合成孔径技术在井壁超声成像系统的应用研究
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摘要
超声成像检测技术在现代工业无损检测中具有重要地位，已成为定量检测的重要手段。提高分辨率是目前超声成像的发展方向，声像分辨率是评价超声成像系统的最重要的性能指标之一。
合成孔径技术是数字成像处理中用于大幅度改善图像空间分辨率的一种有效手段。目前，合成孔径技术的最主要应用是在雷达领域。合成孔径超声成像自70年代开始发展起来，现在还处于实验室研究及小规模试验阶段。其优点是可以应用小尺度换能器及比较低的工作频率，来获得方位的高分辨率，可以在近场区(菲涅尔区)工作。合成孔径技术突破了经典理论的限制，但从国内外的研究和应用状况来看，工程实际应用还不多见。
本文的主要目的是应用合成孔径技术的一般原理，对应特定的成像问题，寻求提高系统性能，易于数字实现的方法。本文首先介绍了超声成像的理论基础，分析了脉冲回波系统分辨率不高的原因及一般改进措施。在此基础上，针对井壁超声成像在套管井检测的应用实际，建立了提高成像分辨率的合成孔径聚焦成像模型，并对此进行了论证。
本文讨论了合成孔径聚焦超声成像中重构图像的几种算法，在此基础上提出能够降低采样率、减少运算量和存储量的数字正交处理的合成孔径方法，并完成了仿真结果、模拟成像和DSP的实现。最后给出了基于DSP的数据采集处理的成像系统方案和相应的软硬件设计。
Ultrasonic imaging detecting technique plays a very important role in the field of non-destructive testing in modern industry and it has become an important method for quantitative detecting. Nowadays ultrasound imaging technique is developed to enhance resolution power.The resolution power in sound and image has become one of the important performance indexes in evaluating ultrasound imaging system.
Synthetic aperture focusing technique is one of effective ways to widely improve space resolution power of images in digital imaging processing and is mainly used in the field of radar at present. Synthetic aperture ultrasound technique has been developed since the 1970's and is now at the stage of lab research and small-scale experiments. And its main advantage is that it can realize high resolution power of space to be used in the near area,through the application of small-scale transducer and lower performance frequency. Synthetic aperture focusing technique breaks the limits of classical theories, however, according to researches and applications home and abroad it is seldom applied in engineering.
By the application of the general principles of synthetic aperture focusing technique, the main purpose of this paper is to explore the method of improving system performance and of easy digital realization in specific imaging. Based on the analysis of ultrasonic imaging theory, the paper puts forward a signal processing scheme in synthetic aperture focusing technique. Aiming at the application of shaft ultrasound imaging in cased well, the scheme improves imaging resolution power and gives the reasons why space resolution power is superior to conventional imaging.
This paper discusses several algorithms of re-fabricating images in synthetic aperture focusing ultrasound imaging. On such a basis, it puts forward the digit quadrature processing method of synthetic aperture to lower sampling rate, reduce operation and storage quantities and presents emulational results. And last the systematic scheme of experimentations based on DSP data acquisition is given and both hardware and software
designs are worked out.
合成孔径技术是数字成像处理中用于大幅度改善图像空间分辨率的一种有效手段。目前，合成孔径技术的最主要应用是在雷达领域。合成孔径超声成像自70年代开始发展起来，现在还处于实验室研究及小规模试验阶段。其优点是可以应用小尺度换能器及比较低的工作频率，来获得方位的高分辨率，可以在近场区(菲涅尔区)工作。合成孔径技术突破了经典理论的限制，但从国内外的研究和应用状况来看，工程实际应用还不多见。
本文的主要目的是应用合成孔径技术的一般原理，对应特定的成像问题，寻求提高系统性能，易于数字实现的方法。本文首先介绍了超声成像的理论基础，分析了脉冲回波系统分辨率不高的原因及一般改进措施。在此基础上，针对井壁超声成像在套管井检测的应用实际，建立了提高成像分辨率的合成孔径聚焦成像模型，并对此进行了论证。
本文讨论了合成孔径聚焦超声成像中重构图像的几种算法，在此基础上提出能够降低采样率、减少运算量和存储量的数字正交处理的合成孔径方法，并完成了仿真结果、模拟成像和DSP的实现。最后给出了基于DSP的数据采集处理的成像系统方案和相应的软硬件设计。
Ultrasonic imaging detecting technique plays a very important role in the field of non-destructive testing in modern industry and it has become an important method for quantitative detecting. Nowadays ultrasound imaging technique is developed to enhance resolution power.The resolution power in sound and image has become one of the important performance indexes in evaluating ultrasound imaging system.
Synthetic aperture focusing technique is one of effective ways to widely improve space resolution power of images in digital imaging processing and is mainly used in the field of radar at present. Synthetic aperture ultrasound technique has been developed since the 1970's and is now at the stage of lab research and small-scale experiments. And its main advantage is that it can realize high resolution power of space to be used in the near area,through the application of small-scale transducer and lower performance frequency. Synthetic aperture focusing technique breaks the limits of classical theories, however, according to researches and applications home and abroad it is seldom applied in engineering.
By the application of the general principles of synthetic aperture focusing technique, the main purpose of this paper is to explore the method of improving system performance and of easy digital realization in specific imaging. Based on the analysis of ultrasonic imaging theory, the paper puts forward a signal processing scheme in synthetic aperture focusing technique. Aiming at the application of shaft ultrasound imaging in cased well, the scheme improves imaging resolution power and gives the reasons why space resolution power is superior to conventional imaging.
This paper discusses several algorithms of re-fabricating images in synthetic aperture focusing ultrasound imaging. On such a basis, it puts forward the digit quadrature processing method of synthetic aperture to lower sampling rate, reduce operation and storage quantities and presents emulational results. And last the systematic scheme of experimentations based on DSP data acquisition is given and both hardware and software
designs are worked out.
引文
1 李喜孟．无损检测．北京：机械工业出版社，2001：1-4
2 沈建中．超声无损检测的进展．无损检测，1998，20(2)：31-35
3 刘镇清，刘铙．超声无损检测的若干新进展．无损检测，2000，22(9)：403-405
4 沈建中．超声成像技术及其在无损检测中的应用．无损检测，1994，16(7)：202-206
5 庞勇，韩焱．超声成像方法综述．华北工学院测试技术学报，2001，15(4)：280-284
6 G. Wade Editor. Acoustic Imaging. New York and London: Plenum Press, 1975:11-38
7 L.H.. wade G. ed. Modern Acoustical Imaging. New York: IEEE Press,1986: 453-462
8 冯若．超声手册．南京：南京大学出版社，1999：21-26
9 N.M. Bilgutay. Enhanced Ultrasonic Imaging with Split-spectrum Processing. IEEE Trans,1991,37(10):1590-1592
10 J. J. Giesey. Speckle Reduction in Pulse-Echo Ultrasonic Imaging Using a Two-dimensional Receiving Array. 1992,39(2): 167-173
11 美国无损检测学会编．美国无损检测手册-超声卷(上册)．美国无损检测手册译审委员会译．北京：世界图书出版公司，1986：1-23
12 G. E. Trahey. A Quantitative Approach to Speckle Reduction via Frequency Compounding. Ultrasonic Imaging, 1986,(8): 151-164
13 G. Castellini. Real-time Digital Dynamic Focusing System. Ultrasonices, 1998,28(3):124-126
14 P.N.T. wells, M. Halliwell. Speckle in Ultrasonic Imaging. Ultrasonics Imaging. 1988:81-89
15 V. Schnitz, W. Muller, G. Schafer. Synthetic Aperture Focusing Technique. State of Art Acoustical Imaging. 1992,(19):276-283
16 L. J. Cutrona. Comparison of Sonar System Performance Achievable Using Synthetic Aperture Techniques with the Performance Achievable with More Conventional Means. Acoust. Soc,Am, 1985,(58):336-348
17 S. Takuso, I. Osamu. Sequential Synthetic Aperture Sonar System-A Prototype of
a Synthetic Aperture Sonar System.IEEE Trans.Sonics and Ultrasonics,1977,(24):253-259
18 万志文，侯朝焕．医学超声中的合成孔径方法．声学学报，1998，23(3)：250—256
19 K. Mayer, R. Marklein, K. J. Langenberg. Three-dimensional Imaging System Based on Fourier Transform Synthetic Aperture Focusing Technique. Itrasonics. 1990, 28(7):241-249
20 张凡．三维合成孔径聚焦成像的研究．[武汉大学硕士论文]．1998：1-6，15-16
21 G.R. Lockwood, J. R. Talman and S. S. Brunke. Real-time 3-D Ultrasound Imaging Using Sparse Synthetic Aperture Beam Forming. IEEE Trans. UFFC. 1998,45(4): 980-988,.
22 刘永坦．雷达成像技术．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999：1-20
23 黄建鑫，邹红，张书进．大庆油田套损井打通道加固技术．大庆石油地质与开发，2002，21(4)：46
24 R. L. Sanders, K. D. Fuchs. Borehole Imaging The Future of Formation Evaluation. Society of Professional Well Log Analaysis, 1996,(7): 131-138
25 谭延栋．中国油气勘探测井技术的更新换代．测井技术，2000，24(3)：163-167
26 A．J．Hayman et．al．胡恒山译．高分辨超声水泥胶结与套管腐蚀成像．国外测井技术，1991，6(6)：21-30
27 胡天明．超声探伤．武汉：武汉测绘大学出版社，1996：1-15
28 应崇福等．超声学．北京：科学出版社，1993：298-303
29 胡建恺，张谦琳．超声检测原理和方法．合肥：中国科学技术大学出版社，1993：10-12
30 张俊哲．超声成像检测技术评述．无损检测，1994，(2)：1-5
31 陶进绪．脉冲回波超声成像技术性能改进的研究．[中国科技大学博士论文]．1995：3-5
32 L. Weng, J. M. Reid, P. M. Shankar and K.Soetanto. Ultrasound speckle analysis based on the K-distribution. Acoust. 1991,89:2992-2995
33 孙宝坤，沈建中．合成孔径聚焦声成像(一)．应用声学，1993，12(3)：43-45
34 A.Adams. Real-time Synthetic Aperture Sonar System. IEEE Proc-Radar, Sonar, 1996,143(3):303-309
35 J.J. Giesey. Speckle Reduction in Pulse-Echo Ultrasonic Imaging Using a Two-Dimensional Receiving Array.UFFC, 1992,39(2):167-173
36 张建军，潘恒超，李浩．超声成像测井工作原理与影响因素．声学与电子工程，2001，(2)：32-36
37 余厚全，黄载禄，屈万里．利用超声脉冲回波检查套管腐蚀与缺陷．测井技术，1997，21(2)：129-131
38 孟祥玉，宁学涛，洪玉霞．井下成像技术在油田勘探开发领域的应用．焦作工学院学报，1999，18(4)：254-256
39 柴满洲，向绪金，张庆生，杨清荣．井下电视测井系统在套管检测中的应用．测井技术，2002，26(3)：242-246
40 张守谦等．成像测井技术及应用．北京：石油工业出版社，1997：184-188
41 陈干群，王枚景，王传新．井壁超声成像测井系统在套管检测中的应用．江汉石油学院学报，2002，24(3)：23-27
42 M.P. Hmyes and P.T. Gough. Broadband Synthetic Aperture Sonar. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1992. 17(1):1456-1478
43 张澄波．综合孔径雷达．北京：科学出版社，1989：20-45
44 蔡兰，兰从庆．合成孔径聚焦成像方法研究．武汉工业大学学报，1996，18(1)：21-25
45 孙宝坤，张凡，沈建中．合成孔径聚焦声成像时域算法研究．声学学报，1997，22(1)：43-49
46 P.D. Corl and G. S. Kino. A Real-Time Synthetic Aperture Imaging System. Acoustic imaging, 1980, (9):288-302
47 K. Nagai. A new synthetic aperture focusing method for Ultrasonic B-scan Imaging by the Fourier Transform. IEEE transactions on sonies and ultrasonics, 1985,32(4):531-536
48 孙宝申，沈建中．合成孔径聚焦声成像(二)．应用声学．1993，12(5)：39-44
49 Ozaki. Y, Sumitani. H, Tomoda. T and Tanaka. M. A New System For Real Time Synthetic Aperture Ultrasonic Imaging. Transactions on Ultrasonics.1988,35:564- 569
50 钮心忻．软件无线电技术与应用．北京：北京邮电大学出版社，2000：66-82
51 赵红怡，张常年．数字信号处理及其MATLAB实现．北京：化学工业出版社，2002：167-248
52 马亚全等．基于USB总线的数据采集设备的设计与实现．电子技术应用．2001，(10)：43-46
53 潘明海，陈雯柏，冷雪峰．基于USB总线的数字信号处理系统设计．重庆工业高等
专科学校学报．2004，20(3)：16-20
54 刘煜坤，张礼勇．USB设备接口的研究与开发．哈尔滨理工大学学报．2003，8(1)：1-4
55 王念旭．DSP基础与应用系统设计．北京：北京航空航大大学出版社，2002：10-56，545-552
56 张弘．USB接口设计．西安：西安电子科技大学出版社，2002：160-186
57 D. Adorson. Universal Serial Bus System Architecture. London: Addison Wesly Longman, 2000:177-184
2 沈建中．超声无损检测的进展．无损检测，1998，20(2)：31-35
3 刘镇清，刘铙．超声无损检测的若干新进展．无损检测，2000，22(9)：403-405
4 沈建中．超声成像技术及其在无损检测中的应用．无损检测，1994，16(7)：202-206
5 庞勇，韩焱．超声成像方法综述．华北工学院测试技术学报，2001，15(4)：280-284
6 G. Wade Editor. Acoustic Imaging. New York and London: Plenum Press, 1975:11-38
7 L.H.. wade G. ed. Modern Acoustical Imaging. New York: IEEE Press,1986: 453-462
8 冯若．超声手册．南京：南京大学出版社，1999：21-26
9 N.M. Bilgutay. Enhanced Ultrasonic Imaging with Split-spectrum Processing. IEEE Trans,1991,37(10):1590-1592
10 J. J. Giesey. Speckle Reduction in Pulse-Echo Ultrasonic Imaging Using a Two-dimensional Receiving Array. 1992,39(2): 167-173
11 美国无损检测学会编．美国无损检测手册-超声卷(上册)．美国无损检测手册译审委员会译．北京：世界图书出版公司，1986：1-23
12 G. E. Trahey. A Quantitative Approach to Speckle Reduction via Frequency Compounding. Ultrasonic Imaging, 1986,(8): 151-164
13 G. Castellini. Real-time Digital Dynamic Focusing System. Ultrasonices, 1998,28(3):124-126
14 P.N.T. wells, M. Halliwell. Speckle in Ultrasonic Imaging. Ultrasonics Imaging. 1988:81-89
15 V. Schnitz, W. Muller, G. Schafer. Synthetic Aperture Focusing Technique. State of Art Acoustical Imaging. 1992,(19):276-283
16 L. J. Cutrona. Comparison of Sonar System Performance Achievable Using Synthetic Aperture Techniques with the Performance Achievable with More Conventional Means. Acoust. Soc,Am, 1985,(58):336-348
17 S. Takuso, I. Osamu. Sequential Synthetic Aperture Sonar System-A Prototype of
a Synthetic Aperture Sonar System.IEEE Trans.Sonics and Ultrasonics,1977,(24):253-259
18 万志文，侯朝焕．医学超声中的合成孔径方法．声学学报，1998，23(3)：250—256
19 K. Mayer, R. Marklein, K. J. Langenberg. Three-dimensional Imaging System Based on Fourier Transform Synthetic Aperture Focusing Technique. Itrasonics. 1990, 28(7):241-249
20 张凡．三维合成孔径聚焦成像的研究．[武汉大学硕士论文]．1998：1-6，15-16
21 G.R. Lockwood, J. R. Talman and S. S. Brunke. Real-time 3-D Ultrasound Imaging Using Sparse Synthetic Aperture Beam Forming. IEEE Trans. UFFC. 1998,45(4): 980-988,.
22 刘永坦．雷达成像技术．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999：1-20
23 黄建鑫，邹红，张书进．大庆油田套损井打通道加固技术．大庆石油地质与开发，2002，21(4)：46
24 R. L. Sanders, K. D. Fuchs. Borehole Imaging The Future of Formation Evaluation. Society of Professional Well Log Analaysis, 1996,(7): 131-138
25 谭延栋．中国油气勘探测井技术的更新换代．测井技术，2000，24(3)：163-167
26 A．J．Hayman et．al．胡恒山译．高分辨超声水泥胶结与套管腐蚀成像．国外测井技术，1991，6(6)：21-30
27 胡天明．超声探伤．武汉：武汉测绘大学出版社，1996：1-15
28 应崇福等．超声学．北京：科学出版社，1993：298-303
29 胡建恺，张谦琳．超声检测原理和方法．合肥：中国科学技术大学出版社，1993：10-12
30 张俊哲．超声成像检测技术评述．无损检测，1994，(2)：1-5
31 陶进绪．脉冲回波超声成像技术性能改进的研究．[中国科技大学博士论文]．1995：3-5
32 L. Weng, J. M. Reid, P. M. Shankar and K.Soetanto. Ultrasound speckle analysis based on the K-distribution. Acoust. 1991,89:2992-2995
33 孙宝坤，沈建中．合成孔径聚焦声成像(一)．应用声学，1993，12(3)：43-45
34 A.Adams. Real-time Synthetic Aperture Sonar System. IEEE Proc-Radar, Sonar, 1996,143(3):303-309
35 J.J. Giesey. Speckle Reduction in Pulse-Echo Ultrasonic Imaging Using a Two-Dimensional Receiving Array.UFFC, 1992,39(2):167-173
36 张建军，潘恒超，李浩．超声成像测井工作原理与影响因素．声学与电子工程，2001，(2)：32-36
37 余厚全，黄载禄，屈万里．利用超声脉冲回波检查套管腐蚀与缺陷．测井技术，1997，21(2)：129-131
38 孟祥玉，宁学涛，洪玉霞．井下成像技术在油田勘探开发领域的应用．焦作工学院学报，1999，18(4)：254-256
39 柴满洲，向绪金，张庆生，杨清荣．井下电视测井系统在套管检测中的应用．测井技术，2002，26(3)：242-246
40 张守谦等．成像测井技术及应用．北京：石油工业出版社，1997：184-188
41 陈干群，王枚景，王传新．井壁超声成像测井系统在套管检测中的应用．江汉石油学院学报，2002，24(3)：23-27
42 M.P. Hmyes and P.T. Gough. Broadband Synthetic Aperture Sonar. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1992. 17(1):1456-1478
43 张澄波．综合孔径雷达．北京：科学出版社，1989：20-45
44 蔡兰，兰从庆．合成孔径聚焦成像方法研究．武汉工业大学学报，1996，18(1)：21-25
45 孙宝坤，张凡，沈建中．合成孔径聚焦声成像时域算法研究．声学学报，1997，22(1)：43-49
46 P.D. Corl and G. S. Kino. A Real-Time Synthetic Aperture Imaging System. Acoustic imaging, 1980, (9):288-302
47 K. Nagai. A new synthetic aperture focusing method for Ultrasonic B-scan Imaging by the Fourier Transform. IEEE transactions on sonies and ultrasonics, 1985,32(4):531-536
48 孙宝申，沈建中．合成孔径聚焦声成像(二)．应用声学．1993，12(5)：39-44
49 Ozaki. Y, Sumitani. H, Tomoda. T and Tanaka. M. A New System For Real Time Synthetic Aperture Ultrasonic Imaging. Transactions on Ultrasonics.1988,35:564- 569
50 钮心忻．软件无线电技术与应用．北京：北京邮电大学出版社，2000：66-82
51 赵红怡，张常年．数字信号处理及其MATLAB实现．北京：化学工业出版社，2002：167-248
52 马亚全等．基于USB总线的数据采集设备的设计与实现．电子技术应用．2001，(10)：43-46
53 潘明海，陈雯柏，冷雪峰．基于USB总线的数字信号处理系统设计．重庆工业高等
专科学校学报．2004，20(3)：16-20
54 刘煜坤，张礼勇．USB设备接口的研究与开发．哈尔滨理工大学学报．2003，8(1)：1-4
55 王念旭．DSP基础与应用系统设计．北京：北京航空航大大学出版社，2002：10-56，545-552
56 张弘．USB接口设计．西安：西安电子科技大学出版社，2002：160-186
57 D. Adorson. Universal Serial Bus System Architecture. London: Addison Wesly Longman, 2000:177-184
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