基于相关性的超声合成孔径成像信号相位校正

王硕

摘要：在超声合成孔径成像中，检测物体表面的光滑程度和材质都会影响最终的成像质量。本文为解决非均匀介质和检测表面不平整引起的相位聚焦畸变，研究了一种基于信号相关性校正相位畸变的方法。通过优化估计信号相位偏差量和对比超声回波A扫间的相关性，建立对应优化估计函数对信号进行相位校正。为验证研究方法有效性，对单点目标与多点目标进行实验，并对结果进行峰值信噪比与横向分辨率对比。实验结果表明，文中方法能够提高成像质量，对此类因素产生的相位畸变具有明显改善作用。

关键词：合成孔径;相位校正;相关性

中图分类号：TP18        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）13-0266-03

随着科学技术的发展，工业安全越来越受到各行业的重视。在无损检测领域，超声波探伤技术应用最为广泛。但超声波探伤技术往往受限于检测物体表面粗糙程度以及材料内部结构，导致超声波在物体中传输过程中产生相位偏移现象，同时增加了回波信号的噪声，降低了图像分辨率，使检测结果不能精确的反映出缺陷的位置与大小。

许多研究者一直致力于提高超声合成孔径的成像质量，为此进行了大量的研究。2005年，Caroline Holmes 等提出全矩阵捕获和全聚焦成像技术，通过建模仿真和实验论证了该方法相比其他成像技术有更好的成像分辨率[1]。在2008年，Alan将其拓展到频域，并使其计算速度有所提高[2]。2012年，Y. Tasinkevych和 P.A. Lewin等人采用延时叠加算法应用于超声成像中，波束旁瓣得到了有效抑制，提高了成像质量[3]。近年多家公司已将全聚焦技术应用到实际产品中，并取得良好的效果，例如M2M、AOS、Olympus以及汕超等。

本文通过优化估计信号相位偏差量和对比超声回波A扫间的相关性，建立对应优化估计函数对信号进行相位校正。为验证研究方法有效性，对仿真单点目标与多点目标进行实验，并对结果进行峰值信噪比与横向分辨率对比，验证了方法的有效性。

如图1所示，对所接受的A扫信号加入相应的随机延时，当第N个阵元发射超声信号时，各阵元依次接超声回波信号。最终接收的A扫回波产生的相位差理论上仅与信号传递的路程差有关，但实际的情况还与物体表面的光滑程度及材质等诸多因素有关。本文对设定声速和实际声速之间的差异、目标的非均匀性以及电子噪声造成的误差进行相位屏模拟，得到符合柯尔莫哥洛夫分布的随机相位屏。

加入相位屏后导致A扫信号的相位发生畸变，结果如图2所示：

无相位差及有相位差的两点成像、相差校正后的两点成像。

2 实验结果与分析

实验平台选取Multi2000Pocket超声系统，对超声回波进行采集与分析、检测对象为[CSK-IA]标准试块，实验设定参数如下表所示：

有无相差的单点全聚焦成像结果如下图4 a）和图4 b）：

对加入相位屏后得到的数据进行全聚焦成像，单点与多点成像结果分别如图4（b）、图5 （b）所示。图4（c）与图5（c）分别为经过传统自适应校正后单点与多点成像结果，本文处理结果如图4（d）与5（d）所示。

计算横向分辨率及峰值信噪比对传统方法与本文改进方法进行比较，结果如下表2、表3所示：

从表2可以看出，不论是单点缺陷还是多点缺陷，改进后的相位校正方法得到的超声图像横向分辨率更高。

表3为两种方法校正结果峰值信噪比对比，从表中可以看出，两种方法对原始图像分辨率都有明显的提升，改善了原始图像质量，同时从数据也可看出，本文方法在单点和多点成像结果都优于传统自适应校正方法。

3 结论

本文针对超声合成孔径成像中检测物体表面粗糙程度以及材料内部非均匀介质对超声回波的影响，采用通过优化估计信号相位偏差量和对比超声回波A扫间的相关性，建立对应优化估计函数对信号进行相位校正。实验结果表明，本文方法对于非均匀介质产生的相位畸变具有明显的校正作用。

参考文献：

[1] Holmes C， Drinkwater B W， Wilcox P D. Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit–receive array data for non-destructive evaluation[J]. Ndt& E International， 2005， 38（8）：701-711.

[2]Hunter A J， Drinkwater B W， Wilcox P D.The wavenumber algorithm for full-matrix imaging using an ultrasonic array[J].IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control， 2008， 55（11）：2450-2462.

[3]Tasinkevych Y， Trots I， Nowicki A， et al. Modified synthetic transmit aperture algorithm for ultrasound imaging[J]. Ultrasonics， 2012， 52（2）： 333-342.

【通聯编辑：唐一东】