王碩

摘要：為了提高超聲合成孔徑的橫向分辨率，本文研究了波束序列合成技術（synthetic aperture sequential beamforming， SASB）。首先獲得一個高分辨率（high resolution line ，HRL）掃描線，然后在傳統(tǒng)的SASB算法基礎上，采用以點疊加的算法（point sum technique PST），通過索引值，不僅提高了極限幀率，而且提高了運算效率。這個方法不同于以前利用飛行時間（time of flight TOF）計算索引值，它直接忽略乘法運算，利用類查找表法直接合成HRL掃描線。通過Field II仿真和Multi2000實驗平臺，采集數(shù)據(jù)的研究，驗證了波束序列合成技術對橫向分辨率的貢獻。

關鍵詞：SASB；點疊加；橫向分辨率

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0203-03

1 引言

在超聲無損檢測領域，為了提高橫向分辨率，合成孔徑聚焦（synthetic aperture focusing，SAF）技術得到廣泛應用[1]。基于SAF的全聚焦（TFM）方法[2]，利用一個陣元發(fā)射球面波全部陣元接收可以采集到完備的圖像數(shù)據(jù)集，通過延時疊加波束合成極大的提高成像質量，但該算法復雜，對硬件要求高，需要存儲大量數(shù)據(jù)，開發(fā)極具挑戰(zhàn)。而利用單陣元一發(fā)一收模式線性移動掃描采集數(shù)據(jù)，簡化了復雜度，通過動態(tài)接收聚焦技術可以在一定程度上保持超聲成像的橫向分辨率恒定，使其不受深度變化影響，但由于單陣元能量弱旁瓣較高，導致橫向分辨率較差，成像質量較差。

本論文根據(jù)虛擬源聲場傳播方向為空間受限角球面波，而每個球面波和球面波上的信息都被子孔徑的陣元采集存儲在一一對應的地址中的特點，在Jacob Kortbek的兩步法[4]基礎上采用點疊加算法計算第一步，它是一種類查找表方法，不需要利用飛行時間計算索引值，直接通過不同深度點的地址將各個離散點聚攏為一個高分辨率點最后合成為一條高分辨率A掃線，由于只是簡單的疊加運算并不消耗乘法器資源，它大大減低了第一步計算時間，提高了實時成像的極限幀率。第二步計算時利用動態(tài)接收聚焦和延時疊加（delay-and-sum，DAS）波束合成方法，得到高分辨率圖像。目標是改進SASB技術的第一步計算速度，提高極限幀率，且相對于DRF其橫向分辨率也保持了以前的優(yōu)勢。

2 基本原理

SASB分為兩步，每步都利用延時疊加（DAS）來波束合成（beamforming）。第一步使用滑動子孔徑定點發(fā)射/接收聚焦，采集一系列B掃線并存儲在緩存（buffer），進行波束合成1（BF1）。第二步將第一步每次獲得的數(shù)據(jù)作為輸入，存儲在起來，組成新的數(shù)據(jù)，再次進行波束合成2（BF2）。緩存中的數(shù)據(jù)必須在下一次采集時處理完成，否則新的數(shù)據(jù)會把舊的數(shù)據(jù)覆蓋。

多孔徑定點聚焦發(fā)射超聲成像過程中，作為被激發(fā)的多孔徑，它們是物理存在的陣元，稱之為實源（real source），而對于多孔徑的聚焦點，把它作為虛擬源（virtual source，VS）[5]。圖1所示，VS陣列可以看作發(fā)射點，分別向前后發(fā)射聲空間受限角球面波。

2.1 點疊加算法波束合成

相控陣超聲成像中，滑動子孔徑定點發(fā)射聚焦形成的聲場可視為由虛擬源發(fā)射的空間受限角球面波，如圖2所示，球面波攜帶了它傳播路徑上的空間信息，BF1可以將最初的圖像掃描線轉換為BF2的輸入。

值得注意的是對于有限傳感器陣列，隨著成像點深度的增加，有效虛擬陣元個數(shù)將會超出實際虛擬陣元的個數(shù)。因此，越接近傳感器陣列邊緣的地方，有效樣本個數(shù)不會再繼續(xù)增加，此時橫向分辨率會略微下降。

3 實驗與結果

本文利用Field II[10]進行點散射目標仿真實驗，對比了單陣元動態(tài)合成孔徑算法以及基于虛擬陣元的多孔徑聚焦算法，并重點分析了兩種算法在軸向分辨率和探測深度方面的差異。

為了方便分析兩種方法在軸向分辨率和探測深度之間的優(yōu)劣，散射點從40mm開始，在200mm結束，成像的動態(tài)范圍為40dB。成像如圖6所示。

從圖6中可以看出，單陣元動態(tài)合成孔徑算法在目標散射點的能量沒有完全聚合，導致了它的軸向分辨率變差，且隨著深度增加，對被測物體的滲透能力變弱，散射點的旁瓣逐漸增加；本文用到的基于虛擬源的多孔徑聚焦算法在散射點通過對高分辨率掃描線出缺陷，這使得它軸向分辨率大大提高。同時多陣元擁有更大的能力，可以滲透到物體更深處，圖6中的右圖比左圖清晰很多，很好的證明了這一點。

4 結論

本文將虛擬陣元技術引進到超聲成像系統(tǒng)，利用點疊加算法合成高分辨率掃描線再利用合成孔徑聚焦波束合成超聲成像。該方法本質就是把滑動子孔徑采集的低分辨率掃描線形成的聲場進行疊加形成多條高分辨率掃描線，節(jié)省了存儲低分辨率掃描線的硬件資源，簡化了算法的復雜度，間接增加了接收陣元數(shù)目，從而增加聲波信號的信息量和能量，使得成像效果獲得大幅度提高。靜態(tài)點散射目標的成像實驗表明：與傳統(tǒng)單陣元合成孔徑算法相比，虛擬源多孔徑方法的橫向分辨率在一定范圍內大大提高，在一定程度上解決了橫向分辨率與探測深度之間的矛盾，并且可以針對不同應用場合來調節(jié)虛擬陣元的位置[Zv]以及聚焦系數(shù)[F#]，實現(xiàn)高質量的超聲成像?？梢葬槍Σ煌瑧脠龊蟻碚{節(jié)虛擬陣元的位置[Zv]以及聚焦系數(shù)[F#]，實現(xiàn)高質量的超聲成像。

參考文獻：

[1] Ylitalo J T， Ermert H. Ultrasound synthetic aperture imaging： monostatic approach. IEEE Trans. Ultrason.， Ferroelec.， Freq. Contr.，1994（41）：333-339.

[2] Jensen J A， Nikolov S， Gammelmark K L， et al. Synthetic aperture ultrasound imaging. Ultrasonics，2006（44）：5-15.

[3] Karaman M， Li P C， M. ODonnell： Synthetic aperture imaging for small scale systems， IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr，1995（42）：429-442.

[4] Frazier C H， OBrien W D. Synthetic aperture techniques with a virtual source element， IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr，1998（45）：196-207.

[5] Jacob Kortbek， J?rgen Arendt Jensen and Kim L?kke Gammelmark： Sequential beamforming for synthetic aperture imaging [J].Ultrasonics，2013（1）.

【通聯(lián)編輯：唐一東】