專利名稱：低頻窄帶高分辨超聲探測成像方法
技術領域：
本發明屬于超聲探測領域，特別是一種低頻窄帶高分辨超聲探測成像方法，適合于獲取常規超聲無法探測到的遠場信息，得到遠場目標的高分辨率成像，從而為決策者提供更有效的信息。
背景技術：
眾所周知，超聲成像因無創傷，經濟且安全已被廣泛應用于醫療診斷、工業探傷、 海洋水下探測等。為了獲得更多的觀測對象信息，高清晰度/高分辨率超聲影像一直是人們追求的目標。在工業探傷中，高分辨率甚至超高分辨率的超聲影像是發現微小有害傷損和雜質的重要保證；在海防目標探測中，高分辨率超聲影像是正確識別敵方目標的前提。為了提高超聲探測成像的分辨率，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現高分辨。1964年，Harr的文章 "Diffraction and Resolving Power”奠定了高分辨成像的基礎，他首次采用信號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波束形成方法，如F. Viola等在文獻 "Time-Domain Optimized Near-Field Estimator for Ultrasound Imaging Initial Development and result”提出了一種新的自適應波束形成的方法應用于醫學超聲，獲得了超聲成像分辨率的提高。以上現有的高分辨超聲探測成像方法受限于成像系統的帶寬和頻率，只能用于寬帶高頻探測機制下的超聲高分辨成像。發射寬帶高頻探測波進行探測的好處是可以獲得高的縱向分辨率，但是缺點是寬帶高頻探測波傳播距離有限，其能量隨傳播距離迅速呈指數衰減很難到達中遠場，所以中遠場目標不易探測。而在很多應用中，遠場高分辨率的需求尤為重要，如醫生期望看清人體深部組織信息；工程師需要探測大型工業材料內部傷裂和雜質等。為了滿足遠場探測的需求，就必須采用低頻窄帶探測進行超聲成像，但面臨的重大科學難題是基于傳統匹配濾波機制下的低頻窄帶探測超聲成像其縱向分辨率非常低， 而上述現有的高分辨成像方法又局限于寬帶高頻探測超聲成像，在低頻窄帶探測超聲成像中無法發揮作用。其根本原因是發射低頻窄帶探測波進行探測的回波數據在頻域發生了混疊，所以現有的高分辨成像方法無法從混疊的回波數據中重構出高分辨的影像。
發明內容
本發明的目的在于針對上述已有技術的問題，提出一種低頻窄帶高分辨超聲探測成像方法，以從目標的混疊信息中重構出高分辨率的影像。實現本發明的技術方案是將近來興起的壓縮感知理論應用于超聲探測成像中， 該壓縮感知CS理論，是信號處理領域的重大成果，其核心思想是可以從遠低于奈奎斯特采樣率的有限采樣數據中重構信號，而低于奈奎斯特采樣率的信號其頻域會發生混疊，也就是說CS可以從混疊的采樣數據中恢復原始信號，這就為攻克低頻窄帶探測超聲成像縱向分辨率低的科學難題帶來了重大的契機。根據這一理論，本發明首先發射低頻窄帶探測波獲取離散的回波數據；然后構建超聲回波的稀疏基，并構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，其具體實現步驟包括如下(1)構造離散回波信號模型(Ia)根據發射的低頻窄帶波信號為8(0，將回波信號1^)表示為發射的低頻窄帶波信號在不同延時的疊加，即r{t) = Ya CCiSit -T1) + n{t)其中t表示連續時間，τ i表示第i個目標的延時量，N表示目標散射點的個數， Sa-Ti)表示第i個目標的回波信號，CIi為表示i個目標的散射系數，n(t)為加性噪聲；(Ib)對回波信號r(t)進行采樣，令采樣間隔為Ts= l/fs，其中仁為采樣頻率，得到離散化后的回波信號IV即Tk =V(UTs) = Yjats(kTs -T1) + nk其中nk = n(kTs)表示離散后的噪聲信號，s (kTs_ τ》表示第i個目標的離散回波信號，k表示第k個采樣點，k= 1,2, L M，M表示采樣個數；(2)將離散化后的回波信號寫成矩陣形式，得到回波信號向量r:r = Lr1, r2, . . . rk,——rM]T = A α +η其中，T表示向量的轉置，A是根據不同目標的離散回波信號s(kTs_Ti)構建的稀疏基矩陣，a = La1, a2，... a k, . . . . ]T為超聲探測成像系數向量，η = Ln1, n2，...nk，....nM]T為加性噪聲向量；(3)由以上回波信號向量r，構建基于壓縮感知的高分辨率超聲探測成像模型， 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)按如下迭代加權最小二乘法對上述基于壓縮感知的高分辨率超聲探測成像模型進行求解，得到一維高分辨率的超聲探測成像系數向量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表示當前迭代得到的超聲成像系數向量，ek是一個可調參數，初始設置在0 1之間，emin表示％在迭代中的最小值；(4b)由α k構造系數的權值矩陣= diag^ak\ρ是一個0到1之間
的自然數，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
權利要求
1. 一種低頻窄帶高分辨超聲探測成像方法，包括如下步驟(1)構造離散回波信號模型(Ia)根據發射的低頻窄帶波信號s (t)，將回波信號r(t)表示為發射的低頻窄帶波信號在不同延時的疊加，即
2.根據權利要求1所述的低頻窄帶高分辨超聲探測成像方法，其中步驟( 涉及的根據不同目標的離散回波信號s (kTs_ τ J構建的稀疏基矩陣A，是通過如下公式構建 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表示采樣個數，η = 1，2，L L，L表示矩陣A的列數，L = τ _/ Δ τ，這里τ max = max ( τ J，表示最大延時量，τ ,表示第i個目標的延時量。
全文摘要
本發明公開了一種低頻窄帶超聲探測成像方法，主要解決低頻窄帶超聲探測縱向分辨率低的問題，其實現步驟是首先利用超聲探測器發射低頻窄帶信號對遠場目標進行探測，將遠場目標的回波信號進行采樣離散化；然后由離散化的回波信號構造出稀疏基矩陣，并將回波信號寫成矩陣形式；最后構造基于CS的高分辨超聲探測成像模型，并采用迭代加權最小二乘法求解模型重構出場景目標散射系數，將系數取模值即得到縱向高分辨的低頻窄帶超聲探測成像。本發明相對傳統的匹配濾波方法，成像的分辨率顯著提高；相對現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成像的不足，可用于人體深部組織、大型工業材料內部傷裂和雜質等探測。
文檔編號G01S7/539GK102279394SQ20111012726
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月17日 優先權日2011年5月17日
發明者吳偉佳, 張天鍵, 沈方芳, 王正楊, 石光明, 趙光輝, 陳旭陽 申請人:西安電子科技大學