專利名稱：低頻窄帶高分辨超聲探測(cè)成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲探測(cè)領(lǐng)域，特別是一種低頻窄帶高分辨超聲探測(cè)成像方法，適合于獲取常規(guī)超聲無(wú)法探測(cè)到的遠(yuǎn)場(chǎng)信息，得到遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)的高分辨率成像，從而為決策者提供更有效的信息。
背景技術(shù)：
眾所周知，超聲成像因無(wú)創(chuàng)傷，經(jīng)濟(jì)且安全已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、工業(yè)探傷、 海洋水下探測(cè)等。為了獲得更多的觀測(cè)對(duì)象信息，高清晰度/高分辨率超聲影像一直是人們追求的目標(biāo)。在工業(yè)探傷中，高分辨率甚至超高分辨率的超聲影像是發(fā)現(xiàn)微小有害傷損和雜質(zhì)的重要保證；在海防目標(biāo)探測(cè)中，高分辨率超聲影像是正確識(shí)別敵方目標(biāo)的前提。為了提高超聲探測(cè)成像的分辨率，人們提出的一些高分辨超聲成像方法，主要包括以下兩類1、頻域法；該方法采用頻域外推法實(shí)現(xiàn)高分辨。1964年，Harr的文章 "Diffraction and Resolving Power”奠定了高分辨成像的基礎(chǔ)，他首次采用信號(hào)外推的方法成功提高了成像的分辨率。2、空域法；該方法多采用自適應(yīng)波束形成方法，如F. Viola等在文獻(xiàn) "Time-Domain Optimized Near-Field Estimator for Ultrasound Imaging Initial Development and result”提出了一種新的自適應(yīng)波束形成的方法應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲，獲得了超聲成像分辨率的提高。以上現(xiàn)有的高分辨超聲探測(cè)成像方法受限于成像系統(tǒng)的帶寬和頻率，只能用于寬帶高頻探測(cè)機(jī)制下的超聲高分辨成像。發(fā)射寬帶高頻探測(cè)波進(jìn)行探測(cè)的好處是可以獲得高的縱向分辨率，但是缺點(diǎn)是寬帶高頻探測(cè)波傳播距離有限，其能量隨傳播距離迅速呈指數(shù)衰減很難到達(dá)中遠(yuǎn)場(chǎng)，所以中遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)不易探測(cè)。而在很多應(yīng)用中，遠(yuǎn)場(chǎng)高分辨率的需求尤為重要，如醫(yī)生期望看清人體深部組織信息；工程師需要探測(cè)大型工業(yè)材料內(nèi)部傷裂和雜質(zhì)等。為了滿足遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)的需求，就必須采用低頻窄帶探測(cè)進(jìn)行超聲成像，但面臨的重大科學(xué)難題是基于傳統(tǒng)匹配濾波機(jī)制下的低頻窄帶探測(cè)超聲成像其縱向分辨率非常低， 而上述現(xiàn)有的高分辨成像方法又局限于寬帶高頻探測(cè)超聲成像，在低頻窄帶探測(cè)超聲成像中無(wú)法發(fā)揮作用。其根本原因是發(fā)射低頻窄帶探測(cè)波進(jìn)行探測(cè)的回波數(shù)據(jù)在頻域發(fā)生了混疊，所以現(xiàn)有的高分辨成像方法無(wú)法從混疊的回波數(shù)據(jù)中重構(gòu)出高分辨的影像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的問(wèn)題，提出一種低頻窄帶高分辨超聲探測(cè)成像方法，以從目標(biāo)的混疊信息中重構(gòu)出高分辨率的影像。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是將近來(lái)興起的壓縮感知理論應(yīng)用于超聲探測(cè)成像中， 該壓縮感知CS理論，是信號(hào)處理領(lǐng)域的重大成果，其核心思想是可以從遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣率的有限采樣數(shù)據(jù)中重構(gòu)信號(hào)，而低于奈奎斯特采樣率的信號(hào)其頻域會(huì)發(fā)生混疊，也就是說(shuō)CS可以從混疊的采樣數(shù)據(jù)中恢復(fù)原始信號(hào)，這就為攻克低頻窄帶探測(cè)超聲成像縱向分辨率低的科學(xué)難題帶來(lái)了重大的契機(jī)。根據(jù)這一理論，本發(fā)明首先發(fā)射低頻窄帶探測(cè)波獲取離散的回波數(shù)據(jù)；然后構(gòu)建超聲回波的稀疏基，并構(gòu)建基于壓縮感知的低頻窄帶高分辨超聲成像模型；最后求解模型得到高分辨率的成像，其具體實(shí)現(xiàn)步驟包括如下(1)構(gòu)造離散回波信號(hào)模型(Ia)根據(jù)發(fā)射的低頻窄帶波信號(hào)為8(0，將回波信號(hào)1^)表示為發(fā)射的低頻窄帶波信號(hào)在不同延時(shí)的疊加，即r{t) = Ya CCiSit -T1) + n{t)其中t表示連續(xù)時(shí)間，τ i表示第i個(gè)目標(biāo)的延時(shí)量，N表示目標(biāo)散射點(diǎn)的個(gè)數(shù)， Sa-Ti)表示第i個(gè)目標(biāo)的回波信號(hào)，CIi為表示i個(gè)目標(biāo)的散射系數(shù)，n(t)為加性噪聲；(Ib)對(duì)回波信號(hào)r(t)進(jìn)行采樣，令采樣間隔為T(mén)s= l/fs，其中仁為采樣頻率，得到離散化后的回波信號(hào)IV即Tk =V(UTs) = Yjats(kTs -T1) + nk其中nk = n(kTs)表示離散后的噪聲信號(hào)，s (kTs_ τ》表示第i個(gè)目標(biāo)的離散回波信號(hào)，k表示第k個(gè)采樣點(diǎn)，k= 1,2, L M，M表示采樣個(gè)數(shù)；(2)將離散化后的回波信號(hào)寫(xiě)成矩陣形式，得到回波信號(hào)向量r:r = Lr1, r2, . . . rk,——rM]T = A α +η其中，T表示向量的轉(zhuǎn)置，A是根據(jù)不同目標(biāo)的離散回波信號(hào)s(kTs_Ti)構(gòu)建的稀疏基矩陣，a = La1, a2，... a k, . . . . ]T為超聲探測(cè)成像系數(shù)向量，η = Ln1, n2，...nk，....nM]T為加性噪聲向量；(3)由以上回波信號(hào)向量r，構(gòu)建基于壓縮感知的高分辨率超聲探測(cè)成像模型， 即mmE(p)(al s.t ||r-Aa||^ <C其中min表示最小化，Rn表示N維空間，㈨=H a ^= 。(0<尸< O，ζ為
噪聲方差；(4)按如下迭代加權(quán)最小二乘法對(duì)上述基于壓縮感知的高分辨率超聲探測(cè)成像模型進(jìn)行求解，得到一維高分辨率的超聲探測(cè)成像系數(shù)向量a (4a)初始化-Mk = AV, k = 0, ek, emin = 10_8，其中k表示第k次迭代，乂表示A的偽逆，α k表示當(dāng)前迭代得到的超聲成像系數(shù)向量，ek是一個(gè)可調(diào)參數(shù)，初始設(shè)置在0 1之間，emin表示％在迭代中的最小值；(4b)由α k構(gòu)造系數(shù)的權(quán)值矩陣= diag^ak\ρ是一個(gè)0到1之間
的自然數(shù)，并更新稀疏基矩陣Ak，得到Ak+1 Ak+1 = Affk+1(4c)由 Ak+1 更新 α k,得到 α k+1
權(quán)利要求
1. 一種低頻窄帶高分辨超聲探測(cè)成像方法，包括如下步驟(1)構(gòu)造離散回波信號(hào)模型(Ia)根據(jù)發(fā)射的低頻窄帶波信號(hào)s (t)，將回波信號(hào)r(t)表示為發(fā)射的低頻窄帶波信號(hào)在不同延時(shí)的疊加，即
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低頻窄帶高分辨超聲探測(cè)成像方法，其中步驟( 涉及的根據(jù)不同目標(biāo)的離散回波信號(hào)s (kTs_ τ J構(gòu)建的稀疏基矩陣A，是通過(guò)如下公式構(gòu)建 A = [s (kTs- Δ τ )，s (kTs-2 Δ τ ) K，s (kTs_n Δ τ )，K，s (kTs_L Δ τ )] 其中Δ τ = Ts，Ts表示采樣間隔，k = 1，2，L M，M表示采樣個(gè)數(shù)，η = 1，2，L L，L表示矩陣A的列數(shù)，L = τ _/ Δ τ，這里τ max = max ( τ J，表示最大延時(shí)量，τ ,表示第i個(gè)目標(biāo)的延時(shí)量。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種低頻窄帶超聲探測(cè)成像方法，主要解決低頻窄帶超聲探測(cè)縱向分辨率低的問(wèn)題，其實(shí)現(xiàn)步驟是首先利用超聲探測(cè)器發(fā)射低頻窄帶信號(hào)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，將遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)的回波信號(hào)進(jìn)行采樣離散化；然后由離散化的回波信號(hào)構(gòu)造出稀疏基矩陣，并將回波信號(hào)寫(xiě)成矩陣形式；最后構(gòu)造基于CS的高分辨超聲探測(cè)成像模型，并采用迭代加權(quán)最小二乘法求解模型重構(gòu)出場(chǎng)景目標(biāo)散射系數(shù)，將系數(shù)取模值即得到縱向高分辨的低頻窄帶超聲探測(cè)成像。本發(fā)明相對(duì)傳統(tǒng)的匹配濾波方法，成像的分辨率顯著提高；相對(duì)現(xiàn)有的高分辨成像方法，克服了它們局限于高頻寬帶超聲探測(cè)成像的不足，可用于人體深部組織、大型工業(yè)材料內(nèi)部傷裂和雜質(zhì)等探測(cè)。
文檔編號(hào)G01S7/539GK102279394SQ20111012726
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)明者吳偉佳, 張?zhí)戽I, 沈方芳, 王正楊, 石光明, 趙光輝, 陳旭陽(yáng) 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)