一种基于频域压缩感知的相控阵超声图像重构优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于频域压缩感知的相控阵超声图像重构优化方法，包括：搭建超声相控阵缺陷检测实验系统，获取由被测试件缺陷位置反射的回波图像；选取离散傅里叶基作为超声相控阵缺陷图像频域压缩感知的稀疏基、构造随机高斯矩阵作为超声相控阵缺陷图像频域压缩感知传感矩阵、选择正交匹配追踪算法对超声相控阵缺陷频域图像进行重构；压缩率为已压缩的信号长度与原始信号长度之比，选取峰值信噪比定量评价重构算法的精度；对原缺陷回波图像进行频域变换并做压缩重构，计算不同采样率、压缩率下的重构误差；将频域压缩感知图像重构的结果与时域条件下作对比，评估优化效果。本发明专利技术将压缩感知应用到超声相控阵图像压缩重构领域，取得了很好效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于频域压缩感知的相控阵超声图像重构优化方法
本专利技术涉及超声相控阵图像压缩领域，尤其涉及一种基于频域压缩感知的相控阵超声图像重构优化方法。
技术介绍
超声相控阵检测技术作为一种独特的无损检测技术，已经在航空航天、国防、核工业、铁路、机械制造以及石油化工等工业领域得到广泛应用[1]。特别是其独特的偏转和聚焦特性以及线性扫查、扇形扫查、动态聚焦三种工作方式为复杂结构和复合材料的检测提供了便利的条件。相控阵检测中的第一步是模拟信号的数字采样，因此要受到奈奎斯特采样定理的限制，也就是说，为了避免混叠，采样率必须是最高频率的两倍以上，实际应用中，一般都要在4到10倍。而且，随着工业技术的不断进步，各个领域对检测精度和检测速度的要求不断提高，再加上二维面阵的广泛应用，都给实际的工程应用中带来了数据量过大的问题，给前端信号采集传感器带来了压力。最近几年，压缩感知(CompressedSensing)吸引了信号与图像处理各领域研究者的关注。该理论指出，只要信号满足稀疏特性，就能通过比采样定理少得多的非自适应线性测量值来精确重构原始信号[2]。与传统压缩方法相比不同的是，压缩感知将采样和压缩同时进行，将前端传感器的压力转移到后续的重构环节中。该方法的出现为解决上述问题提供了重要的思路。压缩感知算法在工业超声无损检测领域的研究目前还很少，而且主要应用在基于兰姆波和导波的超声检测方面。相较之下，该算法在医学超声成像领域的研究已经比较成熟。2012年，以色列理工学院的Eldar团队建立了“压缩波束形成”(CompressedBeamforming)的概念并将其应用到心脏超声图像压缩中，以相当于传统技术1/8的数据量达到了很好的重构效果[3]；2014到2016年，该团队提出频域的压缩波束算法，并将其用到二维和三维超声图像重构中[4-5]。综上所述，压缩感知算法应用于超声相控阵无损检测领域的研究还较少，研究开发空间较大，研究成果对于保障大型构件的快速高精度检测和实时成像具有重要的科学意义和应用价值。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于频域压缩感知的相控阵超声图像重构优化方法，本专利技术针对超声相控阵缺陷检测中存在的数据量巨大的问题，使用正交匹配追踪(OMP)算法对人工缺陷回波实验图像进行压缩重构，通过与时域压缩感知的重构效果对比证明了频域方法的优越性，详见下文描述：一种基于频域压缩感知的相控阵超声图像重构优化方法，所述方法包括以下步骤：搭建超声相控阵缺陷检测实验系统，获取由被测试件缺陷位置反射的回波图像用于后续分析；选取离散傅里叶基作为超声相控阵缺陷图像频域压缩感知的稀疏基、构造随机高斯矩阵作为超声相控阵缺陷图像频域压缩感知的传感矩阵、选择正交匹配追踪算法对超声相控阵缺陷频域图像进行重构；定义压缩率为已压缩的信号长度与原始信号长度之比，选取峰值信噪比(PSNR)定量评价重构算法的精度；对原缺陷回波图像进行频域变换并做压缩重构，计算不同采样率、不同压缩率下的重构误差；将频域压缩感知图像重构的结果与时域条件下作对比，评估优化效果。进一步地，所述超声相控阵缺陷检测实验系统包括：依次电连接的上位机、超声相控阵检测仪、以及超声相控阵探头；超声相控阵探头上设置有树脂楔块，超声相控阵探头将被测试件的实时检测结果传输至上位机。具体实现时，所述方法还包括：采用线性扫查对目标区域进行检测，分别使用50MHz、33MHz、25MHz和20MHz采样频率进行采样；所有缺陷检测完毕，提取包含缺陷位置的B扫回波图像进行后续处理。进一步地，所述对原缺陷回波图像进行频域变换并做压缩重构，计算不同采样率、不同压缩率下的重构误差具体为：对获得的缺陷回波图像做离散余弦变换得到频域原始图像；随机移除部分频域原始图像，设定压缩率范围为20％～80％，每隔10％一档；使用稀疏基、传感矩阵和重构算法对频域原始图像在所有压缩率下进行重构，每个点计算50次，结果取平均值；分析重构结果。进一步地，所述将频域压缩感知图像重构的结果与时域条件下作对比，评估优化效果具体为：在相同压缩率范围下使用同样的算法参数对缺陷回波图像做时域的压缩重构；将频域压缩感知PSNR结果与时域对比并分析结果。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本专利技术将压缩感知算法应用到超声相控阵无损检测领域，从频域角度进行了图像压缩重构，取得了很好的效果；2、本专利技术搭建了实验平台，对不同采样率得到的缺陷图像进行重构，比较了在不同压缩率下的重构峰值信噪比；结果表明，使用本专利技术提出的频域压缩感知算法，可以用低于奈奎斯特采样极限的测量值获得令人满意的图像恢复结果，证明了该方法在工程应用中的巨大潜力；3、本专利技术通过将频域压缩感知图像重构结果与时域条件下对比，进一步证实了该方法的优化效果。附图说明图1为一种基于频域压缩感知的相控阵超声图像重构优化方法的流程图；图2为超声相控阵缺陷检测系统的结构示意图；图3为缺陷设置的示意图；图4为使用不同采样率的PSNR均值结果的示意图；图5为20MHz采样率下的图像原图和不同压缩率下的重构示意图；其中，(a)所示为实验得到的未校正B扫图；(b)、(c)分别为压缩率50％、60％的重构图。图6为20MHz和50MHz采样率下的时频域PSNR对比结果的示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1本专利技术实施例提供了一种基于频域压缩感知的相控阵超声图像重构优化方法，参见图1，该方法包括以下步骤：101：搭建超声相控阵缺陷检测实验系统，获取由被测试件缺陷位置反射的回波图像用于后续分析；102：选取离散傅里叶基作为超声相控阵缺陷图像频域压缩感知的稀疏基、构造随机高斯矩阵作为超声相控阵缺陷图像频域压缩感知的传感矩阵、选择正交匹配追踪算法对超声相控阵缺陷频域图像进行重构；定义压缩率为已压缩的信号长度与原始信号长度之比，选取峰值信噪比定量评价重构算法的精度；103：对原缺陷回波图像进行频域变换并做压缩重构，计算不同采样率、不同压缩率下的重构误差；104：将频域压缩感知图像重构的结果与时域条件下作对比，评估优化效果。进一步地，步骤101中的超声相控阵缺陷检测实验系统包括：依次电连接的上位机、超声相控阵检测仪、以及超声相控阵探头；超声相控阵探头上设置有树脂楔块，超声相控阵探头将被测试件的实时检测结果传输至上位机。综上所述，本专利技术实施例通过上述步骤101-步骤104提供了一种更高压缩率、能够有效突破奈奎斯特采样定理的相控阵超声缺陷检测图像压缩重构方法，使用正交匹配追踪(OMP)算法对人工缺陷回波实验图像进行压缩重构，通过与时域压缩感知的重构效果对比证明了频域方法的优越性。实施例2下面结合图1-图6、具体的实例、计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：201：搭建超声相控阵缺陷检测实验系统，获取由被测试件5缺陷位置反射的回波图像用于后续分析；该步骤的详细操作为：1)搭建超声相控阵缺陷检测系统，该系统包括：上位机1、超声相控阵检测仪2、超声相控阵换能器3、树脂楔块4、被测试件5，检测系统如图2所示，缺陷设置如图3所示。其中被测件5材料为铝，包含人工加工的直径1mm通孔缺陷，缺陷水平与竖直方向间距均为10mm。2)采用线性扫查对目本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于频域压缩感知的相控阵超声图像重构优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：搭建超声相控阵缺陷检测实验系统，获取由被测试件缺陷位置反射的回波图像用于后续分析；选取离散傅里叶基作为超声相控阵缺陷图像频域压缩感知的稀疏基、构造随机高斯矩阵作为超声相控阵缺陷图像频域压缩感知的传感矩阵、选择正交匹配追踪算法对超声相控阵缺陷频域图像进行重构；定义压缩率为已压缩的信号长度与原始信号长度之比，选取峰值信噪比PSNR定量评价重构算法的精度；对原缺陷回波图像进行频域变换并做压缩重构，计算不同采样率、不同压缩率下的重构误差；将频域压缩感知图像重构的结果与时域条件下作对比，评估优化效果。

【技术特征摘要】
1.一种基于频域压缩感知的相控阵超声图像重构优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：搭建超声相控阵缺陷检测实验系统，获取由被测试件缺陷位置反射的回波图像用于后续分析；选取离散傅里叶基作为超声相控阵缺陷图像频域压缩感知的稀疏基、构造随机高斯矩阵作为超声相控阵缺陷图像频域压缩感知的传感矩阵、选择正交匹配追踪算法对超声相控阵缺陷频域图像进行重构；定义压缩率为已压缩的信号长度与原始信号长度之比，选取峰值信噪比PSNR定量评价重构算法的精度；对原缺陷回波图像进行频域变换并做压缩重构，计算不同采样率、不同压缩率下的重构误差；将频域压缩感知图像重构的结果与时域条件下作对比，评估优化效果。2.根据权利要求1所述的一种基于频域压缩感知的相控阵超声图像重构优化方法，其特征在于，所述超声相控阵缺陷检测实验系统包括：依次电连接的上位机、超声相控阵检测仪、以及超声相控阵探头；超声相控阵探头上设置有树脂楔块，超声相控阵探头将被测试件的实时检测结果传输至上位机。3.根据权利要求1所述的一种基于频域压缩感知的相控阵超声...

【专利技术属性】
技术研发人员：白志亮，陈世利，贾乐成，曾周末，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12