[发明专利]一种基于高斯回波模型测量薄层材料厚度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于扫描超声波显微镜的薄层材料特性测量领域，特别涉及一种基于高斯回波模型测量薄层材料厚度的方法。

背景技术

通过超声波探头向目标媒质中发射超声波，若目标媒质中存在界面反射，一段时间后超声波探头会接收到经过界面反射的超声波回波。接收到的回波信号中除了探头发射的超声波信号之外，更包含了超声波传播途径中的各种相关信息，即媒质的系统响应。

目前超声波检测手段广泛应用于厚度测量、深度剖析等方面，测量系统本身的测量精度主要取决于测量系统中超声波探头的中心频率，采用的中心频率越高，精度越高。而由于制造工艺水平等因素，超声显微精密测量的实现往往受限于超声波探头中心频率所能达到的极限。此外，对于某些材料，超声波传播过程中存在明显的散射与吸收而导致衰减现象，且频率越高，衰减越严重，这进一步限制了高频超声波探头的应用。因此，需要我们通过反卷积的手段获得高于探头频率所限的分辨率。

为提取媒质的系统响应，一般可以利用伪逆法，结合回波信号的功率谱等统计信息对其进行维纳滤波。然而，伪逆法往往对噪声敏感，且精度仍然受限于测量系统本身的测量精度。

本专利以建立描述系统响应的数学模型为基础，实现了对于薄层材料厚度的精确测量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种基于高斯回波模型测量薄层材料厚度的方法。

基于高斯回波模型测量薄层材料厚度的方法，采用扫描超声波显微镜，扫描超声波显微镜包括超声波探头(1)、三维直线电机(2)、导轨(3)、基体材料(4)、薄层材料(5)、水槽(6)、电机控制器(7)、超声波发射接收器(8)、计算机(9)，水槽(6)底部放有基体材料(4)，基体材料(4)上设有薄层材料(5)，基体材料(4)上方设有超声波探头(1)，超声波探头(1)上端与三维直线电机(2)相连，导轨(3)上设有三维直线电机(2)，超声波探头(1)与超声波发射接收器(8)相连，三维直线电机(2)与电机控制器(7)相连，计算机(9)分别与电机控制器(7)、超声波发射接收器(8)相连；方法的步骤如下：

1）将薄层材料(5)放置于基体材料(4)表面，并置于盛有水的水槽(6)中，开启扫描超声波显微镜；

2）调节扫描超声波显微镜的三维直线电机(2)的Y轴电机使超声波探头(1)位于基体材料(4)正上方，测量基体材料(4)表面的超声波回波信号s₁(t)；

3）建立高斯回波模型，

f1(θ;t)=βe-α(t-τ)2cos(2πfc(t-τ)+φ)]]>

θ＝[ατf_cφβ]

式中f₁(θ;t)代表高斯回波的时域信号，其中t为时间参量，θ代表高斯回波模型的参数空间，参数空间具体包括衰减参数α，抵达时间参数τ，中心频率参数f_c，相位参数φ，幅度参数β；

4）将M个步骤3）中描述的高斯回波进行线性叠加后记作h(t)，以ν(t)表示高斯白噪声，利用h(t)拟合基体材料(4)表面的超声波回波信号s₁(t)：