改进型密集阵列全聚焦成像算法的碳纤维复合材料板损伤定位研究

本文针对各向异性碳纤维复合材料板的损伤定位问题,提出改进型密集阵列全聚焦成像方法。首先,考虑碳纤维复合材料板的各向异性,通过实验分析超声导波在板中的传播特性,得到沿不同传播方向的群速度值。其次,对密集型传感器阵列的参数进行分析和优化研究,分别对不同阵列参数即阵元间距和阵元数量进行指向性函数的数值分析,优化阵列的参数,以保证阵列主瓣较窄、旁瓣较低且无栅瓣。然后,提出了一种考虑碳纤维复合材料板各向异性的改进型密集传感器阵列板结构缺陷定位算法。使用超声导波在碳纤维复合材料板中沿不同传播方向的群速度值,对全聚焦算法进行修正,并利用虚拟聚焦原理对板结构进行全聚焦成像。最后,通过布置碳纤维复合材料孔洞损伤实验,对基于密集阵列全聚焦成像方法的定位精度进行分析。实验结果表明,改进型密集阵列全聚焦成像算法的定位精度为1.00 mm,相较于使用单一群速度值,该方法在定位孔洞损伤缺陷时具有更高的精度。

极坐标系快速反卷积高分辨声图测量方法

二维反卷积声图测量中点扩散函数(PSF)的二维移变性导致算法计算量较大,为此提出了一种极坐标系下方位、距离分离降维处理的快速反卷积声图测量方法。该方法将二维移变反卷积运算转换为两次一维反卷积运算,同时利用方位维反卷积具有近似一维空域移不变特点,采用移不变模型进行计算,仅对距离维进行一维移变反卷积运算,从而减少算法的PSF存储空间和计算量。仿真和实验数据处理结果表明,所提方法显著降低了计算量,且与原二维移变模型反卷积声图测量方法的性能相近。

基于衍射重建聚焦度评价的猪精子三维定位方法研究

评估精子活力的重要依据之一是精子运动性能。目前较为先进的计算机辅助精子分析(CASA)方法,利用图形处理技术对相差显微镜所拍摄的精子图像进行处理和分析,其设备体积大,造价高,成像视野小,更重要的是,该方法所得到的运动轨迹是平面的。事实上,精子的运动在三维空间中进行的。获得三维运动轨迹的关键步骤是三维定位,为此,本研究提出一种利用猪精子无透镜衍射成像获得其三维定位的方法。在衍射成像重建的基础上,利用图像处理算法,获得其平面坐标,利用重建距离影响虚实像对比度的原理,设计了聚焦度评价指标和自聚焦算法,获得其高度坐标,从而实现猪精子个体三维定位。结果表明,该方法在对精子个体进行三维定位时,在水平和垂直方向上分别能够达到为±1.4、±10μm的精度。该方法有望为猪精子质量检测和趋化性研究提供更加科学的数据支撑。

多种相控阵超声后处理聚焦算法的仿真对比

相控阵超声检测是1种新型、高级的工件内部缺陷无损超声检测技术,其可使用多个不同晶片独立发射超声波,并按照设定的时序和要求通过电子信息控制系统激发各晶片阵源,从而实现声场的偏转、多角度和聚焦。随着该技术的快速发展,出现了多种相控阵超声后处理聚焦算法。文章通过对几种常见相控阵超声后处理聚焦算法的原理简介与仿真,对比各种算法在分辨率设置、成像质量和运算数据量等的差异,分析各种算法的优缺点和适用范围,为合理的选择相控阵超声后处理聚焦算法提供参考依据。

基于空间聚焦机制的混沌随机蚁群算法

为了提高蚁群算法在大规模旅行商问题上的性能,本文提出了一种基于空间聚焦机制的混沌随机蚁群算法(CRACS)。首先,使用空间聚焦机制将旅行商问题划分为几个子类;其次,提出了一种改进混沌随机蚁群算法来求解子类;最后,将各个子类路线进行聚焦,选择最优连接路线动态连接各个子类,形成旅行商问题的最优解决方案。本文选取不同规模的典型旅行商问题进行了仿真实验,实验结果表明本文提出的算法在大规模问题上具有优秀的性能,相比于其他智能算法具有更优质的解和更快的搜索速度。

聚焦换能器声场特性的快速检验方法

高强度聚焦超声(HIFU)已在无创肿瘤治疗方面展示出巨大的应用潜力,而换能器聚焦性能的优劣对疗效起到至关重要的作用,因此声场的精确测量成为实际应用的重要保障.由于加工工艺和安装精度的限制,聚焦换能器的实际声场和理想声场可能存在一定偏差.针对传统三维扫描测量存在速度慢和精度低的问题,提出了一种基于双平面双精度测量的聚焦换能器声场特性快速检验方法.通过沿理想z轴的高精度一维扫描确定换能器倾斜角范围,在声压极值点所在横截面内利用低精度和高精度变邻域搜索法实现最大声压点的精准定位,进一步通过焦域内双平面最大声压点构建声场的实际轴线,完成实际声场焦点的精确定位,最后基于实际焦平面内轴向与径向的高精度测量结果,计算获得焦域尺寸、旁瓣大小、分布对称性和声功率等性能参数.利用构建的声场扫描实验系统对聚焦换能器声场进行三维扫描和快速测量,结果表明在相同的测量精度(0.1 mm)下可以有效提高测量速度百倍以上,具有测量速度快、测量精度易于调节和性能分析全面等优点.方法为聚焦换能器检验提供一种高精度的快速声场测量新技术,在超声治疗仪器的检验中具有重要的指导意义与应用价值.

基于遗传算法优化VMD-ESSA的HIFU回波信号降噪研究

由于高强度聚焦超声(HIFU)信号夹杂环境噪声,提出利用遗传算法优化变分模态分解(VMD)并结合能量均值法(EAM)及奇异谱分析(SSA)来对其进行降噪。遗传算法使得VMD具有更强的抗干扰性,奇异谱分析能够弥补能量均值去噪不完善。仿真实验表明,所提方法与GA-VMD-E、GA-VMD-SSA、VMD-ESSA降噪方法相比,重构后的信号的信噪比更高,均方根误差和最大误差更小。在实测信号中从频谱和降噪率两个角度证明了该方法的优越性,为通过HIFU回波信号分析生物组织损伤提供了一种更有效的预处理方法。

基于层次聚类的平面阵列电容聚焦成像方法

为减少平面阵列电容成像过程中的无效数据,提出一种基于层次聚类的平面阵列电容聚焦成像方法。根据平面阵列电极电容数据的特点,利用层次聚类算法对电容数据进行分类,根据分类结果将电极分为无效电极和有效电极,并进一步确定感兴趣区域,利用有效电极产生的电容值进行电容成像,从而达到减少无效数据,提高计算效率,加快图像重建速度的目的。对绝缘材料进行缺陷探测的仿真实验,结果表明:数据优化之后得到的重建图像与数据优化之前得到的重建图像相比,在减少数据量加快图像重建速度的同时,可保证图像重建的精度。

颗粒填充复合炸药裂纹缺陷的高信噪比超声成像方法

高聚物黏结炸药(PBX)是一类由炸药造型颗粒高度填充和少量黏结剂构成的复合材料,其内部裂纹的有效检出对结构完整性评价和安全可靠性评估具有重要意义.PBX因其特殊的细观结构特征呈现出声速低、衰减强的特点,利用传统线性超声聚焦成像时,超声波在颗粒边界发生的多重反射会造成重构图像信噪比低,裂纹特征淹没在背景噪声中,难以有效识别.为改善成像信噪比,提出一种基带非线性合成聚焦(BB-NSF)超声相控阵成像算法,充分利用全矩阵数据中各通道接收信号的空间相干性,增强缺陷位置图像强度的同时抑制了背景噪声,再结合PBX曲面构形特征对算法的延时法则进行修正,实现了曲面构形PBX不同取向裂纹缺陷的高信噪比成像,并对重构图像质量和成像效率进行了定量对比评价.结果表明,BB-NSF算法可有效地抑制背景噪声,显著地改善PBX裂纹检出能力.BB-NSF算法中的信号空间相干度p是影响图像信噪比的关键参数.p值大于2.0时,PBX裂纹缺陷超声重构图像的信噪比相比于传统的全聚焦成像算法可以提升10 dB以上.随着p值增加,重构图像的信噪比可以得到进一步提升,而计算效率保持稳定,体现出BB-NSF算法在强衰减复合材料内部缺陷成像方面的优势和应用前景.

光参量啁啾脉冲放大数值模拟平台中超短脉冲聚焦模拟算法

光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)数值模拟平台研发涉及到光脉冲的展宽压缩、参量放大和聚焦输出等物理模型,针对其中的超短脉冲聚焦算法,本文推导给出了输出光场范围可调、并具备快速傅里叶算法的数学表达式,解决了传统菲涅尔远场衍射聚焦算法面临如何提高光场分辨率和保持各波长分量计算网格大小一致的难题,为后续直接进行时频逆变换、高效分析超短脉冲聚焦后的时空耦合特性提供了便利.数值仿真结果揭示出,超短脉冲聚焦场暗环区域表现出强烈的时空耦合特征.本算法已成功应用于OPCPA数值仿真平台研发中,可望在超短激光脉冲装置的优化设计工作中发挥重要作用.

基于分区搜索算法的快速聚焦策略研究

针对爬山算法在自动聚焦中出现的诸如准确率差、速度慢等问题,提出了一种结合自适应步长和两步搜索法的分区搜索算法。方法根据聚焦评价函数值大小和曲线线形将聚焦评价曲线分为平缓和陡峭两个区域,平缓区域使用自适应步长进行搜索,提高自动聚焦搜索速度;陡峭区域使用两步搜索法,避免假峰值干扰所导致的聚焦错误,提高自动聚焦准确率。实验结果表明,分区搜索算法相较于爬山算法聚焦速度提升了11.25%,且具有更好的准确性和抗干扰能力。

AO算法改善波前整形技术

光场调控中的波前整形技术解决了相干光透过无序散射介质聚焦问题,以迭代优化方法简化实验装置,以达到加强对漫射光的控制目的。引入AO算法对入射波前进行处理,实现对波前整形技术的改善。实验中进行了与标准粒子群算法(PSO)、灰狼算法(GWO)这类群体智能优化算法的比较,AO算法改善后的波前整形技术具备更佳光学聚焦能力。研究表明,与标准粒子群算法和灰狼算法相比,经过AO算法改善后波前整形技术可得到更高的目标光强值,取得更好的散斑聚焦效果。

复合材料加筋结构冲击定位算法有效性分析

随着复合材料在飞机结构上的大量应用,外来物的冲击造成复合材料内部出现分层等目不可见的损伤威胁越来越多,因此,对复合材料加筋结构进行冲击事件监测、冲击定位识别是非常必要的。为了验证冲击定位算法的工程有效性,基于复合材料大壁板结构上冲击试验的压电传感信号,比较时间反转聚焦、误差函数和互相关函数三种冲击监测算法的定位精度。结果表明:在2 360 mm×1 260 mm监测区域内,互相关函数算法在复杂结构定位中的误差最小,可应用于冲击监测设备开发。

基于改进爬山算法的显微自动对焦系统

为了更好地解决显微装置快速自动对焦与精准定位对显示图像清晰度的影响问题,文章通过改进爬山对焦算法在反向搜索判据方面的合理取值,提升了完成对焦后的图像清晰度,优化了自动对焦的速度,有效地提升了显微装置系统图像的高清晰度快速自动对焦性能。实验结果表明:基于改进爬山算法,图像对焦速度方面提高了35.92%,图像清晰度方差值提升了6.32%,有效地提高了显微装置系统的对焦速度和精度。

分数评估法实现光通过散射介质聚焦

为了解决强噪声环境下的相干光通过散射介质聚焦与成像问题,本文提出分数评估法,利用该方法对入射光的相位分布进行迭代优化。分数评估法的基本思想是在优化迭代过程中,通过参考目标光强值赋分的方式对相位值进行评估和考量。通过二元相位优化的方式提升迭代程序运行的速度,缩短聚焦时间,以便将该方法运用于动态散射介质。将该方法与蚁群算法对比,结果发现,分数评估法在强噪声环境下仍然能够实现散射聚焦,而蚁群算法在强噪声环境下失效。实验测得分数评估法的焦点光强是优化前散斑平均光强的71.4倍。因此,对于今后在生物成像、光电检测等应用领域,应当优先考虑使用分数评估法优化入射光的波面以提升成像或聚焦的分辨率和清晰度。

透过散射介质聚焦时背景噪声抑制的实验研究

针对波前整形的背景噪声问题,提出了一种有效抑制背景噪声的算法。首先搭建闭环波前整形聚焦系统,并基于传统遗传算法进行聚焦实验以验证系统的有效性。然后从增强信噪比的目的出发,提出与以往的多目标优化遗传算法不同的迭代方法,即采用增强倍数而不是绝对强度的判别式来评估目标点的聚焦质量。实验结果表明,改进后的遗传算法将显著噪点亮斑的面积减少了70.4%,聚焦光斑的圆度由0.83提升到0.93。基于实验结果提出背景平均光强与调控面积之间的量化关联模型,并通过量化关联模型对统计实验数据进行拟合,验证了该模型的有效性,实现对聚焦后背景噪声的定量表述。

基于声辐射力脉冲的HIFU焦点监控

目的通过仿体实验,验证声辐射力脉冲成像方法在术前探测高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)焦点位置的可行性。方法利用HIFU换能器产生时间长度分别为200、600、900 ms的声波激励信号,这些声波在仿体内部可产生声辐射力脉冲并推动焦域的仿体组织发生位移。使用超声影像技术中的运动成像方法(Loupas二维互相关算法)对该位移信息进行监测。由于焦域处能量大,声辐射力在焦域内产生的位移大于焦域外的区域,根据组织运动幅值的空间二维分布来确定焦域位置。结果声辐射力脉冲在仿体组织中产生的位移可被超声影像技术监测到,组织运动幅值的空间二维分布图能够准确反映HIFU治疗的焦域位置信息。由该方法得到的焦点位置与换能器的几何焦点相差5 mm,更接近实际焦点。结果显示,激励脉冲的长短对组织运动监测的影响较大,当激励时间长度为200 ms时,所获得的组织位移分布最符合焦域的实际能量分布情况,增长激励时间,受热扩散和组织凝固影响,所得位移分布呈扩散趋势。结论通过监测HIFU换能器的声辐射力所产生的组织运动,在仿体上验证了术前对焦点进行定位的可行性,利用该技术可提高HIFU手术的安全性。

面向极端波浪模拟的圆形全向聚焦波合成算法与试验研究

为再现极端聚焦波浪,基于传统二维双叠加聚焦法,改进谱峰频率、频带、波幅分配方法等,创新研发了圆形全向聚焦波合成算法。该算法实现了极端聚焦波与图形类聚焦波的模拟生成,如单峰聚焦波、双峰聚焦波、偏心聚焦波、旋转聚焦波、D形类聚焦波等多种聚焦波形,并可对聚焦位置、高度、直径、垂直度等波浪形态进行精准控制,且能模拟强非线性波,生成高达10 m的上冲射流,冲速达到13.8 m/s,亦可模拟常规波形,包括旋转波、驻波等规则波,满足传统波浪试验的需求。

基于自适应分数阶微分和改进分水岭的HIFU治疗区域提取方法

在高强度聚焦超声治疗中,需要在超声影像中对目标治疗区域定位与分割。受B超图像复杂背景与噪声干扰,传统的图像分割算法存在局限性。结合Grünwald-Letnikov(G-L)分数阶微分与分水岭思想提出了一种新的图像分割方法。首先将5×5分数阶微分算子划分为八个子模板进行卷积运算,并以归一化后的局部图像梯度与对比度来表征局部图像频率的变化,由此构建自适应分数阶阶次模型,以实现图像的自适应增强;然后对治疗前后的B超图像进行减影,利用形态学开闭操作、距离变换对减影后的图像进行灰度重建,将重建的结果作为分水岭变换的前景标记,以治疗后的B超图像作为背景进行分水岭分割。结果表明:使用该方法分割后的治疗区域轮廓Dice系数,准确率(accuracy)和精度(precision)分别为93.69%、96.74%、92.23%,相较于传统分水岭分割方法分别增加了6.37%、8.59%、6.72%。

基于加权邻域相关性的显微镜自动聚焦函数

提出了一种基于加权邻域相关性的显微镜自动聚焦函数，并在研究显微镜聚焦原理及成像过程的基础上，分析了显微镜图像中像素邻域灰度相关性及像散现象对聚焦评价的影响。首先，分别计算每幅显微镜序列图像中各像素与其四邻域像素的灰度相关性。然后，计算基于此相关性加权平均值的二次多项式聚焦函数，其中的权值则根据对应像素与显微镜视场中心的距离来确定。最后，选取该函数值最大的图像为聚焦图像。实验结果表明，与经典的聚焦函数（如方差函数、绝对梯度函数、Roberts梯度函数及Tenengrad函数）相比，本文方法的聚焦灵敏度因子提高了0．3185～0．3268，噪声环境下聚焦的平均正确率提高了0％～40％。该方法能够准确地评价图像聚焦的程度，并具有较高的灵敏度和较强的抗噪性。