合成孔径聚焦超声成像方法研究

　　1 引言

　　对于一个传统的阵列换能器超声成像系统来说，系统的方位分辨率是由换能器的长度和工作波长决定的，要提高系统的方位分辨率，通常只有两种途径：采用大孔径换能器或应用高的工作频率。但是在很多介质中，随着频率的升高，声波的传播损耗越来越大，其穿透深度越来越小，因此高方位分辨率和大的探测范围就构成了一对矛盾[1]。

　　从合成孔径雷达技术发展过来的合成孔径聚集成像方法突破了以上超声成像系统方位分辨率的经典概念。根据理论分析，合成孔径超声成像系统的方位分辨率是换能器基元尺寸的一半，基元换能器孔径d越小，方位分辨率越高。由此可见，采用合成孔径技术能带来的好处是可以用小孔径的实际基元换能器和较低的工作频率，对位于远处的目标物作具有高方位分辨率的探测、观察。该技术突破了经典概念的限制，解决了直接成像技术中对系统设计参数的一些互相矛盾的要求。

　　本文对合成孔径聚集技术(SAFT)进行了研究，根据换能器阵列的声场辐射理论对成像进行了建模，并利用 MAT-LAB对模型进行了数值仿真，分析了影响成像质量的参数，最后利用超声成像实验系统对标准试块进行了成像实验，实验结果表明，采用合成孔径成像方法能够有效地提高成像的方位分辨率。

　　2 合成孔径聚焦成像原理

　　合成孔径聚焦成像的扫描方式如图1所示，换能器阵列中的基元换能器依次向成像区域发送脉冲信号，并接收和储存检测信号，直到扫描完成[2]。

　　图1中换能器阵元数为N，阵元间距为d，发射孔径距孔径中心的间距为xn，成像点与扫面线垂直的平面偏转角为θ，成像点距孔径中心距离为r，距发射孔径为rn。

　　N阵元的合成孔径延时叠加的表示式为：

　　式中：c为波速;τn可以近似表示为。

　　假设发射信号采用高斯信号，表达式如下式所示：

　　式中：A为发射系数，f0为换能器基频。

　　接收信号的表达式如下所示：

　　式中：τn为接收延迟;K为接收系数，按照高斯分布来确定，τn的计算按前述。

　　合成孔径聚焦原理如图2所示。纵向的竖线代表一个换能器波束，横向的线代表采样扫描线。

　　换能器的超声信号都以一定的扩散角进行发散，一般用信号的-6 dB带宽表示，在图中如θ所示，计算方法如下：

　　从图2中可以看出，对于成像点P1，在扩散角θ作用下，共有5点参与成像，N1，N2，N1'，N2'，P1，N1位于M-1和M之间，所以，对于P1重建点，N1的整数延时系数为0，小数延时系数确定过程如下：