基于相關(guān)性的超聲合成孔徑成像信號相位校正

王碩

摘要：在超聲合成孔徑成像中，檢測物體表面的光滑程度和材質(zhì)都會影響最終的成像質(zhì)量。本文為解決非均勻介質(zhì)和檢測表面不平整引起的相位聚焦畸變，研究了一種基于信號相關(guān)性校正相位畸變的方法。通過優(yōu)化估計(jì)信號相位偏差量和對比超聲回波A掃間的相關(guān)性，建立對應(yīng)優(yōu)化估計(jì)函數(shù)對信號進(jìn)行相位校正。為驗(yàn)證研究方法有效性，對單點(diǎn)目標(biāo)與多點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對結(jié)果進(jìn)行峰值信噪比與橫向分辨率對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中方法能夠提高成像質(zhì)量，對此類因素產(chǎn)生的相位畸變具有明顯改善作用。

關(guān)鍵詞：合成孔徑;相位校正;相關(guān)性

中圖分類號：TP18 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0266-03

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)安全越來越受到各行業(yè)的重視。在無損檢測領(lǐng)域，超聲波探傷技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。但超聲波探傷技術(shù)往往受限于檢測物體表面粗糙程度以及材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致超聲波在物體中傳輸過程中產(chǎn)生相位偏移現(xiàn)象，同時(shí)增加了回波信號的噪聲，降低了圖像分辨率，使檢測結(jié)果不能精確的反映出缺陷的位置與大小。

許多研究者一直致力于提高超聲合成孔徑的成像質(zhì)量，為此進(jìn)行了大量的研究。2005年，Caroline Holmes 等提出全矩陣捕獲和全聚焦成像技術(shù)，通過建模仿真和實(shí)驗(yàn)論證了該方法相比其他成像技術(shù)有更好的成像分辨率[1]。在2008年，Alan將其拓展到頻域，并使其計(jì)算速度有所提高[2]。2012年，Y. Tasinkevych和 P.A. Lewin等人采用延時(shí)疊加算法應(yīng)用于超聲成像中，波束旁瓣得到了有效抑制，提高了成像質(zhì)量[3]。近年多家公司已將全聚焦技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中，并取得良好的效果，例如M2M、AOS、Olympus以及汕超等。

本文通過優(yōu)化估計(jì)信號相位偏差量和對比超聲回波A掃間的相關(guān)性，建立對應(yīng)優(yōu)化估計(jì)函數(shù)對信號進(jìn)行相位校正。為驗(yàn)證研究方法有效性，對仿真單點(diǎn)目標(biāo)與多點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對結(jié)果進(jìn)行峰值信噪比與橫向分辨率對比，驗(yàn)證了方法的有效性。

如圖1所示，對所接受的A掃信號加入相應(yīng)的隨機(jī)延時(shí)，當(dāng)?shù)贜個(gè)陣元發(fā)射超聲信號時(shí)，各陣元依次接超聲回波信號。最終接收的A掃回波產(chǎn)生的相位差理論上僅與信號傳遞的路程差有關(guān)，但實(shí)際的情況還與物體表面的光滑程度及材質(zhì)等諸多因素有關(guān)。本文對設(shè)定聲速和實(shí)際聲速之間的差異、目標(biāo)的非均勻性以及電子噪聲造成的誤差進(jìn)行相位屏模擬，得到符合柯爾莫哥洛夫分布的隨機(jī)相位屏。

加入相位屏后導(dǎo)致A掃信號的相位發(fā)生畸變，結(jié)果如圖2所示：

無相位差及有相位差的兩點(diǎn)成像、相差校正后的兩點(diǎn)成像。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)平臺選取Multi2000Pocket超聲系統(tǒng)，對超聲回波進(jìn)行采集與分析、檢測對象為[CSK-IA]標(biāo)準(zhǔn)試塊，實(shí)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)如下表所示：

有無相差的單點(diǎn)全聚焦成像結(jié)果如下圖4 a）和圖4 b）：

對加入相位屏后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行全聚焦成像，單點(diǎn)與多點(diǎn)成像結(jié)果分別如圖4（b）、圖5 （b）所示。圖4（c）與圖5（c）分別為經(jīng)過傳統(tǒng)自適應(yīng)校正后單點(diǎn)與多點(diǎn)成像結(jié)果，本文處理結(jié)果如圖4（d）與5（d）所示。

計(jì)算橫向分辨率及峰值信噪比對傳統(tǒng)方法與本文改進(jìn)方法進(jìn)行比較，結(jié)果如下表2、表3所示：

從表2可以看出，不論是單點(diǎn)缺陷還是多點(diǎn)缺陷，改進(jìn)后的相位校正方法得到的超聲圖像橫向分辨率更高。

表3為兩種方法校正結(jié)果峰值信噪比對比，從表中可以看出，兩種方法對原始圖像分辨率都有明顯的提升，改善了原始圖像質(zhì)量，同時(shí)從數(shù)據(jù)也可看出，本文方法在單點(diǎn)和多點(diǎn)成像結(jié)果都優(yōu)于傳統(tǒng)自適應(yīng)校正方法。

3 結(jié)論

本文針對超聲合成孔徑成像中檢測物體表面粗糙程度以及材料內(nèi)部非均勻介質(zhì)對超聲回波的影響，采用通過優(yōu)化估計(jì)信號相位偏差量和對比超聲回波A掃間的相關(guān)性，建立對應(yīng)優(yōu)化估計(jì)函數(shù)對信號進(jìn)行相位校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法對于非均勻介質(zhì)產(chǎn)生的相位畸變具有明顯的校正作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Holmes C， Drinkwater B W， Wilcox P D. Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit–receive array data for non-destructive evaluation[J]. Ndt& E International， 2005， 38（8）：701-711.

[2]Hunter A J， Drinkwater B W， Wilcox P D.The wavenumber algorithm for full-matrix imaging using an ultrasonic array[J].IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control， 2008， 55（11）：2450-2462.

[3]Tasinkevych Y， Trots I， Nowicki A， et al. Modified synthetic transmit aperture algorithm for ultrasound imaging[J]. Ultrasonics， 2012， 52（2）： 333-342.

【通聯(lián)編輯：唐一東】