【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于相控陣超聲應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種超聲相控陣探頭陣列的修復(fù)校正方法。

背景技術(shù)：

超聲陣列換能器由多個(gè)換能器晶片按照一定規(guī)則排列而成，按照一定的時(shí)序激勵(lì)各個(gè)晶片，可以合成需要的各種聲場。超聲相控陣技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲診療、工業(yè)檢測等多個(gè)領(lǐng)域。

但是，陣列換能器在制作過程中，由于加工水平等因素，難免會(huì)有尺寸誤差、間距誤差的存在；并且，在使用過程中，由于操作不當(dāng)、陣元老化等原因，會(huì)造成陣元輻射效率降低、甚至失效。這些尺寸誤差以及陣元失效會(huì)影響整個(gè)陣列換能器聲場的合成，使輻射聲場與設(shè)計(jì)聲場產(chǎn)生誤差，影響相關(guān)的應(yīng)用效果。

目前，對于陣列陣元尺寸誤差和間距誤差的處理方法是提高陣列的制造精度，而對于陣元失效的處理方法只能是更換整個(gè)陣列。這樣的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本太高，且不利于快速解決在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種超聲相控陣探頭陣列的修復(fù)校正方法，能對由于陣元尺寸誤差和輻射效率誤差引起的聲場偏差進(jìn)行校正，使非標(biāo)準(zhǔn)陣列的輻射聲場接近理想陣列的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對陣列陣元的快速校正。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種超聲相控陣探頭陣列的修復(fù)校正方法，包括以下步驟：

步驟1、利用聲場疊加原理計(jì)算在正常激勵(lì)情況下，標(biāo)準(zhǔn)陣列在空間多個(gè)點(diǎn)的聲壓分布p1(x,y)，p1(x,y)作為校正基準(zhǔn)；

步驟2、設(shè)置陣列中某幾個(gè)陣元失效，不輻射聲波，利用基于自適應(yīng)算法的校正程序，從非標(biāo)準(zhǔn)陣列的第一個(gè)陣元開始分別計(jì)算各個(gè)陣元的校正系數(shù)，利用循環(huán)改變被較正陣元校正系數(shù)，調(diào)整其激勵(lì)參數(shù)，其他陣元保持原有激勵(lì)方式，計(jì)算相應(yīng)的聲場分布p2(x,y)，當(dāng)非標(biāo)準(zhǔn)陣列的聲場分布p2(x,y)和標(biāo)準(zhǔn)聲場的各點(diǎn)聲壓分布p1(x,y)誤差的均方根值達(dá)到最小，保存對應(yīng)的校正系數(shù)；在下一個(gè)陣元校正中，循環(huán)改變當(dāng)前較正陣元的校正系數(shù)，利用前面已經(jīng)得到的參數(shù)作為對應(yīng)陣元的激勵(lì)參數(shù)，保持其它陣元激勵(lì)方式不變，達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，保存校正參數(shù)；循環(huán)完成所有陣元的校正，校正參數(shù)計(jì)算完畢；

步驟3、再以計(jì)算所得校正參數(shù)作為各陣元激勵(lì)參數(shù)初始值，重復(fù)第一次校正循環(huán)，得到更準(zhǔn)確的校正系數(shù)；

步驟4、將計(jì)算得到的各個(gè)陣元的校正系數(shù)，作為對應(yīng)陣元的激勵(lì)參數(shù)對非標(biāo)準(zhǔn)陣列的輻射聲場進(jìn)行校正。

進(jìn)一步，根據(jù)聲峰值振幅誤差比paer評價(jià)經(jīng)過激勵(lì)優(yōu)化后的非標(biāo)準(zhǔn)陣列聲場分布情況，

其中pmax為標(biāo)準(zhǔn)陣列聲場中聲壓最大值，rmse為標(biāo)準(zhǔn)陣列與非標(biāo)準(zhǔn)陣列聲場各點(diǎn)聲壓的均方根誤差值：

式中pb(i,j)為有限元仿真實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)陣列的聲壓分布，pa(i,j)為非標(biāo)準(zhǔn)陣列的聲壓分布，i和j分別為整個(gè)聲場中聲壓采樣點(diǎn)在采樣區(qū)橫縱坐標(biāo)上的最大值。

進(jìn)一步，步驟2中從第一個(gè)陣元開始估計(jì)校正參數(shù)，保持其他陣元激勵(lì)情況不變，循環(huán)改變第一個(gè)陣元的校正系數(shù)，初始值為0，步長為0.0001。

本發(fā)明的超聲相控陣探頭陣列的修復(fù)校正方法，利用聲場疊加原理計(jì)算在正常激勵(lì)情況下，標(biāo)準(zhǔn)陣列在空間多個(gè)點(diǎn)的聲壓分布，作為校正基準(zhǔn)，利用基于自適應(yīng)算法的校正程序，從非標(biāo)準(zhǔn)陣列的第一個(gè)陣元開始分別計(jì)算各個(gè)陣元的校正系數(shù)，利用循環(huán)改變被較正陣元校正系數(shù)，調(diào)整其激勵(lì)參數(shù)，循環(huán)完成所有陣元的校正，校正參數(shù)計(jì)算完畢。再以程序所得校正參數(shù)作為各陣元激勵(lì)參數(shù)初始值，重復(fù)第一次校正循環(huán)，得到更準(zhǔn)確的校正系數(shù)，將計(jì)算得到的各個(gè)陣元的校正系數(shù)，作為對應(yīng)陣元的激勵(lì)參數(shù)，對非標(biāo)準(zhǔn)陣列的輻射聲場進(jìn)行校正。

本發(fā)明從改變修正每個(gè)陣元的激勵(lì)參數(shù)(激勵(lì)幅度和相位)的角度，對陣列換能器輻射聲場進(jìn)行校正修復(fù)，能對由于陣元尺寸誤差和輻射效率誤差引起的聲場偏差進(jìn)行校正，減小由于陣元誤差和陣元失效帶來的聲場偏差，使聲場分布接近、達(dá)到理想陣列的聲場設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對陣列陣元的快速校正，校正效率高，降低超聲相控陣修復(fù)、校正成本。

【附圖說明】

圖1自適應(yīng)算法框圖

圖2自適應(yīng)聲場優(yōu)化算法流程圖

圖3標(biāo)準(zhǔn)陣列換能器輻射聲場

(a1)平面聲場瞬時(shí)聲壓圖；(a2)平面聲場指向性

(b1)聚焦聲場瞬時(shí)聲壓圖；(b2)聚焦聲場指向性

圖4非標(biāo)準(zhǔn)陣列換能器輻射聲場

(a1)平面聲場瞬時(shí)聲壓圖；(a2)平面聲場指向性

(b1)聚焦聲場瞬時(shí)聲壓圖；(b2)聚焦聲場指向性

圖5參考點(diǎn)數(shù)對校正結(jié)果的影響

圖6兩陣元失效陣列換能器較正后輻射聲場

(a1)平面聲場瞬時(shí)聲壓圖；(a2)平面聲場指向性

(b1)聚焦聲場瞬時(shí)聲壓圖；(b2)聚焦聲場指向性

【具體實(shí)施方式】

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明提出通過利用自適應(yīng)算法調(diào)整陣元激勵(lì)參數(shù)的方式對陣列進(jìn)行校正。自適應(yīng)算法是根據(jù)某種判據(jù)調(diào)整一定的加權(quán)系數(shù)，使得輸入輸出信號(hào)之間按照這個(gè)判據(jù)的誤差最優(yōu)的濾波估計(jì)算法。一般有迫零算法，最陡下降算法，最小均方算法(leastmeansquare，簡稱lms算法)，遞歸最小二乘算法(recursiveleast-squares,簡稱rls算法)，以及各種盲均衡算法等。本發(fā)明采用常用的lms算法。自適應(yīng)濾波器原理框圖如圖1所示，如果期望信號(hào)d(t)與由濾波器輸入信號(hào)x(t)激勵(lì)的濾波器輸出信號(hào)y(t)之差的均方根值ε(t)，未達(dá)到最小或最優(yōu)，通過迭代算法調(diào)整加權(quán)系數(shù)ω(t)，直至ε(t)達(dá)到最小或者最優(yōu)。

如圖2所示，本發(fā)明基于自適應(yīng)方法的聲場優(yōu)化算法流程如下：

步驟1、設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)陣列，利用聲疊加原理，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)陣列在空間點(diǎn)的聲壓分布p1(x,y)，p1(x,y)作為校正目標(biāo)；

步驟2、設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)陣列中的某幾個(gè)陣元失效，不輻射聲波；

從第一個(gè)陣元開始估計(jì)校正參數(shù)，保持其他陣元激勵(lì)情況不變，循環(huán)改變第一個(gè)陣元的校正系數(shù)k'(i,j)，初始值為0，步長為0.0001，利用校正系數(shù)調(diào)整陣元的激勵(lì)參數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的聲場分布p2(x,y)，計(jì)算p2(x,y)與標(biāo)準(zhǔn)聲壓分布p1(x,y)的均方根誤差，并與前一次校正系數(shù)的結(jié)果比較；如果均方根誤差ε(j)變大，則前一次校正結(jié)果為最佳，保存相應(yīng)的校正系數(shù)，k(i)＝k'(i,j-1)；如果循環(huán)完成，均方根誤差沒有變化，則令k(i)＝1，完成該陣元校正參數(shù)估計(jì)，進(jìn)入下一陣元的校正，循環(huán)完成整個(gè)陣列陣元校正參數(shù)估計(jì)。

通過多次對比，一般優(yōu)化2-3次以上，校正參數(shù)更新數(shù)據(jù)基本不變，誤差達(dá)到最優(yōu)。因此，在第一次校正參數(shù)估計(jì)完成后，以保存的參數(shù)為基準(zhǔn)，進(jìn)行第二次校正。

為了評價(jià)經(jīng)過激勵(lì)優(yōu)化后的非標(biāo)準(zhǔn)陣列聲場分布情況，提出聲峰值振幅誤差比paer(peakamplitudetoerrorratio)作為評價(jià)聲場優(yōu)化誤差的判據(jù)，如式(1)。

其中pmax為標(biāo)準(zhǔn)陣列聲場中聲壓最大值，rmse為標(biāo)準(zhǔn)陣列與非標(biāo)準(zhǔn)陣列聲場各點(diǎn)聲壓的均方根誤差值：

式中pb(i,j)為有限元仿真實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)陣列的聲壓分布，pa(i,j)為非標(biāo)準(zhǔn)陣列的聲壓分布，i和j分別為整個(gè)聲場中聲壓采樣點(diǎn)在采樣區(qū)橫縱坐標(biāo)上的最大值。

利用仿真試驗(yàn)，對該方法進(jìn)行驗(yàn)證，步驟如下：

為不失一般性，我們研究陣列換能器各陣元同相激勵(lì)產(chǎn)生的平面波疊加聲場和根據(jù)相控陣聚焦原理對各陣元進(jìn)行相應(yīng)的相位延時(shí)激勵(lì)得到的偏轉(zhuǎn)聚焦疊加聲場兩類分布情況。

設(shè)置線陣換能器參數(shù)為：陣元聲速c＝6260m/s，陣元個(gè)數(shù)n＝32，陣元間距b＝4mm，陣元寬度a＝2mm，聲波頻率f＝50khz，激勵(lì)聲壓振幅p＝10000pa。對32個(gè)陣元同相位激勵(lì)，得到均勻線陣的兩種聲場圖如圖3所示，圖3(a1)平面聲場瞬時(shí)聲壓圖；圖3(a2)平面聲場指向性；圖3(b1)聚焦聲場瞬時(shí)聲壓圖；圖3(b2)聚焦聲場指向性。

假設(shè)陣列換能器有兩個(gè)失效陣元，各陣元與上述標(biāo)準(zhǔn)陣列相同。設(shè)置失效陣元為第16個(gè)陣元和第17個(gè)陣元，控制這兩個(gè)陣元不被激勵(lì)輻射聲波，其他陣元正常輻射聲波。對陣列分別進(jìn)行相應(yīng)的同相位激勵(lì)和相位延時(shí)激勵(lì)，得到對應(yīng)的兩種聲場分布和有效聲壓指向性圖為圖4。

針對通常超聲相控陣聲場的應(yīng)用范圍，我們選擇聲場分布中較大的且最主要的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化研究：取圖4(a1)中x方向-100mm到100mm的寬度范圍，y方向5mm到170mm的高度范圍，每1mm為一個(gè)采樣點(diǎn)，得到i＝201列，j＝166行，這樣一個(gè)聲壓采樣區(qū)域。

校正方法是按照上述陣元失效的假設(shè)情況，得到非標(biāo)準(zhǔn)陣列換能器聲場中對應(yīng)空間多個(gè)點(diǎn)的聲壓值。按照圖2所示的程序流程，以非標(biāo)準(zhǔn)陣列和標(biāo)準(zhǔn)陣列的聲壓誤差均方根值ε(m)達(dá)到最小為判斷標(biāo)準(zhǔn)，得到各陣元的校正系數(shù)k(n)。將k(n)應(yīng)用于有限元仿真，調(diào)整各陣元的激勵(lì)參數(shù)，獲得經(jīng)過校正優(yōu)化的非標(biāo)準(zhǔn)陣列的聲壓分布，通過分析該聲場分布與標(biāo)準(zhǔn)陣列聲壓分布圖4(a1)的聲峰值振幅誤差比(paer)，分析校正參數(shù)對非標(biāo)準(zhǔn)陣列的校正優(yōu)化效果。

圖4(a2)平面聲場指向性，圖4(b1)聚焦聲場瞬時(shí)聲壓圖；圖4(b2)聚焦聲場指向性；很顯然，空間參考點(diǎn)位置和數(shù)量的選擇直接與校正效果相關(guān)。但是，如果選擇采樣區(qū)域中全部點(diǎn)作為校正參考點(diǎn)，計(jì)算量非常大，也不現(xiàn)實(shí)。我們探討利用聲場分布中最少的參考點(diǎn)，達(dá)到最優(yōu)的優(yōu)化校正效果。為探討最佳的校正參考點(diǎn)的選擇，我們在自適應(yīng)程序中分別選擇距離陣列l(wèi)＝10mm,20mm,30mm,40mm,50mm(l1,l2,l3,l4,l5)的5條平行線作為參考線，在每條參考線上設(shè)置數(shù)量為num，間距均勻分布的參考點(diǎn)，分別估計(jì)對應(yīng)的校正系數(shù)。根據(jù)校正系數(shù)改變非標(biāo)準(zhǔn)陣列各陣元的激勵(lì)幅度，在有限元仿真中，得到校正后的聲場分布，與標(biāo)準(zhǔn)陣列仿真聲場比較，得到paer。

這樣，每條參考線上參考點(diǎn)的個(gè)數(shù)占采樣區(qū)域橫向總點(diǎn)數(shù)的比例(num/i)和校正后聲場的paer的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。圖中l(wèi)1-l5分別表示距離陣列l(wèi)＝10mm,20mm,30mm,40mm,50mm的參考線對應(yīng)的paer。

經(jīng)過對校正點(diǎn)的最優(yōu)選擇，兼顧優(yōu)化較正效果、運(yùn)算效率以及算法穩(wěn)定性，取l＝20mm這條參考線上80個(gè)參考點(diǎn)(即選擇了40％的參考點(diǎn)數(shù)量)計(jì)算得到的各陣元的校正系數(shù)。按照非標(biāo)準(zhǔn)陣列的仿真參數(shù)，保持相應(yīng)平面聲場和偏轉(zhuǎn)聚焦聲場的相位延時(shí)激勵(lì)。利用校正系數(shù)，對應(yīng)調(diào)整各個(gè)陣元的激勵(lì)參數(shù)，得到校正后非標(biāo)準(zhǔn)陣列的聲場圖如圖6所示，圖6(a1)平面聲場瞬時(shí)聲壓圖；圖6(a2)平面聲場指向性；圖6(b1)聚焦聲場瞬時(shí)聲壓圖；圖6(b2)聚焦聲場指向性，表1是三種陣列的聲場數(shù)據(jù)。

表1陣列換能器聲場分布情況

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，通過上述說明內(nèi)容，本技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)工作人員可以在不偏離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，進(jìn)行多樣的改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。