[发明专利]基于变波速相位迁移的多层物体无损检测超声成像方法

权利要求书

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(1)：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1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/Δx个区间，Δx为区间长度，也是所述超声换能器从x轴上的点0起向终点N_x-1止每次移动的步长，N_x＝1+L/Δx，所述超声换能器每次移动所达到的点称为探测点，共有N_x个，序号n_x＝0，1，...，N_x-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n_x处接收到的回波信号进行N_t次采样并存储到计算机中，采样序号n_t＝0，1，...，N_t-1，采样频率为f_s，其值为模数转换器预设，记s(z，x，t)为在横坐标为x＝n_x·Δx处接收到的回波信号在t＝n_t/f_s时刻的采样值；

步骤(2)：所述计算机从n_t＝0开始依序读取探测点n_x＝0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0表示探测点序号，然后，重复上述步骤依次读取n_x＝1，...，N_x-1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N_x个探测点上总共N_x个采样值第一次发生波动的序号从中选取最小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1D-FFT_t(s(z，x，t))，取z的初始值z₀＝0，得到x-ω域二维信号：

S(z₀，x，ω)＝1D-FFT_t(s(z₀，x，t))

其中，x为探测点序号为n_x处的水平向坐标值，ω为采样角频率，然后，对上述x-ω域二维信号S(z₀，x，ω)沿水平轴x依次进行一维快速傅里叶变换1D-FFT_x(S(z₀，x，ω))，得到z₀处的k-ω域二维频谱S(z₀，k，ω)：

S(z₀，k，ω)＝1D-FFT_x(1D-FFT_t(s(z₀，x，t)))

其中，k为波数矢的x向分量，序号为n_k，所述波数矢表示波动相位的空间梯度，

0≤n_k≤N_x-1，且n_k为整数；

0≤n_ω≤N_t-1，且n_ω为整数；

其中，n_ω为采样角频率ω的序号，取值在0～(N_t-1)之间，取t＝t₀＝0，一维采样数据s(z₀，x，t₀)即为三层异质物体纵断面上第z＝z₀＝0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z₀＜z≤z_min内的分别由各行像素点形成的各行图像：

步骤(4.1)：利用下述相位迁移公式计算所述纵断面在z_min处的二维频谱S(z_min，k，ω)：

S(zmin,k,ω)=S(z0,k,ω)Πz=1zminα(Δz,k,ω,vz)]]>

其中，

其中，i为虚数单位，z₀＝0，ω为采样角频率，v_z为被测物体在深度方向上第z行介质中的声波波速，在z≤z_min时，v_z＝v₁，v₁为第一层介质中声波的波速，Δz为深度方向z上相邻两个像素之间的间隔距离，α(Δz，k，ω，v_z)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(4.2.1)：取t＝t₀＝0，对所述步骤(4.1)得到的S(z_min，k，ω)作自变量ω的高斯积分，

步骤(4.2.2)：对所述步骤(4.2.1)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/N_x，得到第一层介质内深度方向上坐标值为z_min的一行像素点所形成的图像：

s(zmin,x,t0)=1Nx{1D-FFTk{[12π∫-ππS(zmin,k,ω)dω]*)}*]]>

在z方向第一层同质区z₀＜z≤z_min内，各行图像均相同：

s(z，x，t₀)＝s(z_min，x，t₀)，z₀＜z≤z_min；

步骤(5)：取步骤(4)中的v_z＝v₁，对z值以Δz为步长循环执行下述步骤(5.1)、步骤(5.2)，直到z≥z_max止，生成第一包围盒内深度方向z_min＜z≤z_max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(5.1)：利用所述恒定波速下的相位迁移公式计算z+Δz处的二维频谱，z_min＜z+Δz≤z_max：

S(z+Δz，k，ω)＝S(z，k，ω)·α(Δz，k，ω，v_z)，

步骤(5.2)：依次执行以下步骤：

步骤(5.2.1)：取t＝t₀＝0，对所述步骤(5.1)得到的S(z+Δz，k，ω)作自变量ω的高斯积分，

步骤(5.2.2)：对所述步骤(5.2.1)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/N_x，得到深度方向上坐标值为z+Δz的一行像素点所形成的图像，z_min＜z+Δz≤z_max：

s(z+Δz,x,t0)=1Nx{1D-FFTk{[12π∫-ππS(z+Δz,k,ω)dω]*)}*;]]>

步骤(6)：按以下步骤修正所述第一包围盒内深度方向z_min至z_max区间z_min＜z≤z_max中的各行图像，以消除第二层和第一层介质间的不同质而导致的误差：

步骤(6.1)：以步骤(5)得到的z_min至z_max区间图像块作为输入量，使用Canny算子边缘提取算法提取所述z_min、z_max之间的第一层介质与第二层介质的分界线c₁(x，z)，

步骤(6.2)：从z＝z_min开始，直到z≥z_max止，以所述步骤(4.1)得到的z_min处的二维频谱S(z_min，k，ω)作起始值，以Δz为步长循环执行步骤(6.2.1)和步骤(6.2.2)：

步骤(6.2.1)：使用N次单输出快速傅里叶反变换方法，按下式计算得到所述第一个包围盒内z+Δz处的x-ω域二维信号：

S(z+Δz,x=nx·Δx,ω)=1NxΣnk=0Nx-1[S(z,k=2πnkNxΔx,ω)α(Δz,k=2πnkNxΔx,ω,vz(x=nx·Δx))]ei2πNxnknx]]>

其中，N的取值等于N_x，n_x＝0，1，...，N_x-1，n_k＝0，1，...，N_x-1，α(Δz，k，ω，v_z(x))为变波速的相位迁移量：

其中，k、ω的取值同步骤(3)，v_z(x)是坐标(x，z)处的介质中声波的波速：

v₁为位于分界线c₁(x，z)之上的第一层介质中声波的传播速度，v₂为位于分界线c₁(x，z)之下的第二层介质中声波的传播速度，

计算步骤如下：

步骤(a)：分别对不同的n_x，n_k(n_x＝0，1，...，N_x-1；n_k＝0，1，...，N_x-1)计算

G(nx,nk)=S(z,k=2πnkNxΔx,ω)α(Δz,k=2πnkNxΔx,ω,vz(x=nx·Δx)),]]>

步骤(b)：对不同的n_x(n_x＝0，1，...，N_x-1)，以G(n_x，n_k)，n_k＝0，1，...，N_x-1序列作为裁剪输出FFT算法的输入量，对n_k作G(n_x，n_k)离散傅里叶反变换，但仅取n_x这一时域点的值，作为深度方向上坐标值为z+Δz处的x-ω域二维信号：

S(z+Δz,x=nx·Δx,ω)=1NxΣnk=0Nx-1G(nx,nk)ei2πNxnknx,]]>

步骤(6.2.2)：取t＝t₀＝0，对所述步骤(6.2.1)得到的S(z+Δz，x，ω)作自变量ω的高斯积分，得到深度方向上坐标值为z+Δz的一行像素点所形成的图像，z_min＜z+Δz＜z_max：

s(z+Δz,x,t0)=12π∫-ππS(z+Δz,x,ω)dω]]>

同时，保存S(z+Δz，x，ω)并作一维傅里叶变换得到S(z+Δz，k，ω)，作为下一轮迭代的初始值；

步骤(7)：按步骤(5)所述的方法，取v_z＝v₂，对z值以Δz为步长循环执行所述步骤(5.1)、步骤(5.2)，直到z≥z_depth止，生成深度方向z_max＜z≤z_depth区间各行像素点所形成的各行图像，v₂为第二层介质中声波的传播速度，z_depth表示三层异质物体在深度方向z上的最大坐标值，为系统预设值；

步骤(8)：以步骤(7)得到的z_max至z_depth区间图像块作为输入量，使用Canny算子边缘提取算法提取所述z_max、z_depth之间的第二层介质与第三层介质的分界线c₂(x，z)，求分界线c₂(x，z)在深度方向z上的最小坐标值z′_min和最大坐标值z′_max，分别通过所述z′_min和z′_max两个深度坐标值作两条平行于x轴的水平线，把第二层介质和第三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二、第三两层介质的第二个包围盒；

步骤(9)：按照步骤(6.2)所述的方法修正第二包围盒内深度方向z′_min至z′_max区间z′_min＜z≤z′_max中的各行图像，以消除第三层和第二层介质间的不同质而导致的误差；

步骤(10)：按步骤(5)所述的方法，取v_z＝v₃，对z值以z′_max为起始值，以Δz为步长循环执行所述步骤(5.1)、步骤(5.2)，直到z≥z_depth止，生成第三层介质内除了所述第二包围盒以外部分各行像素点所形成的各行图像，v₃为第三层介质中声波的传播速度。