基于单发多收的近场超声探测虚拟聚焦方法研究

Ultrasonic detection has wide applications in various fields such as industry, railway and medical detection. The pulse-echo based phased array detection, use amplitude as the tested parameter, and use the transmit focusing to obtain the spatial resolution. However, the amplitude based methods suffer from the near-field effect, moreover, the transmit focusing has a high power consumption and a resolution under the Rayleigh limit. This project plans to overcome the near-field effect by using the continuous FM signal , and considers a single-transmit multiple-receive system to reduce the power consumption in which a back-end virtual focusing can be used to realize a high resolution (break through the Rayleigh limit) detection. Hence, in this project, we will focus on the near-field detection of a single- transmit multiple-receive system, research the virtual focusing method which includes the near-field wideband source localization and extraction, with fully consideration of the time, frequency and spatial dimensions of the system. Our preliminary research includes the array signal processing, parameters estimation and ultrasonic detection and a series of research papers and patents are published related to this project. The research fruits of this project are expected to provide innovate theory and technologies for near-field mobile ultrasonic detection.

超声探测广泛应用于工业生产、铁轨探伤、医疗诊断等领域。现有基于脉冲回波的相控超声探测方法，以幅度为检测参数，并采用发射聚焦获得空间分辨力，因其方法简单直观，使用广泛。但是，基于幅度参数的探测方式存在近场效应，基于发射聚焦的方式功耗大，且聚焦的空间分辨力难以突破瑞利限。本项目考虑基于连续调频信号的探测方式克服近场效应，采用单发多收的阵列探测模式降低发射功耗，并通过后端的虚拟聚焦处理，实现突破瑞利极限超分辨超声探测。因此，项目围绕基于单发多收的调频近场探测系统展开研究，充分考虑该系统中的时、频、空域三个处理维度，探索近场调频回波的后端虚拟聚焦方法，包括目标的分辨定位与分离提取等。申请人及项目组成员长期从事阵列信号处理、参数估计算法及超声探测的研究，完成了一系列高水平论文和专利。项目成果可望为高精度近场超声探测系统提供创的新理论与技术。

超声探测广泛应用于工业生产、铁轨探伤、医疗诊断等领域。现有基于脉冲回波的相控超声探测方法，以幅度为检测参数，并采用发射聚焦获得空间分辨力，因其方法简单直观，使用广泛。但是，基于幅度参数的探测方式存在近场效应，基于发射聚焦的方式功耗大，且聚焦的空间分辨力难以突破瑞利限。本项目考虑基于连续调频信号的探测方式克服近场效应，采用单发多收的阵列探测模式降低发射功耗，并通过后端的虚拟聚焦处理，实现突破瑞利极限超分辨超声探测。因此，项目围绕基于单发多收的调频近场探测系统展开研究，充分考虑该系统中的时、频、空域三个处理维度，探索近场调频回波的后端高性能信号处理方法，包括系统的优化设计、目标的参数估计、与探测图像识别等，并搭建硬件验证与演示系统。经过项目的研究，主要的进展和成果包括：1.针对现有基于脉冲体制探测系统的不足，提出基于无线分体式的宽频阵列探测系统，并设计和研制多款高精度宽频仿生探头，实现收发探头功能的独立分离和无线化；2.针对单发多收系统及近场宽频回波的特点，研究并提出了新的近场源的定位、参数估计、直达波抑制等后端高精度信号处理方法；3.基于稀疏编码、深度学习等技术，提出一系列探测图像的特征提取与分类识别等方法；4.设计和搭建了适于项目所述分体式架构的硬件实验系统。上述研究进展形成高水平论文6篇，申请国家发明专利17项，并授权2项。项目成果可为高精度近场超声探测系统提供创的新理论与技术。