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專利名稱：基于環(huán)繞式陣列的超聲層析成像檢測(cè)系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲層析成像(Computed Tomography，簡(jiǎn)稱CT)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于環(huán)繞式陣列的超聲層析成像檢測(cè)系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
層析成像(Computed Tomography,簡(jiǎn)稱CT)技術(shù)(也稱為計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)) 是指通過物體外部檢測(cè)到的數(shù)據(jù)重建物體內(nèi)部(橫截面)信息的技術(shù)，它是把不可分割的對(duì)象假想地切成一系列薄片，分別給出每一片上的物體圖像，然后把這一系列圖像疊加起來，就得到物體內(nèi)部的整體圖像。它是一種由數(shù)據(jù)到圖像的重建技術(shù)，主要通過圖像反映被測(cè)材料或制件內(nèi)部質(zhì)量，對(duì)缺陷進(jìn)行定性、定量分析，從而提高檢測(cè)的可靠性。目前，CT技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的是X射線層析成像技術(shù)。X射線CT存在價(jià)格昂貴、對(duì)人體有害、設(shè)備攜帶不方便等缺點(diǎn)。超聲檢測(cè)與X射線檢測(cè)相比具有指向性好、價(jià)格低廉、對(duì)人體無害、設(shè)備便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，因此，人們開始將超聲波作為發(fā)射源的檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于層析成像中，利用超聲波制造出像X射線CT 一樣的成像設(shè)備，已逐漸成為超聲應(yīng)用領(lǐng)域的研究者們追求的新目標(biāo)之一。早期研究者假設(shè)超聲波在物體內(nèi)部以直線傳播，利用發(fā)射器到接收器之間的時(shí)間延遲或振幅衰減來重建物體內(nèi)部的聲速、吸收特性等參數(shù)，但實(shí)際超聲波具有明顯的衍射特征，在界面上具有顯著的折射、衍射，傳播路徑復(fù)雜，這使得超聲層析成像技術(shù)的理論研究和X射線層析成像有所不同。超聲層析成像技術(shù)(Ultrasond Computed ^Tomography，簡(jiǎn)稱U-CT)是一項(xiàng)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前尚沒有完全成熟的理論和技術(shù)可用于產(chǎn)品的自動(dòng)檢測(cè)，傳統(tǒng)的超聲探頭布置方法為線陣布置，也就是在被測(cè)材料的一個(gè)表面上布置一列發(fā)射探頭，在材料的相反表面正對(duì)的布置一列接收探頭，在此基礎(chǔ)上，得到一系列走時(shí)數(shù)據(jù)，但缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量少， 成像效果差。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于環(huán)繞式陣列的超聲層析成像檢測(cè)系統(tǒng)及其方法，該系統(tǒng)及方法克服現(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)量不足、難以滿足不同形狀的被測(cè)材料的檢測(cè)要求，針對(duì)材料內(nèi)部衍射強(qiáng)弱不同的情況，分別采用基于波動(dòng)理論的超聲層析成像算法和基于射線理論的超聲層析成像算法，從而有利于提高成像效果。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的基于環(huán)繞式陣列的層析成像檢測(cè)系統(tǒng)包括超聲發(fā)射接收模塊、信號(hào)采集模塊、控制模塊、信號(hào)處理模塊、顯示模塊和若干超聲波傳感器；信號(hào)處理模塊分別與信號(hào)采集模塊、顯示模塊和控制模塊相連，信號(hào)采集模塊分別與控制模塊和超聲發(fā)射接收模塊相連，超聲發(fā)射接收模塊分別與超聲波傳感器和控制模塊相連，所述若干超聲波傳感器沿被測(cè)物體布置成環(huán)狀陣列；控制模塊包括若干陣列開關(guān)和脈沖控制電路， 所述的若干陣列開關(guān)分別對(duì)應(yīng)控制所述的若干超聲波傳感器；所述信號(hào)處理模塊內(nèi)嵌有用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理重建的程序。
本發(fā)明的基于環(huán)繞式陣列的層析成像檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)過程中，當(dāng)所述環(huán)狀陣列中的一個(gè)超聲波傳感器為發(fā)射探頭時(shí)，其它超聲波傳感器作為接收探頭；超聲發(fā)射接收模塊在控制模塊的脈沖控制電路的控制下按照一定的周期通過所述的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，所述接收探頭在收到超聲波信號(hào)之后，經(jīng)信號(hào)采集模塊內(nèi)的多路A/D電路將數(shù)據(jù)采集到信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊內(nèi)嵌的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理重建，完成層析成像。信號(hào)處理模塊內(nèi)嵌的重建算法分為以射線理論為基礎(chǔ)的透射層析和以波動(dòng)理論為基礎(chǔ)的散射層析兩個(gè)部分1、以射線理論為基礎(chǔ)的透射層析在材料內(nèi)部衍射較弱、只需考慮折射現(xiàn)象的情況下，將射線理論引入到超聲層析算法中。實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)拾取發(fā)射點(diǎn)至接收點(diǎn)記錄的聲波走時(shí)tm。走時(shí)tm是超聲波層析成像反演的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。(2)建立速度模型，并對(duì)該模型進(jìn)行正演計(jì)算。采用基于交叉掃描的線性插值射線追蹤技術(shù)來計(jì)算射線路徑和走時(shí)t。。(3)相關(guān)系數(shù)矩陣的求取根據(jù)聲波在材料中的路徑和材料中網(wǎng)格的劃分，求取相關(guān)系數(shù)矩陣。(4)得到拾取的走時(shí)與計(jì)算的走時(shí)之差A(yù)t = tm_t。。若At彡δ，δ預(yù)先設(shè)定的誤差值，執(zhí)行第(5)步；若At > δ，則根據(jù)反演方程式t=A· (1/v)，應(yīng)用聯(lián)合迭代重建算法逐次迭代計(jì)算，求出速度的修正量Δν，得到修正后的速度模型，返回第( 步，繼續(xù)執(zhí)行直至Δ t彡δ。(5)根據(jù)修正后的速度模型，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)圖像重建。2、以波動(dòng)理論為基礎(chǔ)的散射層析在材料內(nèi)部衍射較強(qiáng)的情況下，以波動(dòng)理論為基礎(chǔ)，基于環(huán)繞式陣列成像方法對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用Born迭代解決波動(dòng)方程的非線性問題，利用截?cái)嗥娈愔捣纸庹齽t化方法解決波動(dòng)方程的穩(wěn)定性問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間域散射層析成像。實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)拾取發(fā)射點(diǎn)至接收點(diǎn)記錄的聲波穿過物體截面的數(shù)據(jù)，即測(cè)量散射場(chǎng)p(s)。(2)根據(jù)材料截面(離散化的各點(diǎn))之間距離或與接收點(diǎn)之間的距離，求取相關(guān)系數(shù)矩陣(、0和入射場(chǎng)？-。系數(shù)C的求法、=j式中屯為超聲波在水中對(duì)應(yīng)的波數(shù)，k0 = 2* π /L, L為波長(zhǎng)；d為對(duì)包含物體的正方形區(qū)域進(jìn)行均勻采樣的采樣間隔，d = L/10 ；a為離散小區(qū)域內(nèi)接圓的半徑，a = d/2 ； Jn為第一類η階貝塞爾函數(shù)，Nn為第二類η階貝塞爾函數(shù)，為第m類η階漢克爾函數(shù)； Rpq為觀測(cè)點(diǎn)rp與散射源點(diǎn)r,的距離；p，q表示成像截面離散化后的中心點(diǎn)。系數(shù)D 的求法‘ =^^J、(k0aX(Zc0Rmq)式中R胃為散射源點(diǎn)％與接收點(diǎn)rm的距離；m表示接收器上的點(diǎn)。
入射場(chǎng)P(in)數(shù)據(jù)的求法
權(quán)利要求
1.基于環(huán)繞式陣列的超聲層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括超聲發(fā)射接收模塊、信號(hào)采集模塊、控制模塊、信號(hào)處理模塊、顯示模塊和若干超聲波傳感器；信號(hào)處理模塊分別與信號(hào)采集模塊、顯示模塊和控制模塊相連，信號(hào)采集模塊分別與控制模塊和超聲發(fā)射接收模塊相連，超聲發(fā)射接收模塊分別與超聲波傳感器和控制模塊相連，所述若干超聲波傳感器沿被測(cè)物體布置成環(huán)狀陣列；控制模塊包括若干陣列開關(guān)和脈沖控制電路，所述的若干陣列開關(guān)分別對(duì)應(yīng)控制所述的若干超聲波傳感器；所述信號(hào)處理模塊內(nèi)嵌有用于進(jìn)行數(shù)據(jù)重建的程序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于環(huán)繞式陣列的超聲層析成像檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于可以布置成任意形狀。既可以根據(jù)試件的形狀來布置，也可以根據(jù)重建算法的難易程度來布置。能夠?qū)崿F(xiàn)任意形狀試件的檢測(cè)，具有良好的通用性。
3.權(quán)利要求1或2的基于環(huán)繞式陣列的超聲層析成像檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，其特征在于，檢測(cè)過程中，當(dāng)所述環(huán)形陣列中的一個(gè)超聲波傳感器為發(fā)射探頭時(shí)，其它超聲波傳感器作為接收探頭；超聲發(fā)射接收模塊在控制模塊的脈沖控制電路的控制下按照一定的周期通過所述的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，所述接收探頭在收到超聲波信號(hào)之后，經(jīng)信號(hào)采集模塊內(nèi)的多路A/D電路將數(shù)據(jù)采集到信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊內(nèi)嵌的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理重建，完成層析成像。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于環(huán)繞式陣列的層析成像檢測(cè)系統(tǒng)及其方法，其特征在于該系統(tǒng)包括超聲發(fā)射接收模塊、信號(hào)采集模塊、控制模塊、信號(hào)處理模塊、顯示模塊和若干超聲波傳感器；檢測(cè)過程中，當(dāng)所述環(huán)形陣列中的一個(gè)超聲波傳感器為發(fā)射探頭時(shí)，其它超聲波傳感器作為接收探頭；超聲發(fā)射接收模塊在控制模塊的脈沖控制電路的控制下按照一定的周期通過所述的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，所述接收探頭在收到超聲波信號(hào)之后，經(jīng)信號(hào)采集模塊內(nèi)的多路A/D電路將數(shù)據(jù)采集到信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊內(nèi)嵌的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理重建，完成層析成像。
文檔編號(hào)G01N29/06GK102305828SQ20111012297
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者史建偉, 張培, 王浩全, 郭玲霞 申請(qǐng)人:中北大學(xué)