Spatio-temporal synthetic aperture for acoustic imaging

Synthèse d'émission spatio-temporelle pour l'imagerie acoustique

Frédéric Mosca (1, 2)

1 TSI - Département Traitement du Signal et des Images
2 LTCI - Laboratoire Traitement et Communication de l'Information

Finding a compromise between frame rate and image quality is a major issue in the definition of new coherent imaging methods. The objective of this thesis is to propose new imaging mode taking most benefit from hardware platforms. The applications are ultrasonic imaging and underwater acoustics. The manuscript first proposes a formal framework to the problem of frame rate versus contrast compromise and demonstrates the optimality of synthetic aperture methods. The equivalence, in terms of contrast and resolution, between synthetic aperture and focus imaging is then established. The problem of signal to noise ratio is solved by the use of transmission matrix maximizing the acoustic energy (Hadamard matrix). We introduced a new method, called "synthesis reduction", allowing a significant improvement of the frame rate. For this, we search the optimum matrix in terms of maximizing transmission beams energy on the imaging area. This optimum is a matrix composed of prolate spheroidal sequences. Then we introduced the "Spheroidal Synthetic Aperture" that exploits the properties of the matrix and moves the frame rate versus contrast compromise in a frame rate versus image size compromise. The last part of this manuscript is devoted to the measurement and correction of the platform motions by micronavigation methods. The results of this work are subject of experimental validation on a programmable 128-channel ultrasound scanner and a synthetic aperture sonar.

La recherche d'un compromis entre cadence et qualité de l'image est un enjeu majeur dans la définition de nouvelles méthodes d'imagerie cohérente. L'objectif de cette thèse est de proposer des modes d'imagerie innovants exploitant au mieux les performances des plateformes matérielles. Les applications étant l'échographie ultrasonore et l'acoustique sous-marine. Le manuscrit propose d'abord un cadre formel au problème du compromis cadence/contraste et démontre l'optimalité des méthodes de synthèse d'émission. L'équivalence, en termes de contraste et de résolution, entre la synthèse canonique et l'imagerie focalisée est ensuite établie. Le problème du rapport signal à bruit est adressé par l'utilisation de matrice d'émission maximisant l'énergie d'insonification (matrice de Hadamard). On introduit ensuite une méthode originale, dite d' " allègement de synthèse ", permettant une amélioration significative de la cadence. Pour cela, on recherche un optimum matriciel en terme de maximisation de l'énergie des faisceaux d'émission dans la zone d'insonification. Cet optimum est une matrice composée de séquences sphéroïdales aplaties. On introduit alors la " synthèse sphéroïdale " qui exploite les propriétés de cette matrice et permet de déplacer le compromis cadence/contraste en un compromis cadence/taille de l'image. La dernière partie de ce manuscrit est consacrée à la mesure et la correction des mouvements propres de la plateforme par des méthodes de micronavigation. Les résultats de ce travail de thèse font l'objet de validations expérimentales sur un échographe ultrasonore à 128 voies programmables et sur un sonar à antenne synthétique.

Mots clés: Synthetic aperture; Echography; Prolate spheroidal sequences; Coherent imaging; Transmission matrix; Synthetic Aperture Sonar; Ultrasound

Mots clés: Synthèse d'ouverture; Echographie; Sonar; Séquences Sphéroïdales Aplaties; Imagerie cohérente; Matrice d'émission; Speckle; Micronavigation; Sonar à antenne synthètique; Ultrasons

Domaines: Traitement du signal et de l'image [eess.SP]; Traitement du signal et de l'image [eess.SP]

Frédéric Mosca. Synthèse d'émission spatio-temporelle pour l'imagerie acoustique. Traitement du signal et de l'image [eess.SP]. Télécom ParisTech, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00574356⟩