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基于環(huán)形陣列的超聲層析檢測(cè)方法

來源： 發(fā)布時(shí)間：2016-04-11 09:58:09

　　超聲成像由于沒有輻射,檢測(cè)設(shè)備價(jià)格相對(duì)低廉等特點(diǎn),在工業(yè)檢測(cè)和醫(yī)療行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。層析檢測(cè)技術(shù)通過檢測(cè)散射波來重建被測(cè)物的結(jié)構(gòu),其直觀的圖像能夠幫助非專業(yè)人員辨別未知的被測(cè)物,逐漸成為業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)兩相流的工業(yè)檢測(cè)需求和弱散射條件下的組織成像檢測(cè),研究了對(duì)該領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值的四種成像算法。

　　首先給出了液浸環(huán)形陣列超聲層析檢測(cè)模型的優(yōu)勢(shì),該模型不僅增大了有效檢測(cè)信號(hào)的提取范圍(尤其在大聲束擴(kuò)散角的情況下效果更為明顯),還可以根據(jù)被測(cè)物的情況改變陣元的使用數(shù)量以及組合方式,獲取更優(yōu)質(zhì)的重建圖像。然后在波動(dòng)理論的基礎(chǔ)上,采用Comsol Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件研究了氣/液、液/液等多種情況下的聲傳播特性。根據(jù)不同被測(cè)物的散射波形特點(diǎn),指明了對(duì)應(yīng)有效的檢測(cè)算法,在氣/液、固/液兩相耦合狀態(tài)下,對(duì)被測(cè)物的成像過程及圖像質(zhì)量改善進(jìn)行了研究與分析,最后利用相控陣脈沖收發(fā)設(shè)備和自行設(shè)計(jì)的柔性換能器陣列,搭建了液浸環(huán)形陣列層析檢測(cè)系統(tǒng),并結(jié)合成像算法完成了實(shí)際浸于水中的多種固體材料和懸浮于液體超聲耦合劑中的多個(gè)氣泡圖像重建。

　　本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:對(duì)超聲波在氣/液、液/液情況下的聲傳播特性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真研究,分析了被測(cè)物尺寸、材料特性對(duì)檢測(cè)聲波的不同影響,給出了相應(yīng)情況下適合成像的算法,對(duì)提高成像質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。之后研究了超聲層析成像的原理,對(duì)基于射線理論的重建方法和波動(dòng)情況下的散射聲場(chǎng)表達(dá)進(jìn)行了理論推導(dǎo),由此分析了本論文中研究的多種算法的適用條件。

　　針對(duì)被測(cè)物和耦合介質(zhì)之間聲阻抗差別較大的情況,研究了基于反射波和衍射波的橢圓定位算法和雙曲線算法,對(duì)傳統(tǒng)定位算法進(jìn)行了改進(jìn),并提出了全時(shí)域波形反投影成像的概念,將其成功運(yùn)用到這兩種算法中,分別完成了氣/液狀態(tài)下和固/液狀態(tài)下多個(gè)形狀、位置、尺寸各異的分立被測(cè)物的成像。提出了可用于氣泡分布形態(tài)檢測(cè)的局部信號(hào)概率算法,在檢測(cè)信號(hào)和背景信號(hào)產(chǎn)生大幅度相移的情況下,采用局部信號(hào)提取和信號(hào)差系數(shù)的概念實(shí)現(xiàn)了氣/液兩相中多個(gè)氣相個(gè)體的超聲透射法概率成像。針對(duì)被測(cè)物和耦合介質(zhì)之間聲阻抗差別較小的情況,研究了基于射線理論的超聲迭代成像,提出了基于超聲慢度差的反涂抹代數(shù)重建算法,并針對(duì)弱散射情況的生物材料進(jìn)行了多物理場(chǎng)聲傳播仿真和透射法圖像重建,利用互相關(guān)算法改進(jìn)了圖像質(zhì)量。

　　最后,用全時(shí)域波形橢圓成像算法、全時(shí)域波形雙曲線成像算法以及概率成像算法,完成了實(shí)際浸于水中的固體被測(cè)物結(jié)構(gòu)檢測(cè)和懸浮于液體超聲耦合劑中的氣泡截面檢測(cè),從而驗(yàn)證了檢測(cè)模型和算法的有效性。過程中討論了陣元數(shù)量以及陣元的不同組合方式給成像帶來的影響,給出了不同陣元組合的成像對(duì)比圖,明確了不同算法在陣列檢測(cè)中的分辨力、最小檢測(cè)值和檢測(cè)覆蓋范圍并繪制了位置靈敏度曲線。

  本文關(guān)鍵詞：基于環(huán)形陣列的超聲層析檢測(cè)方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。