合成孔径 saft matlab,合成孔径聚焦超声成像系统的计算机仿真
1引言合成孔径聚焦(SAFT)超声成像是20世纪70年代发展起来的一种比较有潜力的成像方法,其最初思想可以追溯到20世纪50年代发展起来的合成孔径雷达技术(SAR)。他以点源探头在被测物体的表面上扫描,接收来自物体内部各点的散射声信号并加以存储,然后对不同接收位置上探头接收的声信号引入适当的延迟并进行叠加,以获得被成像点的逐点聚焦声学像[1]。与传统的超声成像方法不同,合成孔径聚焦成像可以通过低的工作频率和较小的换能器孔径以获得较好的分辨率。这对传统的超声成像来说是不可思议的。同时,在合成孔径聚焦成像前对系统采集的数据进行预处理,可以使系统的信噪比得到很大的提高。SAFT技术要求采取和存储每一个孔径点的整个回波信号,即全波采样。其重建理论较复杂,无论对硬件或软件都要求比较高。目前,对于SAFT成像方法的研究还处于试验阶段。SAFT超声成像不仅可以用于无损检测,而且在探地雷达、地震预报、医疗诊断等领域也有广泛的应用。在无损检测领域,如:混凝土探伤、金属结构的检测等方面,SAFT超声成像技术有着广泛的应用前景[2,3]。本文将介绍一个应用于无损检测的时域合成孔径聚焦超声成像系统的计算机仿真,作者设计了一个包含多个缺陷的试块,对其进行2DSAFT超声成像,同时将2DSAFT成像结果与B扫描结果相比较。由于在实际的检测过程中,信号中的噪声可能很大,有时甚至可以将信号湮没,使得到的声学像的信噪比很低,作者利用几何平均技术对采集的数据进行预处理。本文的SAFT算法软件采用Matlab编制,仿真计算在PC机上进行,计算一个10075点数据并对其进行成像的时间少于1min。2算法原理、缺陷模型及成像参数2.1合成孔径算法原理如图1所示,在进行2DSAFT聚焦超声成像时,收发共置的超声探头在一条直线上做等间距(x)扫描,在每一点超声探头发射一个超声脉冲并接收物体内部各点的反射回波,在整条扫描直线上,超声探头按照“扫描采样扫描”的方式工作。扫描直线上所有点的回波信号可以直接送到计算机进行实时处理也可以存储起来留待以后进行更进一步的处理。图1合成孔径原理图如图1所示,由于超声探头具有指向性,对于图示的缺陷点,只有当探头在-N+N之间时,其采集的数据才反映缺陷点的信息,在进行数据处理时,N的值由R和探头的指向性确定如下:N=0.42R/(Dx)(1)其中:是入射波长;D是探头直径;x是采样步距。图1中,把探头在第i个位置接收到的位于深度为j的缺陷点的回波数据记为S(i,tij),其中,i为位于-N+N之间的值,tij为超声波从发射到被物体内某点反射并接收所经历的时间:tij=2Rij/C(2)其中:C是超声波在介质中的传播速度。在对重建点进行重建时,根据重建点到各采样点的不同距离给各采样点的数据以不同的时延tij,然后相加,即数据聚焦过程。得到的缺陷点的声场信号为S。S=1/(2N+1)Ni=-NS(i,t+tij)(3)其中:S(i,t+tij)是在点i收到的被检测物体内部一个点的回波信号,在有缺陷的地方回波信号同相叠加,信号增强。在无缺陷的地方,回波信号的叠加是随机、无序的,其叠加值较小。即信号相对减弱了。2.2缺陷模型及成像参数本文采用的缺陷模型如图2所示。一个长150mm,高30mm的试块,在试块的21mm深处有一排6个点,从左到右各点的距离依次为2mm,3mm,4mm,6mm,6mm,8mm。图2缺陷模型在进行模拟时,采用高斯包络的余弦函数:S(t)=Aexp(-t2B2/2)cos(2f0t)(4)其中:B为发射信号带宽;f0是信号的中心频率。探头的指向性:
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