低频窄带高分辨超声探测成像方法

摘要

本发明公开了一种低频窄带超声探测成像方法，主要解决低频窄带超声探测纵向分辨率低的问题，其实现步骤是：首先利用超声探测器发射低频窄带信号对远场目标进行探测，将远场目标的回波信号进行采样离散化；然后由离散化的回波信号构造出稀疏基矩阵，并将回波信号写成矩阵形式；最后构造基于CS的高分辨超声探测成像模型，并采用迭代加权最小二乘法求解模型重构出场景目标散射系数，将系数取模值即得到纵向高分辨的低频窄带超声探测成像。本发明相对传统的匹配滤波方法，成像的分辨率显著提高；相对现有的高分辨成像方法，克服了它们局限于高频宽带超声探测成像的不足，可用于人体深部组织、大型工业材料内部伤裂和杂质等探测。

主权项

1.一种低频窄带高分辨超声探测成像方法，包括如下步骤：（1）构造离散回波信号模型：（1a）根据发射的低频窄带波信号s(t)，将回波信号r(t)表示为发射的低频窄带波信号在不同延时的叠加，即：$r\left(t\right)=\underset{i}{\overset{N}{\Sigma }}{\alpha }_{i}s(t-{\tau }_i)+n\left(\text{t}\right)$其中t表示连续时间，τ_i表示第i个目标的延时量，N表示目标散射点的个数，s(t-τ_i)表示第i个目标的回波信号，α_i表示i个目标的散射系数，n(t)为加性噪声；（1b）对回波信号r(t)进行离散化采样，令采样间隔为T_s＝1/f_s，其中f_s为采样频率，得到离散化后的回波信号r_k，即：$r_k=r\left({\mathrm{kT}}_s\right)=\underset{i}{\overset{N}{\Sigma }}{\alpha }_{i}s({\mathrm{kT}}_s-{\tau }_i)+n_k$其中n_k=n(kT_s)表示离散后的噪声信号，s(kT_s-τ_i)表示第i个目标的离散回波信号，k表示第k个采样点，k＝1,2，...M，M表示采样个数；（2）将离散化后的回波信号r_k写成矩阵形式，得到回波信号向量r：r=[r₁,r₂,...r_k,....r_M]^T=Aα+n其中，T表示向量的转置，A是根据不同目标的离散回波信号s(kT_s-τ_i)构建的稀疏基矩阵，α＝[α₁,α₂,...α_k,....]^T为超声探测成像系数向量，n＝[n₁,n₂,...n_k,....n_M]^T为加性噪声向量；（3）由以上回波信号向量r，构建基于压缩感知的高分辨率超声探测成像模型，即：$\underset{\alpha \in R^N}{\min }{E}^{\left(P\right)}\left(\alpha \right),s.t.{\left|\right|r-\mathrm{A\alpha }\left|\right|}_2^2\le \zeta$其中min表示最小化，R^N表示N维空间，0≤p≤1，ζ为噪声方差；（4）按如下迭代加权最小二乘法对上述基于压缩感知的高分辨率超声探测成像模型进行求解，得到一维高分辨率的超声探测成像系数向量α：（4a）初始化：k＝0，ε，ε_min＝10^-8其中k表示第k次迭代，表示A的伪逆，α_k表示当前迭代得到的超声成像系数向量，ε是一个调参数，初始设置在0～1之间，的最小值；（4b）由α_k构造系数的权值矩阵,p是一个0到1之间的自然数，并更新稀疏基矩阵A_k，得到A_k+1：A_k+1＝AＷ_k+1（4c）由A_k+1更新α_k，得到α_k+1：${\alpha }_{k+1}=W_{k+1}{A}_{k+1}^{+}r$ r（4d）判断如下条件是否成立：${\left|\right|{\alpha }_{k+1}-{\alpha }_k\left|\right|}_2<\sqrt{3}/10$其中i表示系数向量α_k+1和α_k中第i个元素，α_k+1[i]表示系数向量α_k+1中第i个元素，α_k[i]表示系数向量α_k中第i个元素，如果不成立，返回步骤（4b）继续迭代；如果成立，再判断是否满足条件ε＜ε_min，如果满足，则停止迭代，得到一维高分辨率的超声探测成像系数向量α=α_k+1；否则更新ε＝ε/10，返回步骤（4b）继续迭代，直到满足条件ε＜ε_min，得到一维高分辨率的超声探测成像系数向量α=α_k+1；（5）将得到的超声探测成像系数α取模值，即得到低频窄带高分辨超声探测成像。