基于编码激发和脉冲压缩的超声多频相控阵成像方法研究

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1、密级中国科学院大学Univet+sityofChineseAcademyofSciences博士学位论文基士缠盟邀筮塑然挫压缉数超重垒麴担控匪盛垡左洼殛童作看姓名：奎篮延指导教师：丞羞星班窥虽主凰抖生随直堂班窒匮学位类别：堡堂擅±学科专业：岜堂研咒所：生国掊堂暄直堂班塞压2013年05月．ResearchonImagingmethodofMulti-frequencyUltrasonic．．-—————————————一——’一—P—haseArraybasedonCodedExcitationandPulsecom

2、pression．By【LiChangzheng】ADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofScienceInstituteofAcoustics，UCASMay,20132中国科学院声学研究所学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除

3、文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文使用授权说明论文作者签名：,-t-长正日期：劲I弓年箩月z岁日本人完全了解中国科学院研究生院关于收集、保存、使用学位论文的规定，·按照中国科学院研究生院要求提交学位论文的印刷本和电子版本；·中国科学院研究生院与中国科学院声学研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；·中国科学院研究生院与中国科学院声学研究所可以采

4、用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；一(保密论文在解密后遵守此规定)论文作者签名：奉长诞导师日期：摘要针对超声在介质中传播较长距离后回波信噪比降低的问题，本文提出采用编码激励与超声相控阵相结合的方法来改善探测深度和分辨率的矛盾。一方面，采用编码信号激励，接收信号经过脉冲压缩后在不牺牲分辨率的前提下提高了信噪比。另一方面，采用超声多频相控阵技术，使不同阵元工作在不同的频带范围内，使得相控阵列在较宽的带宽范围内发射和接收线性调频信号(LFM)，克服了单探头或单频相控阵换能器带宽较窄的困难，从而取得较好的脉冲压缩效

5、果。本文在理论和实现方法上开展了以下研究工作：1．将编码激励应用于单个超声换能器超声检测的理论和方法首先，理论上分析了脉冲压缩方法中编码激励和压缩过程，分别研究LFM编码和二相编码信号的脉冲压缩效果，分析各种码型在主瓣宽度、旁瓣大小及信噪比方面的优缺点。然后，用编码信号作为激励源检测固体内部缺陷。结果表明编码信号能够明显提高信噪比。2．编码激励方式下的超声相控阵聚焦特性研究研究了编码激励(LFM和二相编码)的一般理论和基本特性。采用有限差分方法，重点探讨了各阵元中心频率按不同规律排列时对超声相控阵聚焦性能(分辨率、信

6、噪比)的影响。计算了弹性介质和衰减介质中相控阵列参数(动态孔径、阵元宽度、阵间距等)对聚焦性能的影响。3．编码方法应用于多频相控阵探测的理论和方法研究在多频信号激励情况下，只有将每个阵元接收的LFM信号合成一宽带信号，才能体现多频信号的检测优势，本文提出了一种频域合成宽带信号的有效方法。结果表明，多频相控阵具有较好的分辨率，并且能够提高信噪比，计算实例表明多频信号压缩后较压缩前的信噪比提高约24dB，其主瓣宽度为单频相控阵压缩后的1／lo。文中还提出了基于多频相控阵的合成孔径聚焦成像方法(SAFT)，利用压缩后的高信

7、噪比信号进行成像，提高了图像清晰度。还将多频相控阵应用到衰减介质的检测，提出了将反Q滤波应用于多频信号的压缩处理方法，计算实例表明反Q滤波后的信号主副瓣比较滤波前提高了12．3dB，明显改善了衰减介质中的脉冲压缩效果。4．二相编码激励的相控阵检测研究研究了Barker码和Golay码的激励信号特征。以Barker码激励信号为激发源，计算得到固体内部存在缺陷的回波。将回波压缩后并进行SAFT成像，缺陷成像与实际位置较为吻合，验证了二相编码信号应用于相控阵检测的可行性。5．超声多频相控阵探测的实验研究在理论分析基础上，设

8、计并研制出具有不同中心频率的多频相控阵探头，开展了介质中目标体的探测实验，实验结果表明多频信号能够将超声检测的信噪比提高约10dB。本文提出了超声相控阵编码激发与探测的理论与方法，理论上计算了阵列编码信号的聚焦效果，给出了接收端多频信号的合成方法，并将超声相控阵编码探测应用到具有衰减特性的介质中，结果表明相控阵编码探测具有很好的技术优势，并得到