题名: | 基于相位相干的延时组合乘叠加成像算法及加速实现 |
作者: | |
学号: | 21205108046 |
保密级别: | 保密(2年后开放) |
语种: | chi |
学科代码: | 080402 |
学科: | 工学 - 仪器科学与技术 - 测试计量技术及仪器 |
学生类型: | 硕士 |
学位: | 工学硕士 |
学位年度: | 2024 |
学校: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 智能检测与控制 |
导师姓名: | |
导师单位: | |
提交日期: | 2024-06-13 |
答辩日期: | 2024-06-05 |
外文题名: | Accelerated Implementation of Delay Multiply and Sum Imaging Algorithm Based on Phase Coherence |
关键词: | |
外文关键词: | Full matrix capture ; Total focus method ; Delay multiply and sum ; Phase coherence ; Sparse Array ; Parallel computing |
摘要: |
超声相控阵检测是一种重要的无损检测技术,广泛应用于核工业、航空航天、机械制造等领域。随着我国工业制造水平的提高,对相控阵检测能力的要求也越来越高。全矩阵采集(FMC)是一种新的基于相控阵硬件平台的数据采集方法,基于全矩阵采集的全矩阵全聚焦(FMC-TFM)成像算法,具有检测精度高、缺陷表征能力强等特点。然而,FMC-TFM算法忽略了信号中的空间信息,信号的旁瓣抑制较差,图像的分辨率较低。本文研究了基于相位相干的延时组合乘叠加(PC-DMAS)成像算法。 FMC-TFM成像算法基于延时叠加(DAS)波束形成算法,运用费马原理计算像素点与发射阵元和接收阵元的延时飞行时间,进而提取超声信号的幅值累加成像,这一过程只利用了全矩阵信号中的时域信息,图像分辨率较低。本文基于DMAS波束形成算法,推导出全矩阵采集的DMAS成像算法,该算法在波束形成过程中利用信号的空间信息抑制合成波束信号的旁瓣,提高图像分辨率。基于Field II超声仿真工具包、Verasonics超声相控阵平台进行实验,结果表明DMAS算法成像的分辨率、背景噪声抑制均优于FMC-TFM算法。 DMAS成像算法通过引入空间相干,增强了旁瓣抑制效果,提高了成像分辨率,但DMAS成像算法噪声抑制能力较弱,而实验采集的超声信号中包含的结构噪声、系统噪声、环境噪声等都会影响DMAS成像效果。基于超声信号中缺陷回波信号的相位呈一致性分布,噪声信号的相位呈散乱分布,本文运用统计学方法获得FMC信号的相位信息,自适应构建相位相干权重因子,提出了基于相位相干的延时组合乘叠加(PC-DMAS)成像算法。利用Verasonics超声相控阵平台采集了数据并成像,实验结果表明PC-DMAS成像图像的缺陷对比度、图像分辨率与背景噪声抑制上都优于DMAS算法。 虽然PC-DMAS成像效果优于FMC-TFM,但PC-DMAS算法的时间复杂度为 虽然SMC-PC-DMAS提高了成像效率,但其成像时间仍需近千秒,时效性难以满足需求,为进一步提高成像效率,本文使用CPU+GPU异构设计模型,设计并行算法框架。利用CPU处理复杂指令集的能力,控制算法的流程;利用GPU并行计算能力强的特点,并行加速SMC-PC-DMAS成像算法中各像素点的声压幅值计算。实验结果表明,并行加速后的算法成像时间仅为加速前的0.08%,成像效率显著提升。 |
外文摘要: |
Ultrasonic phased array testing is an important non-destructive testing technology widely used in nuclear industry, aerospace, mechanical manufacturing and other fields. With the improvement of our country's industrial manufacturing level, the demand for phased array testing capability is also increasing. Full Matrix Capture (FMC) is a new data acquisition method based on phased array hardware platform, and Full Matrix Capture Total Focus Method (FMC-TFM) is an imaging algorithm based on full matrix data, which has the characteristics of high detection accuracy and strong defect characterization capability. However, the FMC-TFM algorithm ignores the spatial information in the signal, with poor side lobe suppression and low image resolution. This paper studies the Delay Multiply And Sum (DMAS) imaging algorithm based on phase coherence. The FMC-TFM imaging algorithm is based on the Delay And Sum (DAS) beamforming algorithm, which uses the Fermat's principle to calculate the delayed flight time between pixel points and the transmitting array as well as the receiving elements. Subsequently, the amplitude accumulation of ultrasonic signals is extracted for imaging. This process only uses the time-domain information from the full-matrix signals, resulting in relatively low image resolution. In this paper, we derive the DMAS imaging algorithm based on full matrix capture, leveraging the DMAS beamforming algorithm. This algorithm suppresses the side lobe amplitude of signals by using spatial information from the full-matrix signals during the beamforming process, thereby enhancing image resolution. Experimental validations were conducted using the Field II ultrasound simulation toolkit and the Verasonics ultrasound phased-array platform. The results indicate that the imaging resolution and background noise suppression of the DMAS algorithm are better than the FMC-TFM algorithm. The DMAS imaging algorithm enhances the sidelobe suppression effect and improves the imaging resolution through the introduction of spatial coherence, but its noise suppression ability is weak. Meanwhile, the structural noise, system noise, and environmental noise included in the ultrasound signal collected by the experiment will all affect the imaging effect of DMAS. Based on the consistent phase distribution of defect echo signals and the scattered phase of noise signals, this paper proposes a phased-coherence-based delaye multiply and sum (PC-DMAS) imaging algorithm by utilizing statistical methods to obtain phase information and constructing adaptive phase coherence weight factors. Experiments using the Verasonics ultrasonic phased array platform demonstrate that PC-DMAS outperforms DMAS in defect contrast, image resolution, and noise suppression. Although the PC-DMAS imaging algorithm outperforms FMC-TFM in terms of performance, its time complexity is Although SMC-PC-DMAS has improved imaging efficiency, its imaging time still requires nearly a thousand seconds, making it difficult to meet the requirements for timeliness. To further enhance imaging efficiency, this paper employs a CPU+GPU heterogeneous design model to devise a parallel algorithm framework. This framework leverages the CPU's capability in handling complex instruction sets to control the algorithm's flow, while harnessing the GPU's strength in parallel computing to accelerate the calculation of sound pressure amplitudes for each pixel point in the SMC-PC-DMAS imaging algorithm. Experimental results demonstrate that the imaging time of the algorithm after parallel acceleration is only 0.08% of that before acceleration, resulting in a significant improvement in imaging efficiency. |
参考文献: |
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中图分类号: | TB553/TB559 |
开放日期: | 2026-06-17 |