基于环形阵列的超声层析检测方法

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基于环形阵列的超声层析检测方法

来源： 发布时间：2016-04-11 09:58:09

　　超声成像由于没有辐射,检测设备价格相对低廉等特点,在工业检测和医疗行业得到了广泛的应用。层析检测技术通过检测散射波来重建被测物的结构,其直观的图像能够帮助非专业人员辨别未知的被测物,逐渐成为业内研究的热点。本文针对两相流的工业检测需求和弱散射条件下的组织成像检测,研究了对该领域具有潜在应用价值的四种成像算法。

　　首先给出了液浸环形阵列超声层析检测模型的优势,该模型不仅增大了有效检测信号的提取范围(尤其在大声束扩散角的情况下效果更为明显),还可以根据被测物的情况改变阵元的使用数量以及组合方式,获取更优质的重建图像。然后在波动理论的基础上,采用Comsol Multiphysics多物理场仿真软件研究了气/液、液/液等多种情况下的声传播特性。根据不同被测物的散射波形特点,指明了对应有效的检测算法,在气/液、固/液两相耦合状态下,对被测物的成像过程及图像质量改善进行了研究与分析,最后利用相控阵脉冲收发设备和自行设计的柔性换能器阵列,搭建了液浸环形阵列层析检测系统,并结合成像算法完成了实际浸于水中的多种固体材料和悬浮于液体超声耦合剂中的多个气泡图像重建。

　　本文的主要研究内容如下:对超声波在气/液、液/液情况下的声传播特性进行了动态仿真研究,分析了被测物尺寸、材料特性对检测声波的不同影响,给出了相应情况下适合成像的算法,对提高成像质量具有指导意义。之后研究了超声层析成像的原理,对基于射线理论的重建方法和波动情况下的散射声场表达进行了理论推导,由此分析了本论文中研究的多种算法的适用条件。

　　针对被测物和耦合介质之间声阻抗差别较大的情况,研究了基于反射波和衍射波的椭圆定位算法和双曲线算法,对传统定位算法进行了改进,并提出了全时域波形反投影成像的概念,将其成功运用到这两种算法中,分别完成了气/液状态下和固/液状态下多个形状、位置、尺寸各异的分立被测物的成像。提出了可用于气泡分布形态检测的局部信号概率算法,在检测信号和背景信号产生大幅度相移的情况下,采用局部信号提取和信号差系数的概念实现了气/液两相中多个气相个体的超声透射法概率成像。针对被测物和耦合介质之间声阻抗差别较小的情况,研究了基于射线理论的超声迭代成像,提出了基于超声慢度差的反涂抹代数重建算法,并针对弱散射情况的生物材料进行了多物理场声传播仿真和透射法图像重建,利用互相关算法改进了图像质量。

　　最后,用全时域波形椭圆成像算法、全时域波形双曲线成像算法以及概率成像算法,完成了实际浸于水中的固体被测物结构检测和悬浮于液体超声耦合剂中的气泡截面检测,从而验证了检测模型和算法的有效性。过程中讨论了阵元数量以及阵元的不同组合方式给成像带来的影响,给出了不同阵元组合的成像对比图,明确了不同算法在阵列检测中的分辨力、最小检测值和检测覆盖范围并绘制了位置灵敏度曲线。

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