Page 165 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 张金英等： 面向开环扫描系统的超声图像畸变校正方法 161

obtain the initial gray image, the Otsu method is used to obtain the edge pixel positions of the B-scan image
of the region of interest, and the C M method is used to eliminate the pixel dislocation. The coin images
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demonstrated that the ultrasonic C-scan image distortion is successfully eliminated. The time of flight method
and Fourier transform method are used to reconstruct the echo data which have been corrected from the
dislocation distortion, and the undistorted three-dimensional image and perspective image are obtained directly.
The new algorithm also verifies that the MIP method can be extended to the application of image distortion
correction.
Keywords: Ultrasonic microscopy; Open-loop scanning system; Distortion correction; Maximum intensity
projection; Maximum between-cluster variance method

开环控制的二维激光扫描动态检测系统，利用对系
0 引言
统随机误差的修正，很好地实现了工件超差的准确

超声显微成像技术利用物体的声阻抗差异，通 判别。2004年，施群等 [11] 提出了应用于开环系统的
过探测回波信号实现对物体表面及亚表面结构的 高精度均匀插补算法，通过软硬件结合的方式保证
三维成像，具有非侵入、无辐射、高分辨、穿透深等显 了开环步进电机控制脉冲的均匀性，提高了开环系
著优势，广泛应用于半导体、芯片封装检测、复合新 统的数控精度。2020年，Orekhov等 [12] 研制并对比
材料、金刚石复合片、航空航天材料、低压电器、新能 了 3 种人类脚踝外骨骼辅助行走系统，证明了开环
源锂电池和碳纤维材料等领域内部缺陷检测。由于 控制方式不仅在扭矩追踪能力等性能上优于闭环
高频 (> 30 MHz)超声阵列换能器的制备 [1−5] 及与 控制，并且具有更低的能量损耗、噪声及复杂度，具
高频相控阵电路的集成 [6−9] 仍存在巨大挑战，超声 有更优的商业前景。
显微成像技术难以利用相控阵扫描技术，目前仍采 在超声显微成像中，目前研究人员广泛采用的
用机械扫描方式。机械扫描主要包括闭环、半闭环、 机械扫描方式还是闭环、半闭环控制系统。2019 年，
开环 3 种控制方式。闭环控制系统通常采用光栅尺 Shoukroun 等 [13] 利用自主搭建的闭环超声扫描系
或编码器等运动检测器读取电机的运动位置信息， 统对新型的 X射线 CT系统的探伤检测进行评估和
将其反馈至运动控制器和上位机，并根据该反馈位
校准验证，该超声成像系统的聚焦声斑为 280 µm；
置信息做出调整使电机修正运动位置，实现最佳定
2020 年，Svilainis 等 [14] 利用三维闭环机械扫描系
位精度，但这种调整往往使得连续扫描成像难以实
统对高频聚焦超声换能器进行 C 扫描成像，聚焦声
现，仅适用于逐点扫描成像。半闭环控制系统在硬
斑为350 µm，还可对超声换能器进行性能测试和验
件上与闭环控制一致，也是需要采用光栅尺或编码
证，指导新的换能器制造方法；2021 年，Lim 等 [15]
器读取电机的运动位置信息，将其反馈至运动控制
研制了一套超声热疗检测双模式医疗设备，该设备
器和上位机。不同的是，半闭环控制系统不会根据
应用德国PHYSIC仪器的 L-509半闭环扫描系统进
反馈位置信息对电机运动做出调整，因此可以实现
行 C 扫描成像，分辨率为 200 µm，在小鼠实验上取
快速连续扫描，但在利用位置信息和回波信号进行
得了阶段性成功。这些闭环扫描系统具有反馈机制，
图像重建时需要谨慎采用插值算法以消除图像畸
定位精度高、成像分辨率高，但是系统复杂、所需硬
变。开环控制系统也叫 “无反馈系统”，即没有反馈
件成本高。
功能来调节驱动系统。与闭环、半闭环系统相比，开
环控制系统简单得多，无需光栅尺或编码器，仅利用 如果能采用开环控制系统实现快速连续扫描，
回波信号进行图像重建，可以实现快速的连续扫描 并将非线性运动引起的图像畸变消除，就会显著降
成像，但存在非线性运动引起的图像畸变。 低超声显微成像系统的成本和控制复杂度。本文提
开环控制方式虽然不如闭环、半闭环控制方式 出一种面向开环扫描系统的超声图像畸变校正方
的定位精度高，但由于结构简单、易于调试、成本低 法，通过改进图像重建算法消除非线性运动引起的
廉，多年来在激光扫描、数控系统、外骨骼增强等诸 图像畸变，具有校正简便、控制简单、成本低廉等特
多领域获得了广泛应用。1994年，田雯等 [10] 研制了 点，能够适应多种目标检测和成像需求。