本發(fā)明涉及超聲波無損探測技術(shù)、超聲成像技術(shù)、相控陣技術(shù)和橢圓的掃描轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對物體表面形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的快速準(zhǔn)確成像。

背景技術(shù)：

超聲波相控陣技術(shù)(Phased Array)是超聲波無損探測領(lǐng)域一項(xiàng)新的超聲成像技術(shù)，相對于單個(gè)換能器，相控陣更加靈活，并且對物體表面形狀和內(nèi)部缺陷更加敏感，因此備受研究者親睞，成為近年來研究的熱點(diǎn)，在重工業(yè)、油氣管道、能源和航空等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。

相控陣技術(shù)的基本思想是利用脈沖-回波(pulse-echo)測量機(jī)制，使用一組超聲相控陣陣元(超聲換能器)陣列，每次一個(gè)相控陣陣元向探測物體發(fā)送脈沖掃描信號，并采用延時(shí)疊加(DAS)方法(時(shí)間延遲或相位延遲)對得到的脈沖回波信號進(jìn)行聚焦成像。全矩陣捕獲(Full Matrix Capture)是面向相控陣的一種新型數(shù)據(jù)獲取方式，能夠獲取所有發(fā)送/接收陣元組的時(shí)域數(shù)據(jù)，能夠獲得更高的圖像分辨率，并能夠?qū)ξ矬w內(nèi)部缺陷特征進(jìn)行更準(zhǔn)確的判斷。全矩陣捕獲的工作模型如圖1(a)所示，每次選取一個(gè)相控陣陣元向物體以與X軸的夾角為θ的方向發(fā)射超聲波信號，對物體內(nèi)部進(jìn)行探測，同時(shí)整個(gè)相控陣陣列接收從物體的分界面或者內(nèi)部反射物反射回的回波信號并采樣保存，重復(fù)這種“一個(gè)發(fā)送，所有接收”的過程直至相控陣所有陣元均發(fā)送過聲波信號，最后對全矩陣捕獲所獲得的全矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理并顯示圖像。多種后處理算法根據(jù)處理方式的不同可分為時(shí)域和頻域兩大類：

時(shí)域相控陣超聲成像算法中應(yīng)用最為廣泛且成像效果最佳的為全聚焦算法，該算法流程如圖1(b)所示，為了在目標(biāo)圖像任一像素點(diǎn)(x,z)聚焦，時(shí)域相控陣技術(shù)將相控陣陣列中所有(發(fā)送,接收)陣元組合接收的回波信號進(jìn)行延時(shí)疊加處理：設(shè)為第i步采樣過程中，相控陣陣元E_j接收到的采樣回波信號(即對應(yīng)發(fā)送陣元/接收陣元組(E_i,E_j)的回波信號)，為采樣序號，相控陣陣元E_j關(guān)于像素點(diǎn)(x,z)的采樣延遲為

其中，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，r_i,j(x,z)為像素點(diǎn)(x,z)距相控陣陣元E_i和E_j的距離之和。對應(yīng)的采樣序號為f_s為采樣頻率。相控陣有效長度L內(nèi)所有的延時(shí)構(gòu)成一條延時(shí)曲線。L的計(jì)算公式為

L＝0.84λz/d(2)λ為超聲在介質(zhì)中的波長，d為相控陣陣元的直徑，則在(x,z)處的像素值為

其中，N為相控陣中陣元數(shù)目，ω_i,j(x,z)為變跡函數(shù)，由下式計(jì)算

ω_i,j(x,z)＝ω_i(x,z)·ω_j(x,z)

其中，

對于陣元E_i(x_i,0)，在深度z時(shí)，其有效孔徑的范圍為而對于位于有效范圍之外的點(diǎn)，變跡函數(shù)值為0，其像素值不會受E_i影響。如圖1(d)所示，紅色區(qū)域表示陣元E₀的聲場范圍，綠色區(qū)域表示陣元E₁的聲場范圍，黃色區(qū)域表示兩者公共聲場范圍，對于發(fā)送接收陣元組(E₀,E₁)所對應(yīng)的采樣信號，僅能夠影響黃色區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)。

頻域相控陣算法基于波動方程反演理論。近期有學(xué)者將反射地震學(xué)(Reflection Seismology)中的遷移技術(shù)(Migration Technique)與頻域相控陣技術(shù)相結(jié)合，得到了相位遷移超聲成像方法(Phase Shift Migration)。該方法將在相控陣陣元獲得的回波信號作為波動方程的邊界條件，然后使用頻域中的相移符號對位于不同深度的聲場進(jìn)行假設(shè)檢測，從而外推得到整個(gè)聲場。算法主要包括兩個(gè)步驟：第一步對相控陣陣元獲得的時(shí)域回波信號數(shù)據(jù)進(jìn)行二維傅里葉變換，得到二維頻譜；第二步是獲得在圖像邊界的頻譜，然后對上次計(jì)算得到的二維頻譜作相位平移，然后進(jìn)行傅里葉反變換，依次得到不同深度值的圖像。

從時(shí)域相控陣技術(shù)的原理可知，在成像過程中需要計(jì)算圖像中的所有像素點(diǎn)與相控陣陣元掃描位置點(diǎn)各點(diǎn)對之間的距離，算法復(fù)雜度高，并且涉及到均方根運(yùn)算，使得算法的運(yùn)行時(shí)間很長。而在頻域相位遷移技術(shù)中，計(jì)算過程中需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行正向和逆向的傅里葉變換，計(jì)算效率也不太高。

因此，與相控陣相關(guān)的成像計(jì)算都比較耗時(shí)且成像精度誤差較大，不能滿足實(shí)際工程應(yīng)用對成像速度和準(zhǔn)確度的要求。所以，相控陣技術(shù)還需要進(jìn)一步提高成像效率和成像精度。

分析時(shí)域相控陣技術(shù)的原理，可以發(fā)現(xiàn)該成像方法其實(shí)是一種逆向的計(jì)算過程：需要先確定圖像上的像素點(diǎn)，然后，對于所有的發(fā)送/接收相控陣陣元對，再計(jì)算像素點(diǎn)到兩個(gè)陣元的距離之和r_i,j及傳輸延時(shí)t_i,j，將延時(shí)對應(yīng)的采樣信號值S_i,j(n_t)累加得到像素值。計(jì)算過程中，被測物體中反射物的位置是未知的，通過對圖像中所有的像素點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)聚焦和延時(shí)累加，獲得整幅圖像。位于目標(biāo)反射物的像素點(diǎn)的延時(shí)采樣信號得到一致的疊加，實(shí)現(xiàn)信號的聚焦。而對于周圍像素點(diǎn)，信號的累加是無序的，因此在圖像中，反射物所對應(yīng)處累加得到的像素值要明顯大于其他像素點(diǎn)。

全聚焦算法與合成孔徑聚焦算法類似，主要基于延時(shí)疊加原理。不同之處在合成孔徑聚焦方法中，發(fā)送陣元與接收陣元為同一陣元，則對于含有N個(gè)陣元的相控陣列，合成孔徑聚焦將獲得N組A掃數(shù)據(jù)。為了提升合成孔徑聚焦算法的運(yùn)行效率，有研究人員提出了基于圓弧掃描轉(zhuǎn)換的合成孔徑聚焦算法(DAB-SAFT)。從正向來對該過程重新解釋，即計(jì)算所有獲得的A掃數(shù)據(jù)對目標(biāo)圖像的影響結(jié)果，將整個(gè)成像過程轉(zhuǎn)換為多次圓弧掃描轉(zhuǎn)換操作，使合成孔徑聚焦獲得了極大的性能提升。但是全矩陣捕獲方法獲得了相控陣中所有發(fā)送接收陣元組的所對應(yīng)的A掃信號，即對于含有N個(gè)陣元的相控陣列，共有N²組A掃信號，稱為全矩陣數(shù)據(jù)。對于發(fā)送接收陣元不同的情況，該算法無法處理，因此無法應(yīng)用到相控陣超聲回波成像中。

基于橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換的相控陣成像方法，有如下特點(diǎn):(1)該算法可以應(yīng)用到發(fā)送-接收陣元不同的情況，也能對發(fā)送接收陣元相同的情況進(jìn)行處理，DAB-SAFT僅是本算法的一個(gè)特例。(2)本算法通過正向解釋全聚焦過程，將成像過程轉(zhuǎn)換為多次橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換操作，去除了耗時(shí)的均方根運(yùn)算，同時(shí)利用回波數(shù)據(jù)的稀疏性降低了算法復(fù)雜度，極大提升成像速度。

對于每個(gè)發(fā)送/接收陣元對采樣得到的每個(gè)數(shù)據(jù)，不僅作用于反射物對應(yīng)的像素點(diǎn)，也作用于無反射物的像素點(diǎn)。如圖1(c)中，對應(yīng)發(fā)送陣元為E_i、接收陣元為E_j且采樣延時(shí)為t_i,j的采樣數(shù)據(jù)不僅參與了p(x,z)點(diǎn)的成像計(jì)算，也參與了曲線段arc_i,j(r_i,j)上其他點(diǎn)如p’(x’,z’)的計(jì)算，r_i,j＝v·t_i,j/accuracy。其中，arc_i,j(r_i,j)是位于陣元E_i和E_j的聲場范圍內(nèi)的一段曲 線，曲線上所有點(diǎn)的像素值均受到S_i,j(n_ti,j)的影響。曲線arc_i,j(r_i,j)上的點(diǎn)滿足以下條件：曲線上的點(diǎn)距陣元E_i和E_j的距離之和r_i,j均相同、延時(shí)均為t_i,j。所以曲線段arc_i,j(r_i,j)是一段以E_i和E_j為焦點(diǎn)，長軸長度為r_i,j的橢圓弧。

另一方面，若從正向去綜合理解整體計(jì)算過程，采樣數(shù)據(jù)S_i,j(n_t)在整幅圖像的成像計(jì)算中的功效就相當(dāng)于以其數(shù)據(jù)值ω_i,js_i,j(n_t)/r_i,j在圖像中畫了一段橢圓弧arc_i,j(r_i,j),即橢圓弧arc_i,j(r_i,j)上各像素點(diǎn)的像素值累加ω_i,js_i,j(n_t)/r_i,j。因此，S_i,j(n_t)所在的延時(shí)曲線上的所有數(shù)據(jù)(S_0,0(n_t)至S_N-1,N-1(n_t))所對應(yīng)的橢圓弧(arc_0,0(r_0,0)至arc_N-1,N-1(r_N-1,N-1))在圖像中的交點(diǎn)即為原逆向計(jì)算過程中的目標(biāo)像素點(diǎn)(x,z)。對于目標(biāo)反射物，會有多個(gè)橢圓弧經(jīng)過該反射物，使其像素值高于周圍像素，以突出反射物所在位置，如圖1(d)所示，當(dāng)發(fā)送陣元為E₀時(shí)，目標(biāo)反射物(x,z)有arc_0,0(r_0,0)，arc_0,1(r_0,1)，arc_0,2(r_0,2)等橢圓弧經(jīng)過該點(diǎn)，該點(diǎn)像素值得到有效疊加。

若在整幅圖像中僅考慮第i步探測過程中，陣元E_j的所有采樣數(shù)據(jù)S_i,j的功效，則對應(yīng)于一幅子圖像I_i,j(如圖1(e))，圖像里包括多個(gè)以E_i和E_j為焦點(diǎn)，但長軸不同的橢圓弧。原DAS計(jì)算公式(3)則可以重新理解為各掃描位置處所對應(yīng)的扇形圖的疊加，圖像中像素點(diǎn)值為：

結(jié)果與(3)式相同，其中，N為相控陣中陣元的總數(shù)。

在原算法過程中，圖像上的任一像素點(diǎn)p(x,z)，在第i步探測過程中陣元E_j接收的采樣數(shù)據(jù)S_i,j對該點(diǎn)像素值的貢獻(xiàn)為為使新算法與原算法有相同的結(jié)果，在子圖像I_i,j中的所有像素點(diǎn)p(x,z)，有且僅有一個(gè)橢圓弧經(jīng)過該點(diǎn)。如圖2所示，子圖像I_t,r中的橢圓弧均關(guān)于直線AM：x＝x_c＝(x_i+x_j)/2對稱，其中A(x_c,0)，M(x_c,Z_depth-1)，線段AM上所有像素點(diǎn)P_k(x_c,z_k),z_k＝0,1,…,Z_depth-1，均有一個(gè)橢圓弧經(jīng)過。所以子圖像I_t,r中共包括Z_depth個(gè)橢圓弧，每個(gè)橢圓弧以(x_i,0)和(x_j,0)為焦點(diǎn)，且經(jīng)過點(diǎn)P_k(x_c,z_k),z_k＝0,1,…,Z_depth-1。

因此，原時(shí)域相控陣技術(shù)可以通過按照各發(fā)送/接收陣元對的位置在圖像上依長軸r_i,j的大小順序逐次畫橢圓弧的方法來實(shí)現(xiàn)。而在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，為了在光柵顯示設(shè)備上顯示幾何橢圓弧，已開發(fā)了多種成熟的橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換的技術(shù)。其中應(yīng)用最為廣泛的是中點(diǎn)畫橢圓算法，利用該算法，可以快速得到橢圓弧上各個(gè)像素點(diǎn)的位置，無需計(jì)算成像點(diǎn)與各陣元位置點(diǎn)之間的距離，避免了均方根運(yùn)算，能節(jié)省大量的計(jì)算開銷。

算法中每個(gè)發(fā)射和接收換能器的循環(huán)疊加計(jì)算完成之后，將每個(gè)像素的值顯示出來；整個(gè)圖像在內(nèi)部缺陷和分界面的像素處會出現(xiàn)明顯的高亮度值，并會形成連續(xù)的白色邊界線；再通過圖像的邊緣檢測和提取(算法)便可得到被測物體的內(nèi)部缺陷或分界面的形狀曲線。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換的時(shí)域相控陣超聲成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，提高成像速度和成像精度。

本發(fā)明的特征在于，將橢圓的掃描轉(zhuǎn)換技術(shù)擴(kuò)展為超聲波的橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換技術(shù)，并使用橢圓弧段的光柵化方法實(shí)現(xiàn)時(shí)域相控陣超聲快速成像技術(shù)，無需計(jì)算成像點(diǎn)與各陣元位置點(diǎn)之間的距離，避免了均方根運(yùn)算，節(jié)省了大量的計(jì)算操作。

本發(fā)明的基于橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換的時(shí)域相控陣超聲波回波成像方法，其特征在于，依次含有以下步驟：

步驟(1):構(gòu)建一個(gè)基于橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換的能在被測物體的深度方向形成的縱斷面上作無 損傷檢測的時(shí)域相控陣超聲波回波成像系統(tǒng)，以下簡稱系統(tǒng)，它包括一臺計(jì)算機(jī)、一個(gè)相控陣探頭、一個(gè)相控陣控制器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，其中：

所述的相控陣控制器的輸入端與計(jì)算機(jī)控制信號的輸出端相連，相控陣探頭的輸入端與相控陣控制器的輸出端相連，相控陣的回波信號輸出端與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述計(jì)算機(jī)的回波采樣信號輸入端相連，

在被測物體的上表面設(shè)置X-Z坐標(biāo)系，被測物體沿X軸方向的水平長度為M_x，向右為正，縱軸Z向下為正，作為目標(biāo)反射物被測物體縱斷面上深度方向的坐標(biāo)為(x,z)

所述相控陣探頭共有N個(gè)相控陣陣元(即：超聲換能器)，以下簡稱陣元，各陣元沿X軸正方向等間距Δx排列組成一個(gè)相控陣陣列，各陣元用E_i表示，i＝0,1,2,…,N-1，i既是陣元編號，也是檢測過程中各個(gè)探測步驟的序號，圖像中相鄰兩個(gè)像素點(diǎn)的間距稱為圖像精度accuracy，陣列中首個(gè)陣元的坐標(biāo)為(x₀,0)，第E_i個(gè)陣元的坐標(biāo)為(x_i＝x₀+i*Δx/accuracy,0)，目標(biāo)圖像水平方向的像素點(diǎn)數(shù)目X_length＝M_x/accuracy，

計(jì)算超聲換能器的半功率波束角β_0.5＝0.84λ/d，λ為超聲在被測物體中傳播時(shí)的波長，d為超聲換能器的直徑，對于所有的陣元均相同，在深度為z時(shí)，陣元有效孔徑長度為：L_z＝z*β_0.5；

步驟(2)：所述系統(tǒng)在基于橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換的時(shí)域相控陣超聲波成像方法控制下對被測物體沿深度方向形成的縱斷面依次按如下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟(2.1)：第i＝0步，按如下步驟探測:

步驟(2.1.1)：所述計(jì)算機(jī)控制所述相控陣控制器產(chǎn)生一個(gè)晶體管-晶體管邏輯電平TTL脈沖，觸發(fā)首個(gè)陣元E_i＝E₀，使其向被測物體的垂直于X軸的深度方向Z發(fā)射一個(gè)激勵(lì)脈沖；

步驟(2.1.2)：包括E_i在內(nèi)的所有N個(gè)陣元都轉(zhuǎn)為接收模式并開始計(jì)時(shí)，接收從被測物體反射的回波信號，所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對本次探測過程中各陣元E_j接收到的回波信號進(jìn)行采樣，共計(jì)N_t次，采樣序號為n_t，n_t＝0,1,2,….,N_t-1，采樣頻率為f_s，f_s的值為模數(shù)轉(zhuǎn)換器預(yù)設(shè)，記S_i,j(n_t)為相控陣在第i＝0步探測過程中，第j個(gè)陣元E_j第n_t次采樣得到的采樣值；每個(gè)陣元的總采樣次數(shù)N_t為：

N_t＝2Z_depth·accuracy·f_s/v

v為超聲波在被測物體中的傳播速度，

Z_depth為生成目標(biāo)圖像的垂直方向的像素?cái)?shù)目，對于不同的聚焦深度

本算法同樣適用，通過設(shè)置Z_depth來實(shí)現(xiàn)；

步驟(2.2)：所述計(jì)算機(jī)重復(fù)步驟(2.1.1)-步驟(2.1.2)，依次讀取第i＝1,2,…,N-1步所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的全部N個(gè)相控陣陣元的回波信號采樣值；

步驟(3)：對于第i＝0步探測過程中,第j＝0個(gè)陣元接收的回波采樣信號S_i,j(n_t)，n_t＝0,1,…,N_t-1，求解其對應(yīng)的子圖像I_t,r，即采樣信號對目標(biāo)圖像上所有像素點(diǎn)的貢獻(xiàn)值。

步驟(3.1)：依次按以下步驟計(jì)算所述縱斷面上的以坐標(biāo)點(diǎn)(x_i,0)和(x_j,0)為焦點(diǎn)的一系列橢圓弧。

步驟(3.1.1)：如圖2所示，取深度方向上的初始坐標(biāo)值z_α＝0，橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)為(x_c＝(x_i+x_j)/2,0)，計(jì)算路徑T_i→p(x_c,z_α)→T_j的傳輸距離：

計(jì)算超聲在被測物體中傳播距離為r_i,j(x_c,z_α)時(shí)所需要的時(shí)間

t_i,j(x_c,z_α)＝r_i,j(x_c,z_α)·accuracy/v

及該時(shí)間所對應(yīng)的采樣序號n_t＝t_i,i(x_c,z_α)·f_s；

步驟(3.1.2)：判斷采樣信號S_i,j(n_t)是否為非0值，若是，執(zhí)行步驟(3.1.3)，否則，跳過步驟(3.1.3)直接執(zhí)行步驟(3.1.4)；

步驟(3.1.3)：采樣信號S_i,j(n_t)所對應(yīng)的橢圓弧為arc_i,j(r_i,j(x_c,z_α))，該橢圓弧以(x_i,0)和(x_j,0)為焦點(diǎn)且經(jīng)過點(diǎn)(x_c,z_α)。其中橢圓長半軸為a＝r_i,j(x_c,zα)/2，短半軸為b＝0，橢圓弧方程為

f(x,z)＝b²(x-x_c)²+a²z²-a²b²＝0

調(diào)用中點(diǎn)畫橢圓算法得到該橢圓弧上所有像素點(diǎn)的坐標(biāo)，對于所有滿足z≥0的像素點(diǎn)p(x_k,z_k)，k＝0,1,2,…,n_k-1，n_k為滿足條件的像素點(diǎn)數(shù)目，其像素點(diǎn)的值累加其中，變跡函數(shù)ω_i,j(x,z)為：

ω_i,j(x,z)＝ω_i(x,z)·ω_j(x,z)

步驟(3.1.4)：依次取深度方向上的坐標(biāo)值z_α＝1,2,…,Z_depth-1，重復(fù)執(zhí)行步驟(3.1.1)至步驟(3.1.3)；

步驟(4)：依次取接收陣元j＝1,2,…,N-1，執(zhí)行步驟(3)；

步驟(5)：依次對于探測步驟i＝1,2,…,N-1,執(zhí)行步驟(3)-步驟(4),生成X_length×Z_depth的縱斷面圖像。

步驟(6)：運(yùn)用邊緣檢測算法提取出縱斷面圖像中像素值顯著變化的點(diǎn)，這些像素點(diǎn)構(gòu)成了被測物體中缺陷(分界面)的形狀和位置。

算法的計(jì)算復(fù)雜性分析：

假設(shè)探測物體的水平長度包括像素?cái)?shù)目為X_length，垂直方向包括像素?cái)?shù)目為Z_depth，相控陣探頭中陣元的數(shù)目為N。以一個(gè)像素點(diǎn)的計(jì)算為例，原時(shí)域相控陣算法對于相控陣列中所有發(fā)送/接收陣元組合，都要計(jì)算“發(fā)送陣元→像素點(diǎn)→接收陣元”的傳輸距離，然后運(yùn)算得到信號傳輸時(shí)間，根據(jù)時(shí)間查找回波信號的強(qiáng)度值。每一次距離計(jì)算都需要作均方根運(yùn)算，設(shè)每次均方根運(yùn)算的計(jì)算時(shí)間為T_RMS，每次查找回波信號值的時(shí)間為T_L，則原算法的計(jì)算時(shí)間為O(X_length*Z_depth*N²*(T_L+T_RMS))。而運(yùn)用本算法，每次僅需對陣元接收的非零信號進(jìn)行運(yùn)算，并 且用橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換操作代替了原來的距離運(yùn)算(即：用加法操作代替了均方根操作)。假設(shè)每個(gè)發(fā)送-接收陣元組接收到的非零信號的平均數(shù)目為n_s，每次光柵化橢圓弧所涉及的均方根運(yùn)算只有一次(計(jì)算橢圓弧初始點(diǎn)的位置)。若橢圓弧上像素點(diǎn)的平均數(shù)目為n_e，橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換時(shí)，光柵化每個(gè)像素的加法運(yùn)行時(shí)間為T_A，因此每次繪制橢圓弧操作的時(shí)間為T_RMS+n_e*T_A，則本算法的運(yùn)行時(shí)間為O(N²*n_s*(T_RMS+n_e*T_A))。假設(shè)X_length，Z_depth屬于同一數(shù)量級(用O(X_length)表示)，N為常數(shù)(通常N<<X_length),信號最遠(yuǎn)傳輸距離為最近傳輸距離為0，為簡化計(jì)算，假設(shè)平均傳輸距離為則因此n_e與X_length，Z_depth屬于同一數(shù)量級(用O(X_length)表示),n_s為常數(shù)(用O(1)表示)。原算法的復(fù)雜度為O(N²*X_length²)，本算法復(fù)雜度為O(N²*X_length)。實(shí)驗(yàn)表明，本方法的計(jì)算速度相對于傳統(tǒng)的時(shí)域相控陣成像方法有1個(gè)數(shù)量級的提升。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)在于成像速度快且成像更準(zhǔn)確。對于圖3(a)中的被測物體，物體中有五個(gè)等間距排列的直徑為1mm的孔洞。原算法和新算法在Core^TMi5-4210CPU@1.7GHz和4GB內(nèi)存的機(jī)器上運(yùn)行。圖3(b)為原算法的運(yùn)行結(jié)果，圖3(c)為新算法的運(yùn)行結(jié)果。兩圖中的高像素值區(qū)域(即白色區(qū)域)表明此處存在缺陷，對比3(b)和3(c)中的低像素區(qū)域位置，發(fā)現(xiàn)兩圖結(jié)果完全相同。圖3(d)為上述結(jié)果圖像的灰度對比圖，可以看出，兩者灰度圖也幾乎完全相同，從而說明新算法與原算法有相同的運(yùn)行結(jié)果。而原算法運(yùn)行時(shí)間為10.423s，基于橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換的相控陣成像方法的運(yùn)行時(shí)間為0.224s，相對于原算法有46倍的性能提升。

附圖說明

圖1是時(shí)域相控陣超聲成像技術(shù)的工作模型及原理圖：1(a)是全矩陣捕獲流程；1(b)是原時(shí)域相控陣技術(shù)的逆向計(jì)算過程原理圖；1(c)是對時(shí)域相控陣技術(shù)的正向解釋說明圖；1(d)是第0步探測過程中，經(jīng)過目標(biāo)反射物的橢圓?。浩渲屑t色區(qū)域表示陣元E₀的聲場范圍，綠色區(qū)域表示陣元E1的聲場范圍，藍(lán)色區(qū)域表示陣元E2的聲場范圍，黃色區(qū)域表示E₀和E₁公共聲場范圍，紫色區(qū)域表示E₀和E₂公共聲場范圍；1(e)是第i步探測過程中，陣元E_j采樣得到的所有數(shù)據(jù)在原時(shí)域相控陣技術(shù)中的功效圖。

圖2是計(jì)算子圖像中包含的橢圓弧的數(shù)目示意圖。

圖3是實(shí)驗(yàn)示意圖：3(a)為被測物體結(jié)構(gòu)示意圖；3(b)為原算法結(jié)果圖像；3(c)為基于橢圓弧掃描的成像方法結(jié)果圖像；3(d)為圖像(b)和(c)的灰度直方對比圖。

圖4是本超聲成像系統(tǒng)流程示意圖。

圖5是本超聲成像硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖6是超聲陣元工作示意圖。

圖7是基于橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換的時(shí)域相控陣超聲成像方法總體流程圖。

圖8是基于橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換的時(shí)域相控陣超聲成像方法偽代碼。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施過程包含三部分(如圖4)：超聲數(shù)據(jù)獲取、成像計(jì)算和圖像顯示。硬件平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，超聲成像系統(tǒng)由一臺計(jì)算機(jī)、一個(gè)相控陣探頭、一個(gè)相控陣控 制器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，所述的相控陣控制器的輸入端與計(jì)算機(jī)控制信號的輸出端相連，相控陣探頭的輸入端與相控陣控制器的輸出端相連，相控陣的回波信號輸出端與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述計(jì)算機(jī)的回波采樣信號輸入端相連。

被測物體沿X軸方向的水平長度為M_x，相控陣探頭中一維相控陣列陣元的數(shù)目為N，陣元為E_i(i＝0,1,2,,…,N-1)，相鄰陣元的間距為Δx，相控陣第0個(gè)陣元的坐標(biāo)為E₀(x₀＝0,0)，則第i個(gè)陣元E_i的坐標(biāo)為(x_i＝x₀+i*Δx/accuracy,0)，其中accuracy為圖像精度，物體水平方向的像素值為X_length＝M_x/accuracy。探測過程共分為N步。第i(i＝0,1,2,…,N-1)步探測過程中，相控陣控制器產(chǎn)生一個(gè)TTL(晶體管-晶體管邏輯電平)脈沖，觸發(fā)相控陣中陣元E_i向被測物體的垂直于X軸的深度方向Z發(fā)射一個(gè)激勵(lì)脈沖，隨后所有陣元(E₀,E₁,…,E_N-1)轉(zhuǎn)為接收模式并開始計(jì)時(shí)，接收從被測物體反射的回波信號，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器對每個(gè)陣元(E₀,E₁,…,E_N-1)在第i步探測過程中接收到的回波信號進(jìn)行N_t次采樣并存儲到計(jì)算機(jī)中,采樣序號n_t＝0,1,…,N_t-1，采樣頻率為f_s，其值為模數(shù)轉(zhuǎn)換器預(yù)設(shè)，記s_i,j(n_t)為第i步探測過程中，陣元E_j接收到的回波信號在t＝n_t/f_s時(shí)刻的采樣值。其中N_t＝2Z_depth·accuracy·f_s/v，v為超聲在被測物體中的傳播速度，Z_depth為被測物體垂直方向的像素值，其值為系統(tǒng)預(yù)設(shè)。

成像計(jì)算就是將全矩陣捕獲方式獲得的采樣數(shù)據(jù)作為計(jì)算機(jī)輸入，然后按前述的成像步驟計(jì)算被測物體的縱斷面圖像，總體流程圖參見圖7。

成像步驟(3.1)中，計(jì)算傳輸延時(shí)所對應(yīng)的采樣序號n_t＝f_s·t＝f_s·2a/v時(shí)，得到的值n_t可能為小數(shù)，此時(shí)獲得與之相鄰的兩個(gè)整數(shù)對應(yīng)的采樣信號進(jìn)行插值得到采樣信號。例如，假設(shè)得到的采樣序號為n_t＝30.4，與之相鄰的整數(shù)對應(yīng)的采樣信號為s_i,j(30)和s_i,j(31)，則n_t對應(yīng)的采樣信號為s_i,j(30)+(s_i,j(31)-s_i,j(30))*(30.4-30)。

圖3所述的實(shí)驗(yàn)中，相控陣列中陣元數(shù)目為32，第0個(gè)陣元坐標(biāo)為(0,0)，陣元間隔為1.2mm，圖像精度為accuracy＝0.05mm，陣元E_i的坐標(biāo)為(i*24,0)。陣元直徑為d＝1mm，陣元頻率為f_t＝3.00MHz，半功率波束角為β_0.5＝0.84λ/d＝0.431，聲波在水中傳播速度為v＝1540m/s，采樣頻率為f_s＝100.00MHz。首先使用圖1(a)的流程獲得所有(發(fā)送,接收)陣元組合的回波采樣數(shù)據(jù)，然后利用圖8的成像算法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得最終X_length×Z_depth的結(jié)果圖像。

圖像顯示即把計(jì)算得到的二維圖像顯示在相應(yīng)的顯示設(shè)備上。用邊緣檢測算法對結(jié)果圖像進(jìn)行處理，得到缺陷所處的位置。