专利名称：基于变波速相位迁移的多层物体无损检测超声成像方法
技术领域：
本发明涉及超声波无损检测技术、合成孔径聚焦成像技术和相位迁移技术，实现对复杂的非规则分层物体的内部结构快速成像。
背景技术：
目前，在超声波无损检测领域，对于含有分界面的分层物体的超声成像(包含接触式超声成像和液浸法超声成像，若将耦合剂层视为被测物体的一部分，则液浸法超声成像也可视为分层物体的接触式超声成像，因此本发明中将两者统一称为分层物体的超声成像)，当前主要有两种方案一是采用时域合成孔径聚焦超声成像技术与射线跟踪(Ray Tracing)技术相结合的方法,二是采用基于相位迁移(Phase Shift Migration)技术和频域合成孔径聚焦超声成像技术的相位迁移超声成像方法。合成孔径聚焦超声成像技术(SAFT)的基本思想是利用一个单一的换能器来模拟孔径阵列，对被测物体进行有序的扫描，并采用延时叠加(DAS)方法(时间延迟或相位延迟)对扫描得到的脉冲回波信号进行聚焦成像。SAFT工作模型如图I所示，其中，Z向为深度方向，X向为换能器扫描方向，当换能器位于Un处时，目标反射物U丨,z!)至换能器的距离为rn。SAFT技术有时域和频域之分时域SAFT基于DAS原理与多点动态聚焦技术，对目标成像区域不同深度上的聚焦点计算不同的时延。如

图1，为了在目标反射物处(X' , Zi )聚焦，时域SAFT技术将换能器在合成孔径长度L内的每一个扫描位置处获得的回波信号进行延时叠加处理设s(un， t)为换能器在un处接收到的回波信号，t为采样时刻，un处关于目标反射物(X'，z')的延时为
权利要求
1.基于变波速相位迁移的多层物体无损检测超声成像方法，其特征在于，依次含有以下步骤步骤(I):构建一个由一台计算机、一个超声换能器、一套定位控制器和一个模数转换器组成的一个基于变波速相位迁移的用于对在横向和纵向均存在异种介质的三层异质物体在深度和水平两个方向形成的纵断面上作无损伤超声成像的系统，其中所述超声换能器设有与所述定位控制器的输出端相连的脉冲信号输入端，所述定位控制器的输入端与所述计算机相应的定位控制信号输出端相连，所述超声换能器还设有 与所述模数转换器的输入端相连的回波信号输出端，所述模数转换器的输出端与所述计算机的回波采样信号输入端相连。所述换能器由所述定位控制器控制，在三层异质物体表面以I步长/ms固定速率移动，所述定位控制器是控制所述超声换能器移动位置的传动装置， 其参数由所述计算机输入，三层异质物体沿X轴方向的水平长度为L，均分为L/ Δ X个区间，Δ X为区间长度，也是所述超声换能器从X轴上的点O起向终点Nx-I止每次移动的步长,Nx = l+L/Δχ，所述超声换能器每次移动所达到的点称为探测点，共有Nx个，序号nx = 0，1，. . .，Nx-1，所述定位控制器在每一个探测点处产生一个TTL脉冲，触发所述超声换能器向三层异质物体的垂直于 X轴的深度方向z发射一个激励脉冲，随后换能器转为接收模式并开始计时，接收从被测物体反射的回波信号，所述模数转换器对所述换能器在探测点nx处接收到的回波信号进行Nt 次采样并存储到计算机中，采样序号nt = 0,1,...，Nt-I，采样频率为fs，其值为模数转换器预设，记S(z, X, t)为在横坐标为X = ηχ · Δχ处接收到的回波信号在t = nt/fs时刻的采样值；步骤(2):所述计算机从nt = O开始依序读取探测点nx = O处的采样值,并记录采样值第一次发生波动的采样序号^，下标O表示探测点序号，然后，重复上述步骤依次读取nx =1，...，Nx-I各探测点处的采样值，并记录各点处采样值第一次发生波动的序号(，得到Nx个探测点上总共Nx个采样值第一次发生波动的序号(，从(中选取最小的序号mm 并计算该序号在所述三层异质物体的z方向上所对应的深度坐标值Zmm=V1和从(中选取最大的序号;^^并计算该序号在所述三层异质物体的z方向上所对应的深度坐标值 Zmax=Vl-H^Ifs，其中V1为第一层介质中的波速，分别通过这两个深度坐标值作两条平行于 X轴的水平线，把第一层介质和第二层介质间的分界线包围起来，形成一个位于所述三层异质物体X-Z纵断面上同时跨越第一、第二两层介质的第一个包围盒；步骤(3):沿着时间轴t逐个对各探测点处的采样值s(z，x，t)进行一维快速傅里叶变换ID-FFTt (s(z, X, t)),取z的初始值zQ = O,得到X-ω域二维信号S(ζ0, X, ω) = ID-FFTt (s (z0, x, t))其中，X为探测点序号为^处的水平向坐标值，ω为采样角频率，然后，对上述χ-ω域二维信号S(Z(I，x, ω)沿水平轴X依次进行一维快速傅里叶变换ID-FFTx(S(Ztl，χ, ω))，得到zQ处的k-ω域二维频谱S(zQ, k, ω)S(z0，k，ω) = ID-FFTx(ID-FFTt (s(z0，χ，t)))其中，k为波数矢的χ向分量，序号为nk，所述波数矢表示波动相位的空间梯度，IjmkNx-Ax7 ^ llk ^ 1,χ l7^llk 2πη,O≤nk<Nx-l，且nk为整数;O≤ηω≤队-1，且1^为整数；Nt其中，ηω为采样角频率ω的序号,取值在O (Nt-I)之间,取t = h = O, —维采样数据s(Z(l，x, t0)即为三层异质物体纵断面上第z = Z0 = O行各像素点的像素值；步骤(4):依次按以下步骤生成z方向同质区Ztl < z < Zmin内的分别由各行像素点形成的各行图像步骤(4. I):利用下述相位迁移公式计算所述纵断面在Zmin处的二维频谱S(zmin，k，ω)^minS(zmm,k,a) = S(z0,k,a)Ua(Az,k,a,vz)Z=I其中，α(Δζ,Λ,β>,νζ)exph'Az ^——k2 [, ω < Ο ·^——k2 >0;、,其他；其中，i为虚数单位，Z0 = O, ω为采样角频率，Vz为被测物体在深度方向上第ζ行介质中的声波波速，在Z ( Zmin时，vz = V1, V1为第一层介质中声波的波速，Δ Z为深度方向ζ 上相邻两个像素之间的间隔距离，α (Az，k，ω，νζ)为恒定波速下的相位迁移量，步骤(4. 2):依次执行以下步骤步骤(4. 2. I):取t = h = O,对所述步骤(4. I)得到的S(zmin, k, ω)作自变量ω的高斯积分，步骤(4. 2. 2):对所述步骤(4. 2. I)的高斯积分结果取共轭，再对k作一维快速傅里叶变换，对计算结果再取共轭后乘以1/NX，得到第一层介质内深度方向上坐标值为Zmin的一行像素点所形成的图像(vI 1D-FFTi—S(zmm,k,o)do 2π ]-πΛ 在Z方向第一层同质区Ztl < Z < Zmin内，各行图像均相同S (Ζ，X， 。) S (Zmin，X， 。)，Zq〈 Z ^ Zm^n ;步骤(5):取步骤(4)中的vz = V1，对ζ值以Δζ为步长循环执行下述步骤(5. I)、步骤(5. 2),直到ζ彡Zmax止,生成第一包围盒内深度方向Zmin < ζ ^ Zmax区间分别由各行像素点所形成的各行图像，其步骤如下步骤(5. I):利用所述恒定波速下的相位迁移公式计算ζ+Λζ处的二维频谱，Zfflin < ζ+ Λ ζ 彡 Zmax S (ζ+ Δ z, k, ω) = S (z, k, ω) · α ( Δ ζ, k, ω , νζ),步骤(5.2):依次执行以下步骤步骤(5. 2. I):取t = h = O,对所述步骤(5. I)得到的S(z+A z, k, ω)作自变量ω 的闻斯积分，≤ 步骤(5. 2. 2):对所述步骤(5. 2. I)的高斯积分结果取共轭，再对k作一维快速傅里叶变换，对计算结果再取共轭后乘以1/NX，得到深度方向上坐标值为ζ+Λ ζ的一行像素点所形成的图像，
全文摘要
基于变波速相位迁移的多层物体无损检测超声成像方法属于多层异质物体的内部结构快速成像技术领域，其特征在于，基于使用一个超声换能器在多层异质物体长度方向作等间距移动探测的条件下，在同质区内，采用恒定波速相位迁移超声成像技术和快速傅里叶变换技术计算同质区域内各行图像，在异质区域内，建立一个包围介质分界线的包围盒，对位于包围盒内介质分界线以上及以下各不同质区域，再采用变波速相位迁移的方法和N次单输出快速傅里叶反变换方法分别计算不同质区内的各行图像。本发明适用于在深度方向和水平方向上均存在异种介质的多层异质物体的快速超声成像，且在介质分界面附近，采用了以变波速为特征的分别对待方法，精度较高。
文档编号G01N29/46GK102608205SQ20121004615
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者孙丰, 杨春, 秦开怀 申请人:清华大学