合成孔径超声成像信号相位畸变的自适应校正技术研究

The ultrasonic synthetic aperture imaging is one main technique of nondestructive testing for structure material. It has always been an important subject in the field, which further improving SNR and spatial resolution of ultrasonic images. From the approach of theoretical analysis, numerical simulation and experimental verification, this project will investigate that of the technique to real time control the transducers phase delay by adaptive technique according the relation between the phase delay and wave front. The imaging quality is estimated by the objective function of imaging system, and the high resolution image will be obtained. First, the theoretical model of ultrasonic synthetic aperture imaging is found. We will investigate the relations between the phase delay, wave front and spatial resolution through numerical simulation. Then, the numerical model of the phase delay controlling the wave front will be set on base of the adaptive correct principle. The optimization methods for adaptive technique also will be considered. With this methods, a experiment system of ultrasonic synthetic aperture adaptive imaging will be set with using FPGA and DSP joint technique. Also, the project will investigate the approach of image registration to increase the ultrasonic image SNR. Through above research, completely and systematically know the theory and principle of ultrasonic synthetic aperture adaptive high resolution imaging, and propose the study strategy in future. It will provide important fundamental basis and experimental data for further studying the real system.

超声合成孔径成像是结构材料无损检测的主要技术，进一步改善超声图像信噪比和分辨率，提高实时性，一直是该领域的重要课题。本项目拟通过理论分析、数值模拟和实验验证等手段，根据换能器相位延迟与成像波前的关系，采用自适应技术实时控制相位延迟，并通过成像目标函数判断校正的成像质量，达到校正波前畸变目的，从而实现高分辨成像。首先建立超声合成孔径成像理论模型，通过数值模拟，研究相位延迟与成像波前、成像分辨率之间的关系。其次，根据自适应校正技术原理，建立通过相位延迟控制成像波前的数值模型，并研究实现自适应校正的最优化方法，在此基础上，研究通过FPGA与DSP相结合的技术，建立超声合成孔径自适应成像实验系统。本项目还将基于图像配准方法，研究提高超声图像信噪比的方法。通过上述研究，全面认识超声合成孔径自适应高分辨成像的理论和技术原理，并提出今后的研究策略，为进一步研究实际应用系统，提供理论基础和实验数据。

本项目针对非均匀介质条件下如何提高超声合成孔径成像质量的问题，包括提高超声成像信噪比、分辨率和实时性，深入开展了以下几个方面的研究：首先研究了非均匀介质超声合成孔径成像原理和模拟方法，建立了通过随机相位屏的方式，模拟介质非均匀对超声传播信号相位的影响，实现了超声合成孔径在非均匀介质情况下的成像模拟，为研究超声合成孔径信号相位校正技术，提供研究试验数据，奠定了基础。另一方面，我们重点研究了非均匀介质条件下的超声合成孔径信号相位校正原理和技术实现方法，建立了基于多信号互相关的自适应相位校正模型和方法，并通过实验进行了验证，实现对超声通过非均匀介质传播信号相位畸变的有效校正，明显提高了超声合成孔径成像的信噪比和分辨率指标。同时，研究了基于FPGA并行处理技术的超声合成孔径快速成像技术，设计了两种方案：一种是基于距离计算的处理方案，设计了递归距离计算模块结构，实验结果显示该方案FPGA的运行频率达到166.7MHz，32单元处理时间约为16毫秒；另一种是基于距离索引，将距离值存储于FPGA的RAM中，通过索引的方式获取，实验结果显示实际处理时间约为9毫秒，相比前一种设计处理速度提高了63%，并可用于更大成像范围的处理。其次，我们研究了基于基于稀疏的超声合成孔径成像降噪方法，实验结果表明：通过稀疏表示超声合成孔径信号数据，可以极大减少数据处理量，并可以得到信噪比明显改善的超声合成孔径成像结果；为了提高超声合成孔径成像分辨率，研究了二次规划优化估计的超声合成孔径成像复原技术，基于超声合成孔径成像原理建立了二次规划优化估计复原模型，实验结果显示，该方法能有效提高超声合成孔径成像的信噪比和分辨率，改善成像质量。通过以上研究，所研究的成果对于改进和提高现有的超声合成孔径成像技术水平，具有一定的应用价值和指导意义，为今后进一步研究非均匀介质超声合成孔径成像的相关问题，具有一定的参考价值。