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基于環(huán)形陣列的超聲層析檢測方法

來源： 發(fā)布時間：2016-04-11 09:58:09

　　超聲成像由于沒有輻射,檢測設(shè)備價格相對低廉等特點,在工業(yè)檢測和醫(yī)療行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。層析檢測技術(shù)通過檢測散射波來重建被測物的結(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物,逐漸成為業(yè)內(nèi)研究的熱點。本文針對兩相流的工業(yè)檢測需求和弱散射條件下的組織成像檢測,研究了對該領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值的四種成像算法。

　　首先給出了液浸環(huán)形陣列超聲層析檢測模型的優(yōu)勢,該模型不僅增大了有效檢測信號的提取范圍(尤其在大聲束擴散角的情況下效果更為明顯),還可以根據(jù)被測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。然后在波動理論的基礎(chǔ)上,采用Comsol Multiphysics多物理場仿真軟件研究了氣/液、液/液等多種情況下的聲傳播特性。根據(jù)不同被測物的散射波形特點,指明了對應(yīng)有效的檢測算法,在氣/液、固/液兩相耦合狀態(tài)下,對被測物的成像過程及圖像質(zhì)量改善進行了研究與分析,最后利用相控陣脈沖收發(fā)設(shè)備和自行設(shè)計的柔性換能器陣列,搭建了液浸環(huán)形陣列層析檢測系統(tǒng),并結(jié)合成像算法完成了實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氣泡圖像重建。

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

　　針對被測物和耦合介質(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,對傳統(tǒng)定位算法進行了改進,并提出了全時域波形反投影成像的概念,將其成功運用到這兩種算法中,分別完成了氣/液狀態(tài)下和固/液狀態(tài)下多個形狀、位置、尺寸各異的分立被測物的成像。提出了可用于氣泡分布形態(tài)檢測的局部信號概率算法,在檢測信號和背景信號產(chǎn)生大幅度相移的情況下,采用局部信號提取和信號差系數(shù)的概念實現(xiàn)了氣/液兩相中多個氣相個體的超聲透射法概率成像。針對被測物和耦合介質(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,并針對弱散射情況的生物材料進行了多物理場聲傳播仿真和透射法圖像重建,利用互相關(guān)算法改進了圖像質(zhì)量。

　　最后,用全時域波形橢圓成像算法、全時域波形雙曲線成像算法以及概率成像算法,完成了實際浸于水中的固體被測物結(jié)構(gòu)檢測和懸浮于液體超聲耦合劑中的氣泡截面檢測,從而驗證了檢測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比圖,明確了不同算法在陣列檢測中的分辨力、最小檢測值和檢測覆蓋范圍并繪制了位置靈敏度曲線。

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