基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像系统及方法与流程

1.本发明涉及基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像领域，具体涉及一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法、系统、装置及存储介质。


背景技术：

2.现有的相控阵超声全聚焦技术通常采用单频单脉冲激励的方式。在这种方式下，每个阵元都是独立地由单个脉冲激发，然后所有的阵元同时接收返回的超声信号。虽然这种方式在一定条件下可以获得较高分辨率的成像结果，但也存在以下不足：
3.1)信号强度较弱：单频单脉冲激励方式下，每个阵元只能发射一次短脉冲，超声波信号强度较弱。当超声波传播过程中衰减较大或传播路径较长时，信号强度降低明显。因此，单频单脉冲发射方式会限制信号的穿透深度和检测灵敏度。
4.2)无法有效抑制旁瓣：全聚焦成像是通过将多个元件的超声信号合成来实现的。在单脉冲发射方式下，合成的超声信号中包含大量的旁瓣，这些旁瓣波会影响成像质量。
5.因此需要一种可以实现全方位、高分辨率的全聚焦成像的基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像系统及方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法。以期解决背景技术中存在的技术问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法，包括
9.基于被检对象特征和覆盖要求，生成线性调频激励信号；
10.将所述线性调频激励信号输送到多通道激励器，以对所述线性调频激励信号进行第一预设处理；
11.基于预设方式获取全矩阵信号；
12.将所述全矩阵信号发送到相控阵器中进行第二预设处理，使得信号在目标空间中逐点聚焦扫描；
13.基于核心运算单元，结合经所述预设处理后的信号，进行图像重建和显示，生成高分辨率的超声图像。
14.在一些实施例中，所述基于被检对象特征和覆盖要求，生成线性调频激励信号包括：
15.获取被检对象特征和覆盖要求；
16.基于所述被检对象特征和覆盖要求，确定线性调制信号的信号参数；
17.基于核心运算单元，根据所述信号参数，生成线性调频激励信号。
18.在一些实施例中，所述被检对象特征包括被检对象的材质、声速、衰减中至少一种。
19.在一些实施例中，所述第一预设处理包括对信号进行功率放大和平滑。
20.在一些实施例中，所述预设方式包括多发多收的方式，其中，每个接收通道连接一个匹配滤波器。
21.在一些实施例中，所述第二预设处理包括聚焦和定向处理。
22.在一些实施例中，所述第二预设处理包括信号的加权处理、相位延迟处理中至少一种。
23.同时，本发明还公开了一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像系统，包括：
24.生成模块，用于基于被检对象特征和覆盖要求，生成线性调频激励信号；
25.输送模块，用于将所述线性调频激励信号输送到多通道激励器，以对所述线性调频激励信号进行第一预设处理；
26.获取模块，用于基于预设方式获取全矩阵信号；
27.处理模块，用于将所述全矩阵信号发送到相控阵器中进行第二预设处理，使得信号在目标空间中逐点聚焦扫描；
28.重建模块，用于基于核心运算单元，结合经所述预设处理后的信号，进行图像重建和显示，生成高分辨率的超声图像。
29.同时，本发明还公开了一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像装置，所述装置包括至少一个处理器以及至少一个存储器；
30.所述至少一个存储器用于存储计算机指令；
31.所述至少一个处理器用于执行所述计算机指令中的至少部分指令以实现上述的基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法。
32.同时，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时实现上述的方法。
33.有益效果
34.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
35.通过本发明的技术方案采用线性调频激励方式，提高激发能量和频带宽度，并且将多个晶片同时激发，形成一个大孔径宽频带的超声波发射器，增强了信号的强度和穿透能力，并且兼顾了不同深度的分辨率。在接收过程中，通过匹配滤波器，使得不同深度的信号频谱分别集中在一个窄带内，实现了不同深度上的分辨率匹配，并且有效抑制了旁瓣对灵敏度的影响。
36.本发明的技术方案可以实现全方位、高分辨率的全聚焦成像，具有较大的应用前。
附图说明
37.图1是本实施例涉及基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像系统示意图；
38.图2是本实施例涉及的基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法的流程示意图；
39.图3是本实施例涉及的相控阵超声全聚焦检测的示意图；
40.图4是本实施例涉及的一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法的实现逻辑示意图；。
具体实施方式
41.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
42.相反，本技术涵盖任何由权利要求定义的在本技术的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本技术有更好的了解，在下文对本技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本技术。
43.以下将结合图1-4对本技术实施例所涉及的一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法进行详细说明。值得注意的是，以下实施例仅仅用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
44.实施例1
45.如图1所示，本发明还公开了一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像系统100，包括：
46.生成模块110，用于基于被检对象特征和覆盖要求，生成线性调频激励信号。
47.在一些实施例中，生成模块110进一步用于：
48.获取被检对象特征和覆盖要求；
49.基于所述被检对象特征和覆盖要求，确定线性调制信号的信号参数；
50.基于核心运算单元，根据所述信号参数，生成线性调频激励信号。
51.在一些实施例中，所述被检对象特征包括被检对象的材质、声速、衰减中至少一种。
52.输送模块120，用于将所述线性调频激励信号输送到多通道激励器，以对所述线性调频激励信号进行第一预设处理。
53.在一些实施例中，所述第一预设处理包括对信号进行功率放大和平滑。
54.获取模块130，用于基于预设方式获取全矩阵信号。
55.在一些实施例中，所述预设方式包括多发多收的方式，其中，每个接收通道连接一个匹配滤波器。
56.处理模块140，用于将所述全矩阵信号发送到相控阵器中进行第二预设处理，使得信号在目标空间中逐点聚焦扫描。
57.在一些实施例中，所述第二预设处理包括聚焦和定向处理。例如，所述第二预设处理包括信号的加权处理、相位延迟处理中至少一种。
58.重建模块150，用于基于核心运算单元，结合经所述预设处理后的信号，进行图像重建和显示，生成高分辨率的超声图像。
59.本发明的基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像系统100采用线性调频激励方式，提高激发能量和频带宽度，并且将多个晶片同时激发，形成一个大孔径宽频带的超声波发射器，增强了信号的强度和穿透能力，并且兼顾了不同深度的分辨率。在接收过程中，通过匹配滤波器，使得不同深度的信号频谱分别集中在一个窄带内，实现了不同深度上的分辨率匹配，并且有效抑制了旁瓣对灵敏度的影响。可以实现全方位、高分辨率的全聚焦成像。
60.本发明还公开了一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法，如图2所示为该方法的流程200，包括：
61.步骤210，基于被检对象特征和覆盖要求，生成线性调频激励信号。
62.在一些实施例中，步骤210包括：
63.步骤211，获取被检对象特征和覆盖要求；
64.步骤213，基于所述被检对象特征和覆盖要求，确定线性调制信号的信号参数；
65.步骤215，基于核心运算单元，根据所述信号参数，生成线性调频激励信号。
66.在一些实施例中，所述被检对象特征包括被检对象的材质、声速、衰减中至少一种。
67.如图4所示为本实施例涉及的一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法的实现逻辑示意。
68.例如，生成模块110可以根据检测对象的材质、声速、衰减、检测范围等，设定线性调制信号的长度和频率范围，由核心运算单元生成数字化的线性调频激励信号。
69.步骤220，将所述线性调频激励信号输送到多通道激励器，以对所述线性调频激励信号进行第一预设处理。
70.在一些实施例中，所述第一预设处理包括对信号进行功率放大和平滑。
71.例如，输送模块120可以将线性调频激励信号输送到多通道激励器，每个通道对应换能器的一个阵元，激励器对信号进行功率放大和平滑，提高其驱动能力。
72.线性调频是一种通过调制信号的频率来实现编码激励和波束成形的技术。其基本原理是在发射端将信号的频率按照线性规律进行变化，在接收端将接收到的信号进行解调和解码，从而实现波束成形和超声成像。
73.在一些实施例中，在编码方面，线性调频信号可以通过发射端的信号发生器产生。具体实现时，信号发生器可以输出一个频率随时间线性变化的连续波信号，其频率可以表示为：f(t)＝fc+kt；其中，fc为中心频率，k为调制斜率，即频率变化的速率。通过设置不同的k值，可以生成不同长度和分辨率的编码信号，t为时间。
74.在一些实施例中，时域连续激励信号可以表示为s(t)＝asin(2π(f c
+kt)t)。
75.在一些实施例中，对于接收到的信号，其反射波的频率与入射波的频率相同，因此可以将其表示为：r(t)＝a’sin(2πf’t+φ),其中,f’＝fc+kt,φ为对应的相位。
76.步骤230，基于预设方式获取全矩阵信号。
77.在一些实施例中，所述预设方式包括多发多收的方式，其中，每个接收通道连接一个匹配滤波器。
78.例如，获取模块130可以采用多发多收的方式，采集全矩阵信号，且每个接收通道连接一个匹配滤波器。
79.在解码方面，可以使用一个接收机接收反射信号，然后将接收信号和已知的编码信号进行相关运算，得到一个相关函数。在超声成像中，这个相关函数可以表示为：
80.在一些实施例中，接收信号的解码过程可以通过匹配滤波器来实现。在超声成像中，匹配滤波器的作用是将接收到的反射信号与已知的编码信号进行卷积，得到一个相关
函数。具体实现时，可以将已知的编码信号和接收到的反射信号分别输入到匹配滤波器中。匹配滤波器的输出即为解码后的信号。
81.在解码过程中，匹配滤波器的设计是非常关键的。匹配滤波器的理论最佳响应可以通过将编码信号的倒序和复共轭输入到滤波器中来实现。具体来说，匹配滤波器的频率响应可以表示为：其中，t为编码信号的长度，rect表示矩形函数。
82.将接收到的反射信号与匹配滤波器进行卷积运算后，可以得到一个相关函数。相关函数的峰值对应于反射点的位置。通过相关函数的峰值位置即可生成超声图像。在实际应用中，为了提高解码的准确性和稳定性，还需要对匹配滤波器进行优化设计和信噪比增强等处理。
83.步骤240，将所述全矩阵信号发送到相控阵器中进行第二预设处理，使得信号在目标空间中逐点聚焦扫描。
84.在一些实施例中，所述第二预设处理包括聚焦和定向处理。例如，所述第二预设处理包括信号的加权处理、相位延迟处理中至少一种。
85.例如，处理模块140可以将滤波器输出信号发送到相控阵器中进行聚焦和定向处理，如加权、相位延迟等处理，使得信号在目标空间中逐点聚焦扫描。
86.相控阵超声全聚焦检测是一种利用相控阵超声技术进行全聚焦成像的方法，包括：
87.首先，通过控制超声探头上的多个单元，可以发出一系列具有不同幅度和相位的超声波。这些超声波将在介质中传播，并被介质内部的异常点反射回来。然后，探头会接收到这些反射波，并将其转换成电信号。
88.接下来，将这些电信号送入一个电子器件(称为“相控阵器”)，相控阵器会对这些信号进行处理，以调整超声波的幅度和相位，从而实现对反射波的定向和聚焦。经过相控阵器处理后，这些信号会被发送到计算单元，计算单元会将这些信号转换成超声图像(如步骤250)。
89.在一些实施例中，相控阵超声全聚焦检测的示意如图3所示，其中，超声相控阵换能器上的多个阵元可以同时发射超声波，形成检测声场。由介质中的异常点产生的反射波被换能器上的各阵元接收并转换成电信号，然后被送入相控阵器。相控阵器通过调整超声波的幅度和相位，对每一个虚拟聚焦点进行定向聚焦，最终实现成像。
90.步骤250，基于核心运算单元，结合经所述预设处理后的信号，进行图像重建和显示，生成高分辨率的超声图像。
91.例如，重建模块150可以在所有信号处理完成后，由核心运算单元进行图像重建和显示，生成高分辨率的超声图像。在一些实施例中，相控阵超声全聚焦检测技术可以实现较高分辨率的成像，可以更加准确地观察介质内部结构，有助于提高超声检测的准确性和可靠性。
92.综上可知，本发明的技术方案中，通过将线性调频激励及其解码技术用于相控阵超声全聚焦检测的信号激励、数据采集和解码处理中，提高了声场的覆盖能力和检测灵敏度；同时，采用多发多收的方式，激励和采集全矩阵信号，实现了大孔径宽频带的检测声场，
增强了检测信号的强度和穿透能力。其中，具体根据检测对象的材质、声速、衰减、检测范围等选择线性调频信号的长度和频率范围，并应用线性调频的解码信号进行成像，实现了不同深度不同匹配频率，提高了检测分辨率。
93.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法，其特征在于，包括基于被检对象特征和覆盖要求，生成线性调频激励信号；将所述线性调频激励信号输送到多通道激励器，以对所述线性调频激励信号进行第一预设处理；基于预设方式获取全矩阵信号；将所述全矩阵信号发送到相控阵器中进行第二预设处理，使得信号在目标空间中逐点聚焦扫描；基于核心运算单元，结合经所述预设处理后的信号，进行图像重建和显示，生成高分辨率的超声图像。2.根据权利要求1所述的基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法，其特征在于，所述基于被检对象特征和覆盖要求，生成线性调频激励信号包括：获取被检对象特征和覆盖要求；基于所述被检对象特征和覆盖要求，确定线性调制信号的信号参数；基于核心运算单元，根据所述信号参数，生成线性调频激励信号。3.根据权利要求2所述的基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法，其特征在于，所述被检对象特征包括被检对象的材质、声速、衰减中至少一种。4.根据权利要求1所述的基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法，其特征在于，所述第一预设处理包括对信号进行功率放大和平滑。5.根据权利要求1所述的基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法，其特征在于，所述预设方式包括多发多收的方式，其中，每个接收通道连接一个匹配滤波器。6.根据权利要求5所述的基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法，其特征在于，所述第二预设处理包括聚焦和定向处理。7.根据权利要求6所述的基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法，其特征在于，所述第二预设处理包括信号的加权处理、相位延迟处理中至少一种。8.一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像系统，其特征在于，包括生成模块，用于基于被检对象特征和覆盖要求，生成线性调频激励信号；输送模块，用于将所述线性调频激励信号输送到多通道激励器，以对所述线性调频激励信号进行第一预设处理；获取模块，用于基于预设方式获取全矩阵信号；处理模块，用于将所述全矩阵信号发送到相控阵器中进行第二预设处理，使得信号在目标空间中逐点聚焦扫描；重建模块，用于基于核心运算单元，结合经所述预设处理后的信号，进行图像重建和显示，生成高分辨率的超声图像。9.一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像装置，其特征在于，所述装置包括至少一个处理器以及至少一个存储器；所述至少一个存储器用于存储计算机指令；所述至少一个处理器用于执行所述计算机指令中的至少部分指令以实现如权利要求1至7中任意一项所述的基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法。10.一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储计算机指令，当所述计算机指令被处
理器执行时实现如权利要求1至7任意一项所述的基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法。

技术总结
本发明提供了一种基于线性调频激励技术的增强全聚焦成像方法，包括基于被检对象特征和覆盖要求，生成线性调频激励信号；将所述线性调频激励信号输送到多通道激励器，以对所述线性调频激励信号进行第一预设处理；基于预设方式获取全矩阵信号；将所述全矩阵信号发送到相控阵器中进行第二预设处理，使得信号在目标空间中逐点聚焦扫描；基于核心运算单元，结合经所述预设处理后的信号，进行图像重建和显示，生成高分辨率的超声图像。生成高分辨率的超声图像。生成高分辨率的超声图像。


技术研发人员：姬升阳 毛延翩 冉毅川 刘志辉 曾广栋 刘德新 魏学锋 鹿明明 朱斌 张承俊 田仁斌 蒋雄 原可义
受保护的技术使用者：中国特种设备检测研究院
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/11