） * MERGEFORMAT (3-7)由于 r 固定队波束形成无影响，合成波束22 合成孔径聚焦超声成像（ ） = -+1=0-1=0-0（,+） * MERGEFORMAT (3-8)第 k 个子孔径的中心位置为=12(+-1)=(+-2 )* MERGEFORMAT (3-9)发射延迟时间为= =(+-2 )* MERGEFORMAT (3-10)接收延时时间为,=, =(+-12 )* MERGEFORMAT (3-11)整理得： （ ） = 0(-12) 0(-2) -+1=0-02+-1= -0* MERGEFORMAT (3-12)求和得：ERROR! NO T
45、EXT OF SPECIFIED STYLE IN DOCUMENT. 23（ ） = 0(-+1)(0) (02)(02)* MERGEFORMAT (3-13)多阵元合成孔径聚焦超声成像的发射阵元是几个同时有效，接收阵元也是几个同时有效，这样提高阵元发射信号的能量，有效的提高了信噪比。多阵元合成孔径聚焦超声成像的方法对旁瓣的抑制有很强的效果，提高了合成孔径成像的分辨率。3.3 合成接收孔径成像合成接收孔径是指发射时是全孔径有效，接收时是多个孔径即子孔径有效。发射接收模式如图 3.3 所示。阵元总数为 N，子孔径大小为 L，子孔径数 k=N/L,第一次发射时，第一个全孔径发射，子孔径接收，子孔径中逐个阵元接收。第二次发射时，第二个全孔径发射，子孔径接收，一直到第 k 个孔径发射。由于发射时是全孔径有效，可以不用
