本發(fā)明解決具有彈性波和電磁波以及這些的組合的非線性散射的成像。其應(yīng)用在醫(yī)療以及技術(shù)兩個(gè)領(lǐng)域中。

背景技術(shù)：

電磁(em)波和彈性(el)波兩者的材料性質(zhì)常常展示非線性性質(zhì)，其中材料參數(shù)取決于波的場(chǎng)變量的振幅。非線性材料性質(zhì)的空間變化提供em波和el波兩者的非線性散射，且此類非線性散射源的成像在許多情形中可用于識(shí)別材料性質(zhì)。前向波傳播以及em波和el波的局部散射兩者具有數(shù)學(xué)類似性，且因此用于成像的方法和儀器具有類似結(jié)構(gòu)。el波的用途的實(shí)例是利用剪切波和壓縮波兩者的材料測(cè)試、利用壓縮波的超聲醫(yī)療成像，以及聲納海底和地質(zhì)學(xué)測(cè)量。em波具有類似用途，其中具有0.1-1mm范圍中的波長(zhǎng)的高ghz和thz范圍中的em技術(shù)的尤其新的發(fā)展正被開(kāi)發(fā)用于醫(yī)療成像，將添加的信息提供到超聲圖像。紅外和光學(xué)頻率范圍中的em成像還提供用于材料測(cè)試和醫(yī)療成像兩者的有用信息。

非線性散射能夠用于將em波和el波兩者分成參數(shù)和諧振散射類型。對(duì)于el波，參數(shù)散射來(lái)源于局部彈性參數(shù)隨局部彈性波場(chǎng)的振幅的非線性變化，其中非線性變化的空間變化產(chǎn)生非線性散射。對(duì)于em波，參數(shù)散射來(lái)源于局部介電常數(shù)或磁導(dǎo)率隨局部em波場(chǎng)的振幅的非線性變化，其中非線性變化的空間變化產(chǎn)生非線性散射。對(duì)于彈性壓縮波(被稱作聲波)，舉例來(lái)說(shuō)，在軟材料和硬材料之間的界面處獲得強(qiáng)非線性參數(shù)散射，例如從來(lái)自軟腫瘤組織中的微鈣化的超聲非線性散射或來(lái)自比如礦物或其它物體等土壤中的硬物體的聲學(xué)散射所發(fā)現(xiàn)的。還在更硬材料和軟的多的材料之間的界面處獲得強(qiáng)非線性散射，例如從來(lái)自血液中的氣體微泡或水中的魚(yú)類等的氣體填充的魚(yú)鰾的超聲散射或來(lái)自例如聚合物、聚合復(fù)合物、巖石或金屬零件中的裂縫的聲學(xué)散射所發(fā)現(xiàn)的。

對(duì)于單一頻帶入射波，參數(shù)非線性散射產(chǎn)生散射波中入射頻帶的諧波分量。對(duì)于局部交互的雙帶入射波，參數(shù)非線性散射產(chǎn)生入射頻帶的卷積周圍的帶，其提供入射頻率的和與差周圍的帶。然而，材料參數(shù)的非線性變化還產(chǎn)生前向傳播波的累積非線性失真。當(dāng)高頻率脈沖的脈沖長(zhǎng)度增加到低頻率脈沖的近似半周期以上時(shí)，來(lái)自非線性前向傳播失真的線性散射具有與局部非線性散射類似的簽名，且在此情況下難以區(qū)分從入射波的非線性前向傳播失真的線性散射發(fā)生的信號(hào)分量和從局部非線性散射發(fā)生的信號(hào)分量。本發(fā)明提供呈方法和儀器的形式的解決方案，其抑制來(lái)源于由非線性前向傳播失真產(chǎn)生的分量的強(qiáng)線性散射的分量，且提取局部非線性散射分量以產(chǎn)生局部非線性散射源的空間成像。

諧振非線性散射具有所涉及的時(shí)間滯后，其在一些情況下能夠用于分離來(lái)自局部非線性散射和入射波的前向傳播失真的信號(hào)分量。然而，本發(fā)明提供用于局部諧振非線性散射源的成像的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于聲波，氣體微泡展示諧振散射，舉例來(lái)說(shuō)，其中諧振來(lái)源于殼層和氣體的氣泡的非線性彈性與具有氣泡體積的近似3倍的體積的氣泡周圍的共振蕩流體質(zhì)量之間的能量交換。隨著彈性和質(zhì)量?jī)烧唠S氣泡壓縮而變化，諧振頻率非線性地受入射聲波場(chǎng)影響，從而產(chǎn)生具有入射頻率的大量諧波分量(入射頻率的n倍)乃至散射場(chǎng)中入射頻率的子諧波分量(入射頻率的分?jǐn)?shù))和入射頻率的超諧波分量(諧波分量周圍的帶)的尤其強(qiáng)的非線性散射。然而，對(duì)于完全在氣泡諧振頻率以上的頻率處的成像，非線性散射低得多，且本發(fā)明提供用于在諧振頻率以上的頻率處微泡的增強(qiáng)成像的解決方案。

微鈣化還能夠產(chǎn)生低頻率處聲波的諧振散射，其中比周圍組織重的鈣粒子與周圍組織的剪切彈性交互以產(chǎn)生低諧振頻率。其中操縱波的頻率為低的本發(fā)明的雙頻解決方案能夠在鈣粒子較小時(shí)激發(fā)此諧振。

諧振非線性em散射在波場(chǎng)與原子和分子之間的交互中發(fā)起，其在量子物理學(xué)的領(lǐng)域內(nèi)最佳描述。em諧振散射的實(shí)例為具有與子諧波聲學(xué)散射的類似性的熒光。兩個(gè)光子量子散射類似于第2諧波參數(shù)散射，但包含在過(guò)程中具有時(shí)間滯后的詳細(xì)動(dòng)力學(xué)。

還發(fā)現(xiàn)材料中的em波和el波之間的非線性交互，其中舉例來(lái)說(shuō)，el壓縮波在稱為聲光效應(yīng)的過(guò)程中改變em材料參數(shù)。材料中em波的吸收產(chǎn)生在稱為光聲效應(yīng)的過(guò)程中產(chǎn)生聲波的材料的輻射力和局部加熱。本發(fā)明因此解決em波和el波兩者和這些的組合，其中描述內(nèi)容和權(quán)利要求書(shū)中提及的波可以是em波和/或el波。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

此概述給出本發(fā)明的組件的簡(jiǎn)要概觀，且并不提供關(guān)于本發(fā)明的范圍的任何限制，其中本發(fā)明僅由此處所附的權(quán)利要求書(shū)界定。

本發(fā)明以聲學(xué)陣列和電磁陣列兩者和這些的組合操作，例如利用光聲原理。使用聲波作為一實(shí)例描述本發(fā)明的一般原理，其中到電磁波的轉(zhuǎn)變能夠由所屬領(lǐng)域的任何技術(shù)人員進(jìn)行。

第1和第2脈沖波在至少一個(gè)發(fā)射事件中在偏斜或相反方向中發(fā)射到物體中，其中第1和第2所發(fā)射脈沖在物體的非線性交互重疊區(qū)中在空間和時(shí)間上重疊。對(duì)于其中用于波散射和傳播的參數(shù)取決于波場(chǎng)的振幅的物體，獲得重疊區(qū)中的非線性交互散射源，頻率分量是第1和第2脈沖波的頻率分量的和與差。非線性交互散射分量由接收陣列拾取，接收陣列可以是發(fā)射陣列中的一者或單獨(dú)陣列，且經(jīng)由處理能夠經(jīng)由以下操作使非線性交互散射分量與其它接收分量分離：i)時(shí)域中的過(guò)濾，或ii)脈沖倒轉(zhuǎn)技術(shù)，其中發(fā)射具有第1和第2脈沖波中的一者的極性、振幅或頻率的差異的第1和第2脈沖波的兩個(gè)事件，且組合來(lái)自兩個(gè)發(fā)射事件的接收信號(hào)，或ⅲ)過(guò)濾和脈沖倒轉(zhuǎn)的組合。

對(duì)于第1和第2發(fā)射波的相反傳播，由第1和第2脈沖波的發(fā)射的相對(duì)定時(shí)確定重疊區(qū)的深度位置。由脈沖的長(zhǎng)度確定重疊區(qū)的長(zhǎng)度，其中通常將選擇發(fā)射脈沖中的一者(感測(cè)脈沖)的短脈沖以實(shí)現(xiàn)良好空間圖像分辨率，另一脈沖(操縱脈沖)可能相對(duì)較長(zhǎng)以確定重疊區(qū)的長(zhǎng)度。然而，非線性交互掃描的強(qiáng)度隨兩個(gè)所發(fā)射脈沖的振幅增加，且隨著變換器陣列和物體的較長(zhǎng)脈沖吸收加熱限制了脈沖振幅，因此減小非線性交互掃描的強(qiáng)度。在此情形中，給定可允許的孔隙尺寸和隨著深度的射束衍射加寬，有利地使用比如第1脈沖(操縱脈沖)的盡可能低的頻率，而另一脈沖具有高頻率以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)散射和空間分辨率。本發(fā)明提供針對(duì)此系統(tǒng)的解決方案。

本發(fā)明還主張一種根據(jù)所述方法操作的儀器。所述儀器和方法能夠以不同類型的陣列操作，舉例來(lái)說(shuō)至少兩個(gè)線性或相控陣列，或環(huán)狀陣列，所有均在此項(xiàng)技術(shù)中已知。

附圖說(shuō)明

圖1說(shuō)明用于兩個(gè)射束之間的非線性交互的成像的陣列和射束的布置。

圖2a和2b說(shuō)明入射的第1和第2所發(fā)射時(shí)間頻帶的和與差頻帶的形成，以及經(jīng)由時(shí)間頻域中的過(guò)濾對(duì)非線性交互散射信號(hào)的提??；

圖2c說(shuō)明當(dāng)?shù)?發(fā)射波的中心頻率小于第2發(fā)射波的時(shí)間頻率帶寬時(shí)入射的第1和第2所發(fā)射時(shí)間頻帶的和與差頻帶的形成；

圖3進(jìn)一步說(shuō)明兩個(gè)波彼此成角度的傳播交互。

圖4說(shuō)明在兩個(gè)射束在相反方向中傳播的情況下圖1中的陣列的布置的修改。

圖5說(shuō)明當(dāng)?shù)?發(fā)射波的中心頻率小于第2發(fā)射波的時(shí)間頻率帶寬時(shí)來(lái)自相反傳播波的非線性交互散射。

圖6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的儀器的框圖。

具體實(shí)施方式

我們將在此處給出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的實(shí)例。所述描述并不提供關(guān)于本發(fā)明的范圍的任何局限性，其中本發(fā)明僅由在此所附的權(quán)利要求書(shū)界定。

我們使用具有2階彈性的物體中的聲壓波作為用于描述本發(fā)明的實(shí)例。然而，所屬領(lǐng)域的任何技術(shù)人員將了解能夠如何將此實(shí)例擴(kuò)展到較復(fù)雜的彈性情形，例如諧振非線性散射器的情形、聲學(xué)剪切波、聲板波、聲學(xué)表面波以及電磁波的使用。聚合物、聚合復(fù)合物或巖石中的裂縫提供尤其強(qiáng)的非線性散射。根據(jù)本發(fā)明的方法能夠例如用于檢測(cè)巖石中的裂縫以評(píng)估巖層的穩(wěn)定性、隧道中水的流入的問(wèn)題，以及油氣井的鄰域的評(píng)估。對(duì)于例如飛機(jī)、船舶或風(fēng)車中的構(gòu)造中的聚合物或聚合復(fù)合物的板，能夠例如使用根據(jù)本發(fā)明的檢測(cè)非線性交互散射的方法來(lái)檢測(cè)裂縫或材料中的其它損壞，作為制造中的質(zhì)量控制以及用于監(jiān)測(cè)構(gòu)造的安全操作。對(duì)于板，能夠方便地使用表面或板模式彈性波或壓力波，或這些的組合。

對(duì)于壓力波的說(shuō)明性實(shí)例，通過(guò)壓力p對(duì)小體積元件δv的體積壓縮δv能夠達(dá)到壓力的2階，寫(xiě)成其中ψ為波中的粒子位移，κ為線性可壓縮性，且βn為非線性參數(shù)。在此非線性彈性的情況下，我們獲得包含非線性前向傳播和散射現(xiàn)象的波等式，為

其中r為空間坐標(biāo)向量，t為時(shí)間，為經(jīng)由界定的聲學(xué)脈沖動(dòng)量場(chǎng)，其中為聲學(xué)粒子速度，ρ(r)為物體質(zhì)量密度，且為聲壓場(chǎng)。c0(r)為針對(duì)低場(chǎng)振幅的線性波傳播速度，βp(r)＝βn(r)κ(r)為非線性傳播參數(shù)，hp(r,t)為表示波能的吸收加熱的卷積核心。σl(r)和γ(r)為給出線性散射參數(shù)的物體的可壓縮性和質(zhì)量密度的相對(duì)快速(以<近似波長(zhǎng)的尺度)空間變化，且σn(r)為非線性散射參數(shù)。左側(cè)傳播參數(shù)隨r以>近似波長(zhǎng)的尺度變化，而右側(cè)散射參數(shù)隨r以<近似波長(zhǎng)的尺度變化。能夠制定針對(duì)電磁波的類似等式，其表示em波的類似非線性傳播和散射現(xiàn)象。

等式(2)的不同項(xiàng)具有對(duì)波傳播和散射的不同效應(yīng)：線性傳播項(xiàng)(1)引導(dǎo)入射波的線性前向傳播而不產(chǎn)生新頻率分量。線性散射源項(xiàng)(4)產(chǎn)生前向傳播波的局部散射而不產(chǎn)生散射波中的新的頻率分量。更詳細(xì)分析展示，非線性傳播項(xiàng)(2)經(jīng)由項(xiàng)(1+2)的組合修改傳播速度，為

其中，我們?cè)谧詈蟮慕浦幸咽褂脇2βp(r)p1(r,t)|＝|x|<<1，其允許近似傳播速度隨等式(2)中的壓力p的非線性變化由以下情況引起：高正壓力使材料隨著傳播速度的相應(yīng)增加而變硬，而高負(fù)壓力使材料隨著傳播速度的相應(yīng)減小而變軟。此產(chǎn)生非線性波傳播中眾所周知的波的前向傳播失真。波的(r1,t1)到(r2,t2)處的場(chǎng)點(diǎn)的傳播時(shí)間t(r1,r2)在幾何射線傳播近似中，給定為

其中γ(r1,r2)為r1到r2的幾何射線傳播路徑，p(s)為依據(jù)傳播而變的場(chǎng)點(diǎn)處的波壓力，t0(r1,r2)為低振幅線性方案中的傳播時(shí)間，且τ(r1,r2)為我們指示為非線性傳播延遲的傳播時(shí)間的非線性修改。

因此，對(duì)于具有相對(duì)于波場(chǎng)振幅的材料參數(shù)的恰當(dāng)高非線性的材料，非線性影響波的傳播速度和局部散射兩者。非線性材料參數(shù)的緩慢變化(在>～波長(zhǎng)度的尺度上接近恒定)將提供入射波的非線性前向傳播失真，其經(jīng)由等式(1)的項(xiàng)(2)隨傳播距離累積/增加量值。非線性材料參數(shù)的快速振蕩(在<～波長(zhǎng)的尺度上)經(jīng)由等式(1)的項(xiàng)(5)產(chǎn)生入射波的局部非線性散射。

非線性傳播(2)和散射(5)現(xiàn)象在材料參數(shù)的2階近似中，兩者與成比例。對(duì)于是兩個(gè)分量的和p＝p1+p2的波(如我們的實(shí)例中)，非線性傳播和散射兩者由下式給定

時(shí)間域中兩個(gè)函數(shù)的乘法產(chǎn)生時(shí)間頻域中函數(shù)時(shí)間傅里葉變換(即時(shí)間頻譜)的卷積。此卷積在函數(shù)的乘積中引入頻率分量，其為乘法的因數(shù)的頻率分量的和與差。對(duì)于非線性自失真項(xiàng)，此產(chǎn)生入射頻帶的諧波和子諧波分量。

圖1展示根據(jù)本發(fā)明用于物體100的非線性交互散射的測(cè)量或成像的一個(gè)實(shí)例實(shí)施例的變換器陣列和射束結(jié)構(gòu)。圖1a展示高度方向中的結(jié)構(gòu)，且圖1b展示射束的方位角方向中(垂直于高度方向)的結(jié)構(gòu)。附圖進(jìn)一步展示第1變換器陣列101發(fā)射第1脈沖波束103，p1(r,t)，其在由單位向量n1指示的方向105中傳播且在下文中被稱為操縱波。附圖進(jìn)一步展示第2超聲變換器陣列102發(fā)射第2脈沖波束104，p2(r,t)，在由單位向量n2指示的方向106中傳播且在下文中被稱為感測(cè)波。107指示變換器和物體(例如，水或耦合凝膠)之間的勢(shì)波耦合材料。在高度平面中，存在射束方向106和105之間的角度θ。操縱脈沖波束103在橫向高度平面中極寬，且相應(yīng)地長(zhǎng)，使得其以選定深度間隔z確定兩個(gè)脈沖波束之間的重疊區(qū)，其中p1p2將不同于零且因此產(chǎn)生非線性交互散射源。對(duì)于p1的低頻率f1，有利的是利用脈沖103的特定寬度來(lái)限制衍射效應(yīng)。在脈沖103的匹配長(zhǎng)度的情況下，此寬度還增加重疊區(qū)的寬度。我們應(yīng)注意，長(zhǎng)脈沖可能歸因于吸收加熱而需要減小的脈沖振幅，這減小非線性交互散射的強(qiáng)度～p1p2，從而有利地使用短和聚焦脈沖。重疊區(qū)的長(zhǎng)度z能夠經(jīng)由脈沖射束103的橫向掃描而增加，例如經(jīng)由由箭頭113和114指示的陣列101的旋轉(zhuǎn)或橫向移動(dòng)，或兩者的組合。

等式(1)中的非線性散射源項(xiàng)(5)為在所有方向上同等地從小于入射波的波長(zhǎng)的源基本上散射的單極散射項(xiàng)。然而，相鄰散射器和比波長(zhǎng)大得多的散射器之間的干擾產(chǎn)生方向相依散射。在此實(shí)例中，所散射信號(hào)以陣列102接收，而在圖6中還說(shuō)明用于所散射信號(hào)的接收的實(shí)例第3陣列607。對(duì)于圖像的橫向分辨率，接收陣列能夠劃分成橫向方向中的許多小元件，以根據(jù)已知方法獲得圖像中的橫向方位角接收分辨率。此類元件劃分還允許根據(jù)已知方法用電子方式導(dǎo)引的發(fā)射和接收聚焦。為獲得高度方向中的橫向分辨率，可根據(jù)已知方法使用來(lái)自陣列102的接收和發(fā)射射束，其在高度方向中較窄，由圖1a中的線110展示。物體的3d成像能夠根據(jù)已知方法，例如通過(guò)在由圖1a中的箭頭112指示的高度方向中以機(jī)械方式掃描陣列結(jié)構(gòu)而獲得。在二維矩陣接收陣列102的情況下，可根據(jù)已知方法獲得高度方向中窄發(fā)射/接收射束的完整電子3d掃描。還可針對(duì)利用矩陣陣列的3d掃描發(fā)射在高度方向中較寬的脈沖波104，且利用接收射束獲得3d高度分辨率。

在此實(shí)例中，脈沖波束103和104兩者在方位角方向中較寬，圖1b。，兩個(gè)射束在此實(shí)例中出于說(shuō)明的目的以方位角平面中的相同線108和109為界，其中在實(shí)踐中，兩個(gè)射束的邊界將歸因于不同孔隙和頻率而不同。射束的兩個(gè)其它方向角在此實(shí)例中經(jīng)選擇使得第1和第2脈沖之間的重疊區(qū)變得平行于陣列102的表面，這在許多設(shè)置中是優(yōu)選的。然而，所屬領(lǐng)域的任何技術(shù)人員應(yīng)了解，射束之間的兩個(gè)其它相對(duì)方向角可能在某些設(shè)置中不同于圖1和4中展示的角度，且根據(jù)如所主張的本發(fā)明仍獲得針對(duì)相同目的的相同效應(yīng)。

為發(fā)射寬射束，陣列101可原則上由單一變換器元件組成，因?yàn)榻邮辗直媛视申嚵?02獲得。對(duì)于針對(duì)發(fā)射器發(fā)射高振幅的簡(jiǎn)單電阻抗匹配，然而方便的是，陣列由若干較小元件組成。此還允許發(fā)射脈沖103的電子聚焦。發(fā)射射束的聚焦增加所發(fā)射的壓力振幅p1和p2，這增加了選定深度區(qū)中的非線性散射～p1p2，還優(yōu)選多元件陣列用于發(fā)射，即使也可以使用透鏡，這些全部根據(jù)已知方法。根據(jù)已知方法，發(fā)射射束的聚焦需要所聚焦發(fā)射射束的橫向方位角掃描以實(shí)現(xiàn)2d或3d成像。

在時(shí)間間隔δt期間，兩個(gè)波傳播距離cδt。圖3說(shuō)明在高度方向中操縱脈沖103在起始時(shí)間t處在單位向量n1的方向上傳播，其中線300指示波的零波前，且±指示時(shí)間t處壓力振蕩的正和負(fù)擺幅。感測(cè)脈沖在此起始時(shí)間t處也說(shuō)明為104，其在單位向量n2的方向上傳播。我們選擇cδt使得感測(cè)脈沖104的峰值振幅301在103和104的組合傳播中在操縱脈沖103上向后移動(dòng)一個(gè)波長(zhǎng)λ1。點(diǎn)301隨后前向傳播距離cδtn2。場(chǎng)點(diǎn)301的路徑處波103的相位隨后改變?yōu)棣?(δt-n1cδtn2/c)＝ω1(1-n1n2)δt，其設(shè)定為針對(duì)沿著103的一個(gè)波長(zhǎng)傳播等于ω1t1，其中t1＝1/f1為第1脈沖103的周期。此給出

其中θ如上文和附圖中所定義。對(duì)于θ→0，兩個(gè)脈沖103和104獲得相同傳播方向且δt→∞，其暗示脈沖104的峰值和103的振蕩之間的相位沿著其共同傳播方向?yàn)楹愣ǖ?，即脈沖104在脈沖103上滑行。等式(3)中p(s)的極性因而為恒定的，且等式(3)中的τ(z)表示脈沖104的非線性傳播延遲的量值隨深度的累積增加，這在信號(hào)處理中必須考慮。對(duì)于θ＝π/2，脈沖103與104的脈沖方向成直角傳播，且我們獲得δt＝t1，且對(duì)于θ＝π，脈沖103在脈沖104的相反方向中傳播，且我們獲得δt＝t1/2。

對(duì)于θ1<θ<2π-θ1，其中0<θ1<π/2，等式(3)中的非線性傳播延遲τ的積分中包含的感測(cè)脈沖104的位置處的操縱脈沖103的壓力p(s)的極性將振蕩，具有脈沖的傳播中的有限振幅，且因此τ也將如此。典型值βp～2·10^-9pa^-1。對(duì)于操縱脈沖的峰值壓力p＝1mpa，τ的最大值變得來(lái)自等式(3)，其中f1＝0.5mhz，t1＝1/f1且ω1＝2πf1

其中，我們已經(jīng)選擇θ＝(45,90,180)度且t2＝100ns，對(duì)應(yīng)于感測(cè)脈沖104的頻率f2＝1/t2＝10mhz。此給出τmax～(4.3,1.3,0.6)ns，其可針對(duì)θ的低值或p的高值方便地校正，以實(shí)現(xiàn)所接收信號(hào)中的非交互項(xiàng)的最大抑制。

我們界定所接收信號(hào)中的兩組非線性失真項(xiàng)：

群組a來(lái)源于入射波中的前向累積非線性傳播失真分量的線性散射，即等式(1)的項(xiàng)(4)，即等式(1)中的項(xiàng)(1+2)和項(xiàng)(4)的組合。自失真項(xiàng)始終為正，且波的諧波失真因此隨傳播深度累積增加，由于隨諧波頻率增加的吸收和波的幾何散布而衰減。對(duì)于其中波以角度θ彼此交叉的非線性交互項(xiàng)，等式(2)中的傳播速度的非線性項(xiàng)將歸因于等式(3)中p(s)的振蕩而隨傳播深度振蕩，且在射束之間恰當(dāng)大角度θ的情況下，此項(xiàng)的前向傳播失真為振蕩的且對(duì)于強(qiáng)非線性交互散射項(xiàng)可能可忽略。

群組b直接在入射波的局部非線性散射中發(fā)起，即項(xiàng)(5)，且針對(duì)其中前向非線性累積失真為有效的項(xiàng)常常比群組a弱。在第1和第2入射波之間的恰當(dāng)大角度的情況下，非線性前向失真對(duì)于非線性交互項(xiàng)等式(5、6)為低，但對(duì)于自失真項(xiàng)并不如此，且這允許利用本發(fā)明對(duì)非線性交互散射的檢測(cè)。

原則上還存在發(fā)現(xiàn)為來(lái)自入射波中的前向累積非線性傳播失真分量的項(xiàng)(5)的局部非線性散射的群組c，即等式(1)中的項(xiàng)(1+2)和項(xiàng)(5)之間的交互，但典型非線性材料參數(shù)較低使得此群組為可忽略的。

圖2a展示入射脈沖波103和104的時(shí)間頻譜201和202。非線性交互項(xiàng)～2p1(r,t)p2(r,t)的時(shí)間頻譜因而為201和202的卷積，展示為203和204。當(dāng)入射頻帶201和202經(jīng)布置使得不存在與非線性交互散射帶203和204的重疊(如圖2a中所展示)時(shí)，能夠抑制線性散射帶201和202以通過(guò)對(duì)時(shí)間頻域中的接收信號(hào)的帶通濾波而提取非線性交互散射分量，例如利用圖2a中說(shuō)明的帶通濾波器205和206。為增加對(duì)非線性交互散射的敏感度，能夠在圖像信號(hào)的形成中合并兩個(gè)帶203和204的輸出。

我們應(yīng)注意，圖中未展示201和202的諧波帶。在許多情形中，能夠從入射帶201或202的自失真分量獲得諧波帶，其經(jīng)由線性散射(群組a)或局部非線性散射(群組b)的前向傳播失真干擾非線性交互散射帶203和204，從而減小對(duì)非線性交互散射的敏感度。群組a通常最強(qiáng)，但在類似于超聲對(duì)比劑微泡的非線性諧振散射器的情況下，群組b也可能為強(qiáng)。改進(jìn)此情形的一種方式是使用脈沖倒轉(zhuǎn)方法，其中發(fā)射第1和第2脈沖的兩個(gè)脈沖集合，從而改變第2脈沖集合的p1和p2中的一者的極性。散射非線性交互項(xiàng)2p1p2的極性將隨后針對(duì)第2脈沖集合改變極性，而群組a和群組b散射兩者的偶數(shù)(第2、第4、...)諧波自失真分量和將不改變極性。因此，在所述方法中從這兩個(gè)發(fā)射事件減去接收信號(hào)常常被稱作脈沖倒轉(zhuǎn)，將因而增強(qiáng)入射帶的偶數(shù)諧波分量上方的非線性交互散射項(xiàng)。所發(fā)射的脈沖103p1將在當(dāng)前實(shí)例中與非線性交互散射信號(hào)同時(shí)到達(dá)接收變換器102。此脈沖倒轉(zhuǎn)過(guò)程中改變p2(104)的極性將因而抑制102處所接收信號(hào)中p1的潛在所接收分量。102處來(lái)自具有改變的極性的脈沖p2的線性散射分量將在此過(guò)程中增強(qiáng)，且能夠通過(guò)時(shí)域中的過(guò)濾來(lái)抑制。

圖2b展示圖2a中的譜的修改，其中f1附近的所發(fā)射譜221和f2附近的所發(fā)射譜222現(xiàn)如此靠近使得發(fā)現(xiàn)f2-f1附近的非線性交互卷積譜223處于遠(yuǎn)低于下部發(fā)射帶221的頻率，而發(fā)現(xiàn)f1+f2附近的非線性交互卷積譜224處于接近上部發(fā)射帶222頻率(即，接近222的第2諧波分量)的兩倍的頻率。低頻率交互散射帶223能夠利用濾波器225經(jīng)由帶通濾波分離，且高頻率交互散射帶224能夠利用濾波器226分離。還能夠使用脈沖倒轉(zhuǎn)技術(shù)，其中舉例來(lái)說(shuō)，高頻率發(fā)射譜222的極性在第2發(fā)射事件中改變。f2附近的帶停止濾波可以隨后用于移除所接收信號(hào)中的222的譜。低非線性交互散射帶223的減小的頻率提供此散射帶在接收時(shí)的低吸收率，且增加對(duì)非線性交互散射的敏感度，而低頻率提供有限接收孔隙的情況下的低橫向分辨率。這些方案的變型能夠由所屬領(lǐng)域的任何技術(shù)人員開(kāi)發(fā)。

變換器陣列101和102之間的距離l的情況下，操縱波(第1波)傳播距離l-z到交互深度z，而感測(cè)波(第2波)來(lái)回傳播距離2z到交互深度z。第2波p2(感測(cè)波)的頻率f2選擇為盡可能高以獲得適當(dāng)信號(hào)和深度范圍的最佳可能分辨率。為進(jìn)一步改進(jìn)非線性交互項(xiàng)～2p1(r,t)p2(r,t)的敏感度，其中l(wèi)-z大，有用的是選擇第1波p1(操縱波)的頻率f1盡可能低以實(shí)現(xiàn)低吸收率，但恰當(dāng)高以獲得恰當(dāng)準(zhǔn)直脈沖103p1。我們將此稱為低頻率(lf)脈沖。高頻率(hf)f2選擇為高以獲得到物體中的給定成像深度的適當(dāng)空間分辨率，例如頻率比率f1:f2～1:3-1:30。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，所述比率為大約～1:10。對(duì)于超聲成像，舉例來(lái)說(shuō)，可在一個(gè)應(yīng)用中選擇f2～10mhz來(lái)向下成像到40mm(f1～1mhz)，或在另一應(yīng)用中選擇f2～3.5mhz來(lái)向下成像到150mm(f1～0.3mhz)，即頻率比率約1:10。發(fā)現(xiàn)類似實(shí)例用于em波的散射。對(duì)于遠(yuǎn)高于氣泡諧振頻率的頻率f2處的對(duì)比劑微泡的成像，將優(yōu)選地選擇低于諧振頻率或諧振頻率附近的f1，因?yàn)閘f脈沖103將隨后操縱氣泡直徑。

圖2c中，對(duì)于此情形展示p1的實(shí)例入射lf譜210和p2的實(shí)例入射hf譜211，其中卷積和與差頻譜作為212和213來(lái)自等式(5)中的p1和p2的非線性交互乘積。212和213的中心頻率分別為f2+f1和f2-f1。和與差頻譜212和213在此實(shí)例中彼此重疊，且與入射hf譜211重疊。在頻譜210和211之間的卷積中，獲得lf譜210的帶寬b1上hf譜211的相鄰頻率分量的平均。此平均還產(chǎn)生譜212和213的偏斜邊沿。當(dāng)hf脈沖比lf脈沖短得多時(shí)，hf譜211中的頻率分辨率比210的帶寬b1寬，且此平均對(duì)和與差譜212和213的影響可忽略，且允許假設(shè)連續(xù)lf振蕩，即等式(5)中的分析中無(wú)限長(zhǎng)的lf脈沖。

圖2c展示其中存在和與差譜212和213與原始hf譜211之間的相當(dāng)大的重疊的實(shí)例。在此情況下，能夠經(jīng)由脈沖倒轉(zhuǎn)技術(shù)通過(guò)使用組合lf和hf脈沖發(fā)射的兩個(gè)發(fā)射事件從而改變針對(duì)第2發(fā)射事件的lf脈沖p1的極性而從所接收信號(hào)檢索群組b分量。散射非線性交互項(xiàng)(212和213)2p1p2的極性將隨后改變第2發(fā)射事件的極性，而線性散射hf信號(hào)(211)并不這樣。從兩個(gè)發(fā)射事件減去所接收的信號(hào)將隨后很大程度上抑制線性散射hf信號(hào)(211)，且提取非線性散射hf信號(hào)(212和213)。lf脈沖的偶數(shù)諧波分量在此過(guò)程中也將被抑制。

圖4展示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)例實(shí)施例，其為所發(fā)射射束的相反方向(θ＝π)的情況下圖1中的實(shí)施例的專門化。命名與圖1中相同。重疊區(qū)的范圍因而為z＝(z1+z2)/2，其中z1為第1脈沖103的長(zhǎng)度且z2為第2脈沖104的長(zhǎng)度。為獲得圖像中的高范圍分辨率，我們想要具有最短可能脈沖長(zhǎng)度z2的第2發(fā)射射束104的高頻率。重疊區(qū)的長(zhǎng)度z因而由第1發(fā)射脈沖103的長(zhǎng)度z1主導(dǎo)。重疊區(qū)的長(zhǎng)度能夠因而依據(jù)脈沖長(zhǎng)度z1選擇，而范圍分辨率由脈沖長(zhǎng)度z2確定，且重疊區(qū)的位置依據(jù)第1和第2發(fā)射脈沖之間的相對(duì)定時(shí)來(lái)選擇。

圖4中的實(shí)例實(shí)施例還可用于板構(gòu)造中的表面波或板波以檢測(cè)板中的裂縫，作為制造中的質(zhì)量控制以及針對(duì)結(jié)構(gòu)的安全操作的監(jiān)測(cè)。此對(duì)于例如飛機(jī)和其它運(yùn)輸物體及風(fēng)車中的聚合復(fù)合物尤其相關(guān)。為從非線性交互散射檢測(cè)裂縫的存在，而不進(jìn)行其詳細(xì)成像，接收射束也可較寬，其中原則上陣列102由單一元件組成。然而，為了電阻抗匹配以最大化接收信噪比，方便的是還將接收器陣列劃分為若干元件。為獲得距陣列某一距離處的極寬波以覆蓋寬表面，還可使用陣列來(lái)產(chǎn)生凸面波?？稍诖饲闆r下使用極簡(jiǎn)單的射束成形器，用于發(fā)射和接收兩者。

為獲得強(qiáng)非線性散射，想要盡可能高振幅的第1發(fā)射脈沖，且此限制脈沖長(zhǎng)度以避免變換器陣列和組織的過(guò)熱。我們應(yīng)注意，利用陣列的此布置，第1發(fā)射脈沖103將與來(lái)自z的振幅低得多的非線性散射信號(hào)分量同時(shí)命中接收器陣列102。此可能致使難以適當(dāng)抑制脈沖103的接收分量以在高敏感度的情況下，尤其在脈沖103的頻率f1和待檢測(cè)的非線性交互分量之間的低差的情況下展示非線性交互散射分量。圖2c中描述的頻率選擇給出f1和待檢測(cè)的頻率分量之間的大差，且就此而言具有優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)允許射束之間的角度相對(duì)于180度(π)的小偏差使得第1脈沖103在具有低接收敏感度的方向上命中接收陣列102乃至從接收陣列102外部通過(guò)來(lái)減小此問(wèn)題。此給出變換器陣列附近的重疊區(qū)的一些限制，能夠通過(guò)增加陣列和物體之間的距離而使這些限制可忽略。為使此效應(yīng)最小化，應(yīng)使陣列附近的材料高度吸收傳入效應(yīng)。

當(dāng)操縱脈沖p1具有比成像脈沖p2低得多的頻率時(shí)(如圖2c中例示)，交互散射在lf振蕩的峰值處最強(qiáng)(如圖5中所說(shuō)明)。此圖中，501展示lf脈沖振蕩且503展示第1時(shí)間點(diǎn)中的hf脈沖，其中hf脈沖在lf脈沖振蕩的峰值處。此峰值lf壓力很大程度上產(chǎn)生hf散射的非線性改變。使用利用兩個(gè)發(fā)射的脈沖倒轉(zhuǎn)(其中l(wèi)f脈沖改變極性)能夠在lf脈沖的峰值振蕩附近提取此非線性交互散射。lf和hf脈沖兩者分別在其前向方向502和504中傳播。在t1/4的時(shí)間滯后之后(其中t1為lf脈沖的時(shí)間周期)，lf脈沖已前向移動(dòng)λ1/4(其中λ1為lf脈沖的波長(zhǎng))到位置505，而hf脈沖已在其方向中前向移動(dòng)到位置506在lf脈沖的谷值處，其為lf脈沖和hf脈沖之間的強(qiáng)非線性交互散射的下一深度。此對(duì)應(yīng)于相對(duì)于等式(5)的分析，其中θ＝π。在lf脈沖的脈沖倒轉(zhuǎn)的情況下，能夠也在脈沖的此位置處檢索非線性交互散射。hf脈沖503和506的位置之間的范圍距離為λ1/4，其中λ1為lf脈沖的波長(zhǎng)。使用脈沖倒轉(zhuǎn)技術(shù)提取hf脈沖的非線性交互散射信號(hào)。.

利用此方法，因此獲得強(qiáng)非線性交互散射區(qū)，具有整個(gè)重疊區(qū)內(nèi)的深度距離λ1/4，指示為圖5中的重疊區(qū)500內(nèi)的線507。如果這些線之間的距離對(duì)于以短hf脈沖獲得的圖像分辨率來(lái)說(shuō)太大，那么能夠通過(guò)新圖像獲得填補(bǔ)線，具有hf脈沖和lf脈沖的發(fā)射事件之間的小變化(例如t1/8)。還能夠方便地通過(guò)所獲得圖像點(diǎn)之間的內(nèi)插獲得遺漏圖像點(diǎn)的估計(jì)值。.

根據(jù)已知方法，所發(fā)射的脈沖振幅可以增加以通過(guò)以下操作增加非線性交互散射：使用重疊的聚焦發(fā)射脈沖103和104，以及利用經(jīng)調(diào)適的接收射束掃描在方位角方向中針對(duì)2d成像且在方位角和高度兩個(gè)方向中針對(duì)3d成像掃描所述聚焦射束。針對(duì)3d成像的高度掃描能夠通過(guò)如圖1和4中的箭頭112所說(shuō)明的陣列結(jié)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行。在矩陣陣列的情況下，能夠利用此項(xiàng)技術(shù)中已知的方法獲得針對(duì)3d成像的電子高度掃描。

圖6中展示根據(jù)本發(fā)明的儀器的框圖，其中相對(duì)于圖1和圖3-5描述陣列101和102以及重疊區(qū)?？?01含有用于陣列101和102的第1和第2脈沖射束的發(fā)射射束成形器，并且還接收用于來(lái)自陣列102的元件信號(hào)的射束成形器。射束成形器根據(jù)已知原理操作，例如聚焦或?qū)捝涫陌l(fā)射(例如平面波成像)，和圖像點(diǎn)中接收聚焦圖像數(shù)據(jù)的重建。接收射束成形器的輸出傳遞到處理單元602，處理單元602經(jīng)由時(shí)間濾波、脈沖倒轉(zhuǎn)方法或兩者的組合提取非線性交互散射信號(hào)。處理單元優(yōu)選地經(jīng)設(shè)置以根據(jù)已知方法還單獨(dú)地從物體提取線性散射信號(hào)。圖像從處理單元傳遞到顯示單元603，其中非線性散射分量可以例如以顏色代碼展示，顏色代碼與線性散射分量通常在灰度等級(jí)方面重疊。所有單元取得輸入且將反饋數(shù)據(jù)提供到控制單元604，控制單元604從用戶接口單元606取得輸入。根據(jù)已知方法，控制單元能夠方便地經(jīng)由總線系統(tǒng)605與其它單元通信。

為提供對(duì)非線性交互散射信號(hào)中的頻率分量的最大敏感度，散射信號(hào)還可以由第三陣列拾取，例如圖6中說(shuō)明為607，其經(jīng)定位使得其能夠從重疊區(qū)z接收非線性交互散射信號(hào)。

當(dāng)物體可能完全由陣列包圍時(shí)(例如，如同胸部成像)，能夠方便地使用此項(xiàng)技術(shù)中已知的環(huán)狀陣列用于脈沖射束103和104的發(fā)射，其中射束的方向可通過(guò)選擇用于發(fā)射的環(huán)狀陣列的元件而自由選擇。環(huán)狀陣列給出用于挑選接收陣列孔隙的大靈活性。此選擇方便地提供由射束的不同方向獲得的圖像的空間復(fù)合，如此項(xiàng)技術(shù)中已知。為發(fā)射頻率較寬分離的脈沖103和104(如圖2c中)，能夠使用如美國(guó)專利7,727,156或8,182,428中給定的陣列結(jié)構(gòu)，其還便于接收高頻帶中的頻率分量。

圖1和3-5中，脈沖波前說(shuō)明為極其直的線，即由平面波近似。在切實(shí)可行的情形中，具有有限孔隙的衍射使波前少許彎曲，尤其在射束的邊沿處。此可以在電子接收射束成形中考慮。圖4、5中，我們已說(shuō)明第1和第2發(fā)射射束在相同平面中。此在許多情形中可能是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榻换^(qū)的深度位置能夠經(jīng)由第1和第2脈沖波的發(fā)射定時(shí)關(guān)系的變化而獲得。

我們已使用超聲成像作為一實(shí)例，但根據(jù)本發(fā)明發(fā)射器和接收器的類似幾何布置還可以用于em波。對(duì)于具有g(shù)hz和thz范圍中的頻率的em成像，發(fā)射構(gòu)件和接收構(gòu)件可以是條帶天線或微波激射器/激光二極管，以及這些的元件的陣列。對(duì)于紅外-光學(xué)頻率范圍中的em成像，發(fā)射構(gòu)件的簡(jiǎn)單解決方案為激光二極管的陣列，或以機(jī)械方式導(dǎo)引方向的激光二極管。接收檢測(cè)器構(gòu)件的簡(jiǎn)單解決方案可以是光感測(cè)二極管/晶體管或聚焦相機(jī)系統(tǒng)(例如ccd相機(jī))，其提供來(lái)自整個(gè)交互區(qū)的散射信號(hào)的實(shí)時(shí)成像。

為進(jìn)一步增加對(duì)非線性交互散射信號(hào)的敏感度，能夠根據(jù)已知方法方便地針對(duì)每一個(gè)別交互區(qū)對(duì)來(lái)自許多發(fā)射事件的接收信號(hào)或圖像信號(hào)求平均。

因此，雖然上文已展示、描述并指出應(yīng)用于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的本發(fā)明的基本新穎特征，但是應(yīng)理解，所述領(lǐng)域的技術(shù)人員可在不脫離本發(fā)明的精神的情況下對(duì)所說(shuō)明的裝置的形式和細(xì)節(jié)以及操作作出各種省略、取代和改變。

還明確地打算使以實(shí)質(zhì)上相同方式執(zhí)行實(shí)質(zhì)上相同功能來(lái)實(shí)現(xiàn)相同結(jié)果的那些元件和/或方法步驟的所有組合處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，與任何所公開(kāi)的本發(fā)明的形式或?qū)嵤├Y(jié)合展示和/或描述的結(jié)構(gòu)和/或元件和/或方法步驟可以作為一般設(shè)計(jì)選擇而并入在任何其它所公開(kāi)或描述或建議的形式或?qū)嵤├?。因此，意圖將本發(fā)明僅限于由隨附權(quán)利要求書(shū)所指示的范圍。