數(shù)字超聲成像原理和架構(gòu)體系設(shè)計(jì)

前言

第1章緒論

1.1超聲成像的背景與意義

1.2超聲成像方法的現(xiàn)狀

1.3波束形成技術(shù)

參考文獻(xiàn)

第2章數(shù)字超聲的基礎(chǔ)理論與成像原理

2.1數(shù)字8型超聲成像系統(tǒng)原理

2.2超聲成像基礎(chǔ)理論

2.2.1超聲波產(chǎn)生與接收原理

2.2.2超聲波信號的特性

2.2.3超聲波的反射、折射和散射

2.2.4超聲波的衰減

2.2.5超聲波聲場特性

2.3高速采樣的AD轉(zhuǎn)換

2.4時問增益控制

2.5超聲成像質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)

2.5.t軸向分辨率

2.5.2橫向分辨率

2.5.3對比度

2.5.4時間分辨率

2.5.5動態(tài)范圍

參考文獻(xiàn)

第3章數(shù)字超聲硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

3.1數(shù)字8型超聲系統(tǒng)的原理

3.2超聲發(fā)射電路

3.3超聲掃描線的生成

3.3.1超聲掃查的原理

3.3.2間隔掃查方法

3.3.3收發(fā)交叉掃查方法

3.3.4收發(fā)間隔交叉掃查方法

3.3.5飛越掃查方法

3.4發(fā)射陣列開關(guān)

3.4.1發(fā)射陣列

3.4.2超聲發(fā)射信號的整序網(wǎng)絡(luò)

3.4.3超聲發(fā)射信號的產(chǎn)生

3.5 TR接收電路

3.6時間增益控制電路

3.6.1時間增益控制原理

3.6.2時間增益控制電路的設(shè)計(jì)

3.7高速AD轉(zhuǎn)換

3.8接收整序網(wǎng)絡(luò)

參考文獻(xiàn)

第4章數(shù)字波束合成技術(shù)

4.1延時疊加波束形成

4.2聚焦技術(shù)

4.2.1聚焦技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程

4.2.2聲場分布的計(jì)算

4.2.3凸陣探頭的仿真

4.2.4超聲圖像的仿真

4.3動態(tài)聚焦的工程實(shí)現(xiàn)方法

4.4非均勻采樣法動態(tài)聚焦

4.5均勻采樣內(nèi)插法動態(tài)聚焦

4.5.1聚焦延時參數(shù)實(shí)時修正的產(chǎn)生方法

4.5.2聚焦延時參數(shù)的壓縮存儲與實(shí)時生成方法

4.5.3逐點(diǎn)聚焦算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

4.5.4改進(jìn)聚焦算法的性能分析與討論

4.6數(shù)字多波束逐點(diǎn)聚焦技術(shù)

4.7幅度變跡技術(shù)

4.7.1單一幅度變跡

4.7.2分段動態(tài)變跡技術(shù)的研究

4.7.3動態(tài)幅度變跡技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

4.8動態(tài)孔徑技術(shù)

4.8.1動態(tài)孑L徑的優(yōu)點(diǎn)

4.8.2動態(tài)孔徑的原理及實(shí)現(xiàn)算法

4.8.3仿真成像

4.9動態(tài)孔徑與動態(tài)聚焦延時參數(shù)的融合設(shè)計(jì)

4.9.1聚焦延時的計(jì)算

4.9.2動態(tài)孔徑控制方法

4.9.3融合動態(tài)孔徑聚焦延時參數(shù)的壓縮

4.9.4 Geabm實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集成像

參考文獻(xiàn)

第5章超聲回波信號的處理技術(shù)

5.1動態(tài)濾波技術(shù)

5.1.1數(shù)字濾波器

5.1.2動態(tài)濾波器設(shè)計(jì)

5.1.3動態(tài)濾波器的FPGA實(shí)現(xiàn)

5.2包絡(luò)檢測技術(shù)

5.3對數(shù)壓縮技術(shù)

參考文獻(xiàn)

第6章超聲的數(shù)字圖像處理技術(shù)

6.1數(shù)字掃描變換技術(shù)

6.1.1坐標(biāo)變換

6.1.2線性插值

6.2圖像的幀相關(guān)

參考文獻(xiàn)

第7章基于虛擬陣元的超聲成像雙聚焦波束合成

7.1基于虛擬陣元的雙聚焦波束合成方法

7.2波束合成器BF1的延遲參數(shù)計(jì)算

7.3波束合成器BF2的延遲參數(shù)計(jì)算

7.4仿真結(jié)果及討論

參考文獻(xiàn)

第8章 自適應(yīng)波束合成算法

8.1標(biāo)準(zhǔn)的最小方差波束合成算法

8.2穩(wěn)健的自適應(yīng)加權(quán)波束合成算法

8.2.1對角加載法

8.2.2空間平滑法

8.2.3特征空間法

8.2.4廣義相干系數(shù)

8.3最小方差波束合成與基于最小方差相干系數(shù)融合的超聲成像方法

8.4基于特征空間的前后向最小方差波束合成

8.5仿真結(jié)果及討論

8.5.1傳統(tǒng)延時疊加成像

8.5.2最小方差波束合成與基于最小方差相干系數(shù)融合的成像

8.5.3基于特征空間的前后向最小方差波束合成的成像

參考文獻(xiàn)

第9章Chirp碼與自適應(yīng)加權(quán)融合的魯棒雙聚焦超聲波束合成

9.1 Chirp編碼信號

9.2匹配濾波器與脈沖壓縮

9.3基于Chirp碼與自適應(yīng)加權(quán)的魯棒超聲雙聚焦波束合成

9.4仿真結(jié)果及討論

參考文獻(xiàn)

第l0章數(shù)字超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的若干問題與解決方法

10.1控制策略與性價比的問題

10.1.1分時復(fù)用的四波束控制策略

10.1.2數(shù)據(jù)碼流的降頻處理問題

10.2超聲硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的噪聲問題

10.2.1超聲硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布局問題

10.2.2超聲電路的元器件參數(shù)選擇問題

10.2.3超聲電路中的電源波動引入噪聲問題

10.2.4超聲電路中信號傳輸阻抗匹配問題

10.2.5超聲電路中的信號串?dāng)_問題

10.2.6超聲回波信號的屏蔽問題

10.2.7超聲電路中的信號隔離與共地問題

10.3高速AD轉(zhuǎn)換器的時鐘設(shè)計(jì)

10.3.1 AD轉(zhuǎn)換器時鐘的抖動問題

10.3.2抑制Al）轉(zhuǎn)換器時鐘的抖動

10.3.3多路AD轉(zhuǎn)換器同步時鐘的設(shè)計(jì)

10.4高速LVDS串行接口

10.4.1 AFE5805的I.VDS數(shù)據(jù)連接

10.4.2 1.VDS數(shù)據(jù)線的匹配設(shè)計(jì)

10.4.3 LVDS數(shù)據(jù)的串行接收

10.4.4 LVDS數(shù)據(jù)的測試與分析

參考文獻(xiàn)

第11章超聲彈性成像基本原理和成像關(guān)鍵方程

第12章聲波與聲子晶體

第13章彈性波在介質(zhì)中的傳播成像及NCB法正則參數(shù)的選擇

第14章NCB正則化Lanczos超聲反卷積大規(guī)模逆成像

第15章基于光流的超聲心動圖心肌運(yùn)動與變形分析

《數(shù)字超聲成像原理和架構(gòu)體系設(shè)計(jì)》在超聲成像的硬件和體系構(gòu)架設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，以犅型超聲成像系統(tǒng)為主要分析對象，詳細(xì)介紹了數(shù)字超聲成像中寬頻帶傳感器、高速前端犃犇轉(zhuǎn)換、數(shù)字波束合成、回波信號的處理技術(shù)、圖像顯示處理、可控波形編碼發(fā)射、線性調(diào)頻波、犌狅犾犪狔互補(bǔ)碼和犅犪狉犽犲狉碼等編碼技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及合成孔徑成像等方面的研究內(nèi)容，重點(diǎn)介紹了數(shù)字聲束合成技術(shù)。針對超聲傳播的獨(dú)特性，《數(shù)字超聲成像原理和架構(gòu)體系設(shè)計(jì)》還涉及聲傳播的基礎(chǔ)理論和超聲彈性成像方面的內(nèi)容。

《數(shù)字超聲成像原理和架構(gòu)體系設(shè)計(jì)》在作者多年對數(shù)字超聲成像技術(shù)較為全面的研究基礎(chǔ)上，總結(jié)了作者在寬頻帶傳感器、高速前端AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字波束合成、回波信號的處理技術(shù)、圖像顯示處理、可控波形編碼發(fā)射、線性調(diào)頻波、Golay互補(bǔ)碼和Barker碼等編碼技術(shù)的應(yīng)用，以及對組織彈性成像、合成孔徑成像、波束形成技術(shù)等方面的研究內(nèi)容，力求全面描述發(fā)展迅速的數(shù)字超聲成像的理論與實(shí)際設(shè)計(jì)方法。本書還提供了大量實(shí)例和電路供讀者參考。本書由何為、王平、羅曉華著。

《超聲成像檢測方法的研究與實(shí)現(xiàn)》系統(tǒng)介紹了超聲檢測的基本概念、成像原理、成像方法以及有關(guān)研究的新成果?！冻暢上駲z測方法的研究與實(shí)現(xiàn)》共分為7章，主要內(nèi)容包括C掃描成像、透射層析成像、散射層析成像和反演圖像的處理等四部分。第一部分主要研究C掃描成像顯示方法，并對超聲C掃描成像檢測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；第二部分主要研究幾何聲學(xué)理論，實(shí)現(xiàn)基于射線理論的層析重建；第三部分主要研究波動聲學(xué)理論，通過建立散射場的代數(shù)描述，轉(zhuǎn)換為不適定問題的求解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)層析重建；第四部分是對超聲反演圖像的處理部分，主要完成圖像的降噪與分割處理。

《超聲成像檢測方法的研究與實(shí)現(xiàn)》可作為普通高等院校信息類等相關(guān)專業(yè)本科生或研究生教材，也可作為相關(guān)科研與工程技術(shù)人員的參考書。

超聲波在被檢測材料中傳播時,材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)稱為超聲檢測。超聲檢測方法通常有穿透法、脈沖反射法、串列法等。

數(shù)字式超聲波探傷儀現(xiàn)在通常是對被測物體（比如工業(yè)材料、人體）發(fā)射超聲，然后利用其反射、多普勒效應(yīng)、透射等來獲取被測物體內(nèi)部的信息并經(jīng)過處理形成圖像。超聲波探傷儀其中多普勒效應(yīng)法是利用超聲在遇到運(yùn)動的物體時發(fā)生的多普勒頻移效應(yīng)來得出該物體的運(yùn)動方向和速度等特性；透射法則是通過分析超聲穿透過被測物體之后的變化而得出物體的內(nèi)部特性的，其應(yīng)用還處于研制階段； 超聲波探傷儀這里主要介紹的是應(yīng)用最多的通過反射法來獲取物體內(nèi)部特性信息的方法。 反射法是基于超聲在通過不同聲阻抗組織界面時會發(fā)生較強(qiáng)反射的原理工作的，正如我們所知道，聲波在從一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)的時候在兩者之間的界面處會發(fā)生反射，而且介質(zhì)之間的差別越大反射就會越大，所以我們可以對一個物體發(fā)射出穿透力強(qiáng)、能夠直線傳播的超聲波， 超聲波探傷儀 然后對反射回來的超聲波進(jìn)行接收并根據(jù)這些反射回來的超聲波的先后、幅度等情況就可以判斷出這個組織中含有的各種介質(zhì)的大小、分布情況以及各種介質(zhì)之間的對比差別程度等信息（其中反射回來的超聲波的先后可以反映出反射界面離探測表面的距離，幅度則可以反映出介質(zhì)的大小、對比差別程度等特性），超聲波探傷儀從而判斷出該被測物體是否有異常。 在這個過程中就涉及到很多方面的內(nèi)容，包括超聲波的產(chǎn)生、接收、信號轉(zhuǎn)換和處理等。其中產(chǎn)生超聲波的方法是通過電路產(chǎn)生激勵電信號傳給具有壓電效應(yīng)的晶體（比如石英、硫酸鋰等），使其振動從而產(chǎn)生超聲波；而接收反射回來的超聲波的時候，這個壓電晶體又會受到反射回來的聲波的壓力而產(chǎn)生電信號并傳送給信號處理電路進(jìn)行一系列的處理，超聲波探傷儀最后形成圖像供人們觀察判斷。 這里根據(jù)圖像處理方法（也就是將得到的信號轉(zhuǎn)換成什么形式的圖像）的種類又可以分為A型顯示、M型顯示、B型顯示、C型顯示、F型顯示等。其中A型顯示是將接收到的超聲信號處理成波形圖像，根據(jù)波形的形狀可以看出被測物體里面是否有異常和缺陷在那里、有多大等， 超聲波探傷儀主要用于工業(yè)檢測；M型顯示是將一條經(jīng)過輝度處理的探測信息按時間順序展開形成一維的"空間多點(diǎn)運(yùn)動時序圖"，適于觀察內(nèi)部處于運(yùn)動狀態(tài)的物體，超聲波探傷儀如運(yùn)動的臟器、動脈血管等；B型顯示是將并排很多條經(jīng)過輝度處理的探測信息組合成的二維的、反映出被測物體內(nèi)部斷層切面的"解剖圖像"（醫(yī)院里使用的B超就是用這種原理做出來的），超聲波探傷儀適于觀察內(nèi)部處于靜態(tài)的物體；而C型顯示、F型顯示現(xiàn)在用得比較少。 超聲波探傷儀檢測不但可以做到非常準(zhǔn)確，而且相對其他檢測方法來說更為方便、快捷，也不會對檢測對象和操作者產(chǎn)生危害，所以受到了人們越來越普遍的歡迎，有著非常廣闊的發(fā)展前景。

超聲波在被檢測材料中傳播時,材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)稱為超聲檢測。超聲檢測方法通常有穿透法、脈沖反射法、串列法等。

數(shù)字式超聲波探傷儀通常是對被測物體（比如工業(yè)材料、人體）發(fā)射超聲，然后利用其反射、多普勒效應(yīng)、透射等來獲取被測物體內(nèi)部的信息并處理成圖像。

超聲波探傷儀其中多普勒效應(yīng)法是利用超聲在遇到運(yùn)動的物體時發(fā)生的多普勒頻移效應(yīng)來得出該物體的運(yùn)動方向和速度等特性；透射法則是通過分析超聲穿透過被測物體之后的變化而得出物體的內(nèi)部特性的，其應(yīng)用目前還處于研制階段；這里介紹的是目前應(yīng)用最多的通過反射法來獲取物體內(nèi)部特性信息的方法。

反射法是基于超聲在通過不同聲阻抗組織界面時會發(fā)生較強(qiáng)反射的原理工作的，正如我們所知道，聲波在從一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)的時候在兩者之間的界面處會發(fā)生反射，而且介質(zhì)之間的差別越大反射就會越大，所以我們可以對一個物體發(fā)射出穿透力強(qiáng)、能夠直線傳播的超聲波， 超聲波探傷儀 然后對反射回來的超聲波進(jìn)行接收并根據(jù)這些反射回來的超聲波的先后、幅度等情況就可以判斷出這個組織中含有的各種介質(zhì)的大小、分布情況以及各種介質(zhì)之間的對比差別程度等信息（其中反射回來的超聲波的先后可以反映出反射界面離探測表面的距離，幅度則可以反映出介質(zhì)的大小、對比差別程度等特性），超聲波探傷儀從而判斷出該被測物體是否有異常。

在這個過程中就涉及到很多方面的內(nèi)容，包括超聲波的產(chǎn)生、接收、信號轉(zhuǎn)換和處理等。其中產(chǎn)生超聲波的方法是通過電路產(chǎn)生激勵電信號傳給具有壓電效應(yīng)的晶體（比如石英、硫酸鋰等），使其振動從而產(chǎn)生超聲波；而接收反射回來的超聲波的時候，這個壓電晶體又會受到反射回來的聲波的壓力而產(chǎn)生電信號并傳送給信號處理電路進(jìn)行一系列的處理，超聲波探傷儀最后形成圖像供人們觀察判斷。

這里根據(jù)圖像處理方法（也就是將得到的信號轉(zhuǎn)換成什么形式的圖像）的種類又可以分為A型顯示、M型顯示、B型顯示、C型顯示、F型顯示等。

其中A型顯示是將接收到的超聲信號處理成波形圖像，根據(jù)波形的形狀可以看出被測物體里面是否有異常和缺陷在那里、有多大等， 超聲波探傷儀主要用于工業(yè)檢測；

M型顯示是將一條經(jīng)過輝度處理的探測信息按時間順序展開形成一維的"空間多點(diǎn)運(yùn)動時序圖"，適于觀察內(nèi)部處于運(yùn)動狀態(tài)的物體，超聲波探傷儀如運(yùn)動的臟器、動脈血管等；

B型顯示是將并排很多條經(jīng)過輝度處理的探測信息組合成的二維的、反映出被測物體內(nèi)部斷層切面的"解剖圖像"（醫(yī)院里使用的B超就是用這種原理做出來的），超聲波探傷儀適于觀察內(nèi)部處于靜態(tài)的物體；

而C型、F型顯示現(xiàn)在用得比較少。

超聲波探傷儀檢測不但可以做到非常準(zhǔn)確，而且相對其他檢測方法來說更為方便、快捷，也不會對檢測對象和操作者產(chǎn)生危害，所以受到了人們越來越普遍的歡迎，有著非常廣闊的發(fā)展前景。