一种基于声散射理论的启发式校正数值声场误差的方法及其存储介质技术

一种基于声散射理论的启发式校正数值声场误差的方法，包括：确定声波传播数值模型的超参数及取值范围；设置遗传算法参数，并初始化染色体信息得到初始种群；建立每个染色体所对应的声波传播的数值模型，通过计算得到所述模型的数值解；求解二维亥姆霍兹方程实现对应声散射问题的解析解计算；将得到的声波传播的数值解与解析解进行比较，进行振幅标准化以及相对平均误差分析，获得种群中所有染色体的适应度、最大适应度以及最大适应度值对应的染色体；判断遗传算法是否达到终止条件，若是，则停止迭代，输出参数配置结果；若否，进行选择、交叉、变异等遗传操作产生新一代种群，返回步骤3继续迭代，直至结果满足迭代停止条件。直至结果满足迭代停止条件。直至结果满足迭代停止条件。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声散射理论的启发式校正数值声场误差的方法及其存储介质


[0001]本专利技术属于超声仿真技术，具体涉及一种数值声场误差的校正方法。

技术介绍

[0002]超声CT作为一种新型医学影像技术，通过控制超声换能器阵列发射和接受超声波，实现断层扫描功能，具有无创无痛、无电离辐射、低成本等优点，在乳腺癌的早期筛查方面具有重要意义。在超声CT设备开发及应用中，超声波仿真提供了一个重要的途径来帮助我们理解超声与组织的相互作用，创新超声CT技术，并以更加高效和经济的方式进行超声换能器的设计。超声波仿真对实际声波传播现象进行数学建模，运用数值模型模拟实际的物理系统。声波传播数值模型的合理建立及精确求解，可以方便地比较各超声成像方法的特征并作出改进，此外还可以指导超声换能器的设计，找到最佳发射频率、探测距离等超参数，从而获得最佳的成像性能。迄今为止，各种声波传播数值模型的建立及求解方法已经被提出，一些比较常见的方法有伪谱法、有限差分法、有限元法等，同时基于这些方法开发了各种各样超声仿真软件，例如k
‑
Wave、Field II、OnScale、FOCUS、Simsonic、Comsol等。
[0003]在利用超声仿真软件进行声波传播模拟的过程中，需要将物理模型离散为若干个计算网格，把空间和时间上连续分布的物理量用有限个离散节点上的值来表示，方便计算机进行仿真计算。因此需要对真实的超声系统进行抽象、假设、简化以及超参数配置。超参数与普通参数不同，普通参数是在对数值模型进行求解计算过程中生成的，其值可从仿真数据中获得，而超参数的值无法从数据中获取，一般根据已有的经验确定，是在对数值模型进行求解前配置的参数。在超声仿真中，超参数包括硬件系统可调控参数如发射信号中心频率、换能器探测距离等，以及仿真设置参数如时间步长、网格数、网格尺寸等其他手动设置的参数。在使用超声仿真软件时，如何高效准确的选取仿真超参数，并保证仿真结果即数值解的准确性和鲁棒性一直是一个难题。
[0004]现有技术往往通过网格无关性验证来确定网格参数，即逐步细化网格，比较不同网格数量下的计算结果，选取与网格尺寸无关解的最大网格尺寸作为网格划分方案。对于大规模声波传播数值计算而言，这种方法需要手动加密网格并且计算耗时较长，且网格无关解并不一定代表结果准确符合实际，存在一定缺陷。现有相关技术方案(公开号:CN113671044A)利用Comsol软件，通过设计超声换能器仿真正交实验，对换能器中心频率、阵元宽度、阵元数及阵元间隙四个因素的不同取值进行组合，然后采用这些参数组合进行仿真，根据不同组合对声场的影响来选取换能器最佳检测参数。但是，该技术方案一方面需要结合软件使用者的经验来配置仿真网格、边界条件等参数，对使用者的要求较高，另一方面仿真正交实验所选取的最优检测参数只能是仿真时所用的其中一种参数组合，最终优选结果不会超越实验所用组合的范围，具有一定的局限性，且该方案在仿真结束后设计对应的物理实验来验证仿真结果的准确性，存在工作量大、效率低下的问题。
[0005]现有技术的缺点可以归纳为：
[0006]1)通过网格无关性验证来确定网格参数不能保证仿真结果符合物理实际。
[0007]理论上来说，仿真网格划分的越细密，数值解的精度越高。但在实际应用中，网格尺寸越大与实际物理结果偏差越大，尺寸过小，计算时间成本急剧增加但是精度提升有限。因此，实际应用中应选择满足计算精度的网格，用尽可能低的计算成本获取更精确的结果，最大化的利用计算资源。现有技术往往通过网格无关性验证来确定网格参数，即逐步细化网格，比较不同网格数量下的计算结果，当网格疏密对结果影响不大时，该结果即为网格无关解，选取与网格参数无关解的最大网格尺寸作为网格划分方案。对于大规模声波传播数值计算而言，这种方法需要手动加密网格并且计算耗时较长，且网格无关解并不一定代表仿真结果符合物理实际，存在一定缺陷。
[0008]2)基于物理实验的验证方法存在工作量大、效率低、成本高问题。
[0009]现有技术方案在验证仿真结果是否准确，一般通过物理实验与超声仿真相结合的方式来量化仿真结果的误差。验证过程通常需要将超声仿真模型的计算结果与对应的实际物理实验的结果相对照，并基于仿真与实验结果是否一致来判断结果的准确性。进行超声实验通常需要准备硬件设备及实验耗材，搭建物理实验平台，而新型超声换能器的制造成本昂贵，同时需要进行大量的实验测量，因此该方法存在工作量大、效率低、成本高的问题。
[0010]3)超参数的选择强烈依赖于建模方法的选择、物理场景以及先验信息。
[0011]实现高效准确的选取超参数并保证仿真结果的准确可靠，严重依赖于建模方法的选择、物理场景以及先验信息。在使用仿真软件建立声波传播数值模型时，需要根据超声换能器实际运行的物理情景，选择合适的建模方法，根据先验信息为模型施加对应的材料属性、边界条件、发射的超声波信号等，并综合考虑运算精度和时间，对模型进行网格划分。而且超声系统包含多种超参数，包括硬件系统可调控参数如发射信号中心频率、换能器探测距离等，以及仿真设置参数如时间步长、网格数、网格尺寸等，参数的系统性误差会导致仿真结果的不确定性，需要对换能器本身、超声知识、仿真软件相当熟悉才能够保证结果的可靠性与准确性，否则将会产生仿真数据不准确、换能器设计优化工作延缓等问题。
[0012]4)采取仿真正交实验法配置超参数具有一定的局限性。
[0013]正交实验法是利用正交表来研究多因素和多水平实验的一种设计方法，实验中对结果有影响的变量称为因素，各因素可能的取值称为水平。现有相关技术方案(公开号:CN113671044A)利用Comsol软件，通过设计超声换能器仿真正交实验，对换能器中心频率、阵元宽度、阵元数及阵元间隙四个因素的不同取值进行组合，然后采用这些不同因素的水平组合进行仿真，根据不同组合对声场的影响来配置换能器最佳检测参数。但是进行仿真正交实验所得到的最佳检测参数只能是实验中所用的某一种水平组合，最终优选结果不会超越实验所用组合的范围，具有一定的局限性。

技术实现思路

[0014]本专利技术克服现有技术的上述缺点，提供一种基于声散射理论的启发式校正数值声场误差的方法。本专利技术采用声波仿真软件配置并求解声散射问题的声波传播数值模型得到数值解，并基于声散射理论实现声散射问题的解析解求解，对数值解和解析解振幅标准化后再进行相对误差分析，并结合遗传算法自动确定高精度数值模型超参数的配置方案，从而实现数值声场的误差校正。
[0015]本专利技术解决的技术问题1：针对所述问题1)、2)，本专利技术旨在进行超参数的精确配置，保证数值解的准确且符合实际，同时降低工作量与成本，提升效率。本专利技术采用声波仿真软件配置并求解声散射问题的声波传播数值模型得到数值解，并基于声散射理论得到声散射问题的解析解，采用相对平均误差验证数值解的精确性。由于解析解与数值解计算均只需在计算机上完成，不需要额外的实验设备和实验测量，从而有效降低实际物理实验带来的高成本与高工作量。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声散射理论的启发式校正数值声场误差的方法，包括如下步骤：步骤1：确定需要进行配置的声波传播数值模型的超参数及取值范围；步骤2：设置遗传算法参数，并在超参数取值范围内初始化染色体信息得到初始种群；步骤3：采用声波仿真软件建立声散射问题中每个染色体所对应的声波传播的数值模型，包括计算网格、声波传播的材料介质属性、换能器的检测参数和位置参数等，通过计算得到所述模型的数值解，并将数值解从时域转化为频域；步骤4：基于声散射理论求解二维亥姆霍兹(Helmholtz)方程实现对应声散射问题的解析解计算；确定解析解的截断误差范围来将解析解的精度控制在所期望范围内，将其截断为有限和的方式近似逼近解析解；步骤5：将得到的声波传播的数值解与解析解进行比较，进行振幅标准化以及相对平均误差分析，获得种群中所有染色体的适应度、最大适应度以及最大适应度值对应的染色体；步骤6：判断遗传算法是否达到终止条件，若是，则停止迭代，输出参数配置结果；若否，进行选择、交叉、变异等遗传操作产生新一代种群，返回步骤3继续迭代，直至结果满足迭代停止条件。2.如权利要求1所述的一种基于声散射理论的启发式校正数值声场误差的方法，其特征在于，步骤1中，声波传播数值模型的超参数包括但不限于：发射信号中心频率f
c
，换能器与散射体的距离d，仿真时间步长d
t
，仿真网格间距d
x
、d
y
，网格数N
x
、N
y
等。3.如权利要求1所述的一种基于声散射理论的启发式校正数值声场误差的方法，其特征在于，步骤2中，设置遗传算法参数，包括：种群大小n
p
、最大迭代次数n
iter
、选择率p
s
、交叉率p
c
、变异率p
v
。遗传算法的初始种群通过在超参数取值范围内进行随机抽样对染色体进行初始化来获得。4.如权利要求1所述的一种基于声散射理论的启发式校正数值声场误差的方法，其特征在于，步骤3中，采用声波仿真软件配置及求解声散射问题的声波传播的数值模型得到数值解，这些仿真软件包括但不限于k
‑
Wave、Field II、OnScale、FOCUS、Simsonic、Comsol等，通过快速傅里叶变换将数值解从时域解转换为频域解。5.如权利要求4所述的一种基于声散射理论的启发式校正数值声场误差的方法，其特征在于，步骤3中，声波传播的数值模型，包括计算网格、声波传播的材料介质属性、换能器的检测参数和位置参数。6.如权利要求5所述的一种基于声散射理论的启发式校正数值声场误差的方法，其特征在于，步骤3中，所述声散射问题对二维空间下的圆形散射体进行求解，但本方法不仅限于二维，可以推广到三维圆柱/球形仿体。所述二维声波散射问题中，超声换能器为N个阵元组成的阵列，阵元通过电声能量转换实现超声波的发射和接收，发射阵元产生的声波通过圆形散射体(记为B)并产生散射波，随后这...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄河，林宏翔，韩长山，吴光未，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：