CN105806466B - 一种超声波功率测量系统 - Google Patents

Abstract

一种超声波功率测量系统，本发明属于测量仪器，解决现有辐射力天平法测量超声波功率对环境要求较高、仪器达到稳定测量状态所需时间较长的问题。本发明包括激光器、扩束镜、衰减片、水槽、成像透镜、CCD摄像机、计算机、激光电源和光学平台，所述激光器、扩束镜、衰减片、水槽、成像透镜和CCD摄像机沿光路依次固定在光学平台上，成像透镜的轴线与激光器1发出的平行光的轴线重合，CCD摄像机放置在成像透镜的焦点上，用于接收衍射图案，并将该图像传递给计算机进行处理；所述激光电源为激光器提供电源。本发明大幅度提高测量精度和测量速度，适用于医用超声仪器和工业及实验等超声仪器输出功率的实时在线高精度测量。

Description

一种超声波功率测量系统

技术领域

本发明属于测量仪器，具体涉及一种超声波功率测量系统，适用于对超声换能器器件输出功率的测量。

背景技术

自20世纪30年代始，超声波因其机械效应、热效应和理化效应在医学领域内可用于人体体内的诊断、治疗，应用日益广泛。与此同时，超声波对人体的损伤则一直是卫生医疗机构和广大社会民众关注的焦点问题之一。有专家指出，超声波密集在某一固定地方，又聚集很长的时间就会有热效应，这种热效应达到一定程度时，可能会对人体组织产生不良的影响，影响细胞内包括染色体的物质；理论上，高强度的超声波可通过它的高温及对组织的腔化作用，对组织产生伤害。国内外均有报道，由于超声诊断设备的声功率输出强度过高，对早期人类胚胎的绒毛细胞及脱膜组织的结构、生化代谢及免疫功能等造成影响，导致胚胎的不良发育。

超声波有无害处，完全取决于它的能量输出大小，在低功率时它是有益的(如，微小功率超声波能够促进肌体的血液微循环，对生长发育有积极的作用)，世界卫生组织建议，在保证图像和诊断质量的前提下，应准确测得医用超声输出功率大小，尽量使用较小值；我国相关部门也已认识到声强过量的危害，规定我国的安全剂量值为10W/cm2。因而，精确测量、精密控制超声波的功率在医疗卫生的诊断、治疗中起着举足轻重的作用。

我国目前超声功率的测量主要是基于平均功率的测量，毫瓦级超声功率基准(量程1mW～500mW)和瓦级超声功率基准(量程0.2W～20W)是我国重要的超声基准设施。在全国计量系统的量值传递和校准、国际间量值的关键比对中发挥着关键的作用。上述两套基准都是基于辐射力天平法(Radiation Force Balance Method)的原理进行测量，其是通过反射靶或者接收靶来接收声波的辐射力，经过天平称重后，通过一定的力与功率的换算关系，计算出声波的辐射功率。该方法相对简单可靠，而且对于声场的频率不敏感，所以适用范围很宽。目前国内测量超声功率的设备(超声功率计)基本都是基于辐射力天平法来实现的，略有不同的是对于辐射力的测量方法有所不同，大部分仪器采用测力传感器来测量辐射力。但这种方法对于环境的要求较高，要求仪器周边空气不能够流动，且仪器达到稳定测量状态所需时间较长。

随着科学技术的发展、对超声认知的深入和对安全要求的提高，人们所关心的超声场也由以前静态的、单一参数的测量，发展为动态的、多参数测量。因而目前的国家超声功率基准已经不再适应超声声场参数的计量需求，需要在测量原理和测量方法上有所更新、改善和提高。

发明内容

本发明提供一种超声波功率测量系统，解决现有辐射力天平法测量超声波功率对环境要求较高、仪器达到稳定测量状态所需时间较长的问题。

本发明所提供的一种超声波功率测量系统，包括激光器、扩束镜、衰减片、水槽、成像透镜、CCD摄像机、计算机、激光电源和光学平台，其特征在于：

所述激光器、扩束镜、衰减片、水槽、成像透镜和CCD摄像机沿光路依次固定在光学平台上，成像透镜的轴线与激光器1发出的平行光的轴线重合，CCD摄像机放置在成像透镜的焦点上，用于接收衍射图案，并将该图像传递给计算机进行处理；所述激光电源为激光器提供电源；

测量时，将水槽中充满透明介质，超声换能器放置在水槽的正上方，并与超声波信号源相连；所述激光器产生的平行光，通过扩束镜放大后再被衰减片衰减到CCD摄像机能够承受的强度，衰减后的平行光照射到水槽中，超声换能器产生超声波，在水槽的透明介质中声光相互作用产生的衍射图像通过成像透镜在CCD摄像机的芯片上成像。

所述的超声波功率测量系统，其特征在于：

对待测的不同频率的超声波采用不同焦距的成像透镜，超声波频率越低，成像透镜的焦距越大，成像透镜焦距越大，CCD摄像机所接收到的衍射图案的各级衍射条纹之间的距离也越大。

调节超声波信号源输出信号的频率就可以调节对应超声波的频率，超声波频率升高时，衍射条纹之间的距离也随之增大，同时超声换能器输出的功率也相应的发生变化。

所述的超声波功率测量系统，其特征在于：

所述计算机对衍射图像进行处理，包括下述步骤：

(1)衍射图像灰度化：将相机输出的彩色图像转换为灰度图像，灰度图像各像素的灰度值Y：

Y＝0.299×R+0.587×G+0.114×B，

式中，R、G、B为彩色图像中对应像素的红、绿、蓝色色度；

(2)中值滤波：将灰度图像中每个像素作为中心像素，其八邻域内的各个像素的灰度值用中心像素的灰度值替换，得到中值滤波图像；

(3)形成二值图像：采用最大类间方差法计算出中值滤波图像的阈值，然后将中值滤波图像各像素的灰度值与该阈值比较，大于该阈值的像素的灰度值均设置为255或0，反之，小于该阈值的像素的灰度值均设置为0或255，形成二值图像；

(4)边缘检测：提取二值化图像中各灰度值为255或0的图像块的图像轮廓；然后采用重心法求出二值图像的中心点，该中心点所在图像轮廓即为0级衍射图像轮廓，然后从0级衍射图像轮廓垂直向上搜索，所遇到的第一个图像轮廓即为+1级衍射图像轮廓，从0级衍射图像轮廓垂直向下搜索，所遇到的第一个轮廓即为-1级衍射图像轮廓；依次类推，得到其余衍射级数的图像轮廓；

(5)求衍射图案的灰度值：

首先计算衍射图案的总灰度值，为0级衍射图像轮廓的水平边界与衍射图案垂直边界所划定的矩形框内的灰度值之和；其次，分别对0级衍射图像轮廓、±1级衍射图像轮廓、…各级衍射图像轮廓内像素的灰度值进行求和，得到各级衍射图案的灰度值；

(6)计算相对光强：

其中0级衍射图案的相对光强R₀为0级衍射图案的灰度值与总灰度值之比，±1级衍射图案的相对光强R₁为±1级衍射图案的灰度值之和与总灰度值之比，其余衍射图案的相对光强以此类推；

(7)计算相移v：

相对光强值R_m＝J² _m(v)，其中J_m(v)是第一类m阶贝塞尔函数，m＝0、1、2、…、8；当衍射图像中只有0级与±1级衍射图案时，对于相对光强值R₀通过查询0阶贝塞尔函数平方曲线可以得到多个相移值，同理对于相对光强值R₁通过查询一阶贝塞尔函数平方曲线也可以得到多个相移值，在这两组相移值中找出最接近的两个相移值，求其平均值v₀₁，作为相移v；当衍射图像中出现更高级衍射图案时，对于相对光强值R₂通过查询二阶贝塞尔函数平方曲线也可以得到多个相移值，在这多个相移值中，找到最接近v₀₁的值v₂对v₀₁与v₂求平均得到v₀₁₂，作为相移v；其余依次类推；

(8)计算得到超声波功率值P：

式中，ρ、n分别为水槽4中透明介质的密度、光折射率，c、α分别为水槽4中透明介质中的声速、声衰减系数，λ为真空中激光器产生的光波波长，x为超声换能器辐射表面到水槽的透明介质中平行光光束中心的距离。

本发明将声光效应与图像处理技术相结合，采用一个气体激光器和一个CCD摄像机，激光器发出的平行光与超声波相互作用产生声光衍射现象，生成的声光衍射图案被CCD摄像机接受，声光衍射图案的各级条纹的光强随超声波功率强度的变化而变化，通过检测各级条纹的相对光强，查找贝塞尔函数表获得相应的相移，结合其他参数可靠地得到超声波功率的时间平均值；

本发明中各器件位置一旦调整好后就不需再更改，只需调节超声波信号源输出信号的频率与功率，以连续调节超声波信号的频率与功率，可以实现不同频率下超声波功率连续动态的测量；测量时不会对声场产生干扰引起畸变，可避免传统辐射力天平法的缺点，克服实际应用中环境扰动和误差等不可避免因素的影响，大幅度提高测量精度和测量速度，从而实现动态、快速测量，适用于医用超声仪器(超声手术及聚焦治疗设备，超声母婴监护设备，超声理疗设备)和工业及实验等超声仪器输出功率的实时在线高精度测量。

附图说明

图1为本发明的组成示意图；

图2为放大4倍的声光衍射图像。

图3为计算机对衍射图像进行处理流程示意图。

图4为第一类贝塞尔函数平方的曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明所提供的一种超声波功率测量系统，包括激光器1、扩束镜2、衰减片3、水槽4、成像透镜6、CCD摄像机7、计算机8、激光电源10和光学平台11；

所述激光器1、扩束镜2、衰减片3、水槽4、成像透镜6和CCD摄像机7沿光路依次固定在光学平台11上，成像透镜6的轴线与激光器1发出的平行光的轴线重合，CCD摄像机7放置在成像透镜6的焦点上，用于接收衍射图案，并将该图像传递给计算机8进行处理；所述激光电源10为激光器1提供电源；

测量时，将水槽4中充满透明介质，超声换能器5放置在水槽4的正上方，并与超声波信号源9相连；所述激光器1产生的平行光，通过扩束镜2放大后再被衰减片3衰减到CCD摄像机7能够承受的强度，衰减后的平行光照射到水槽4中，超声换能器5产生超声波，在水槽4的透明介质中声光相互作用产生的衍射图像通过成像透镜6在CCD摄像机7的芯片上成像。

作为一个实施例，水槽4中的透明介质为蒸馏水，采用的成像透镜6的焦距为150mm。

所述计算机对衍射图像进行处理，如图3所示，包括下述步骤：

(1)衍射图像灰度化：将相机输出的彩色图像转换为灰度图像，如图2所示；灰度图像各像素的灰度值Y：

Y＝0.299×R+0.587×G+0.114×B，

式中，R、G、B为彩色图像中对应像素的红、绿、蓝色色度；

(2)中值滤波：将灰度图像中每个像素作为中心像素，其八邻域内的各个像素的灰度值用中心像素的灰度值替换，得到中值滤波图像；

(3)形成二值图像：采用最大类间方差法计算出中值滤波图像的阈值，然后将中值滤波图像各像素的灰度值与该阈值比较，大于该阈值的像素的灰度值均设置为255，反之，小于该阈值的像素的灰度值均设置为0，形成二值图像；

(4)边缘检测：提取二值化图像中各灰度值为255的图像块的图像轮廓；然后采用重心法求出二值图像的中心点，该中心点所在图像轮廓即为0级衍射图像轮廓，从0级衍射图像轮廓垂直向上以及向下搜索，直到图像的边界都没有遇到其他衍射图像轮廓，所以图2中只有0级衍射图像轮廓。

(5)求衍射图案的灰度值：

图2中总的灰度值为3518，0级衍射图像轮廓内的灰度值为1785；

(6)计算相对光强：

0级衍射图案的相对光强R₀为0级衍射图案的灰度值与总灰度值之比，值为0.507；

(7)计算相移v：

相对光强值R_m＝J² _m(v)，其中J_m(v)是第一类m阶贝塞尔函数，m＝0、1、2、…、8；图4为J² _m(v)的曲线，图中，横轴为相移值，纵轴为第一类m阶贝塞尔函数平方，即相对光强值，黑色方形构成的曲线为0阶贝塞尔函数平方曲线，黑色圆形构成的曲线为一阶贝塞尔函数平方曲线，黑色三角形构成的曲线为二阶贝塞尔函数平方曲线，黑色倒三角形构成的曲线为三阶贝塞尔函数平方曲线；

当衍射图像中只有0级与±1级衍射图案时，对于相对光强值R₀通过查询0阶贝塞尔函数平方曲线可以得到多个相移值，同理对于相对光强值R₁通过查询一阶贝塞尔函数平方曲线也可以得到多个相移值，在这两组相移值中找出最接近的两个相移值，求其平均值v₀₁，作为相移v；当衍射图像中出现更高级衍射图案时，对于相对光强值R₂通过查询二阶贝塞尔函数平方曲线也可以得到多个相移值，在这多个相移值中，找到最接近v₀₁的值v₂对v₀₁与v₂求平均得到v₀₁₂，作为相移v；其余依次类推；

本实施例中，只有0级衍射图案，所以查询0阶贝尔函数平方曲线，对于相对光强值R₀＝0.507，通过将自变量v_i从0增加至10，步长0.01，对每一个v_i值求出第0阶贝尔函数平方值，当贝尔函数平方值等于相对光强值R₀或越过相对光强值R₀时(即从大于相对光强值R₀变为小于相对光强值R₀，或从小于相对光强值R₀变为大于相对光强值R₀)该v_i值即为所求，对于相对光强值R₀＝0.507可以得到一个v_i值1.115，该值即为所求的相移v；

(8)计算得到超声波功率值P：

将相移v以及其他的参数代入公式后可得超声波功率P＝0.141W，其中ρ、n分别为水的密度、光折射率，c、α分别为水中的声速、声衰减系数，λ为真空中激光器产生的光波波长，x为超声换能器辐射表面到水槽的透明介质中平行光光束中心的距离为0.02m。

Claims (3)

1.一种超声波功率测量系统，包括激光器(1)、扩束镜(2)、衰减片(3)、水槽(4)、成像透镜(6)、CCD摄像机(7)、计算机(8)、激光电源(10)和光学平台(11)，其特征在于：

所述激光器(1)、扩束镜(2)、衰减片(3)、水槽(4)、成像透镜(6)和CCD摄像机(7)沿光路依次固定在光学平台(11)上，成像透镜(6)的轴线与激光器(1)发出的平行光的轴线重合，CCD摄像机(7)放置在成像透镜(6)的焦点上，用于接收衍射图像，并将该图像传递给计算机(8)进行处理；所述激光电源(10)为激光器(1)提供电源；

测量时，将水槽(4)中充满透明介质，超声换能器(5)放置在水槽(4)的正上方，并与超声波信号源(9)相连；所述激光器(1)产生的平行光，通过扩束镜(2)放大后再被衰减片(3)衰减到CCD摄像机(7)能够承受的强度，衰减后的平行光照射到水槽(4)中，超声换能器(5)产生超声波，在水槽(4)的透明介质中声光相互作用产生的衍射图像通过成像透镜(6)在CCD摄像机(7)的芯片上成像；

所述计算机(8)对衍射图像的处理，包括下述步骤：

(1)衍射图像灰度化：将CCD摄像机(7)输出的彩色图像转换为灰度图像，灰度图像各像素的灰度值Y：

Y＝0.299×R+0.587×G+0.114×B，

式中，R、G、B为彩色图像中对应像素的红、绿、蓝色色度；

(2)中值滤波：将灰度图像中每个像素作为中心像素，其八邻域内的各个像素的灰度值用中心像素的灰度值替换，得到中值滤波图像；

(3)形成二值图像：采用最大类间方差法计算出中值滤波图像的阈值，然后将中值滤波图像各像素的灰度值与该阈值比较，大于该阈值的像素的灰度值均设置为255或0，反之，小于该阈值的像素的灰度值均设置为0或255，形成二值图像；

(4)边缘检测：提取二值化图像中各灰度值为255或0的图像块的图像轮廓；然后采用重心法求出二值图像的中心点，该中心点所在图像轮廓即为0级衍射图像轮廓，然后从0级衍射图像轮廓垂直向上搜索，所遇到的第一个图像轮廓即为+1级衍射图像轮廓，从0级衍射图像轮廓垂直向下搜索，所遇到的第一个轮廓即为-1级衍射图像轮廓；依次类推，得到其余衍射级数的图像轮廓；

(5)求衍射图案的灰度值：

首先计算衍射图案的总灰度值，为0级衍射图像轮廓的水平边界与衍射图案垂直边界所划定的矩形框内的灰度值之和；其次，分别对各级衍射图像轮廓内像素的灰度值进行求和，得到各级衍射图案的灰度值；

(6)计算相对光强：

首先计算各级衍射图案的灰度值的总灰度值，然后计算各级衍射图案的相对光强；其中0级衍射图案的相对光强R₀为0级衍射图案的灰度值与总灰度值之比，±1级衍射图案的相对光强R₁为±1级衍射图案的灰度值之和与总灰度值之比，其余衍射图案的相对光强以此类推；

(7)计算相移v：

相对光强值R_m＝J² _m(v)，其中J_m(v)是第一类m阶贝塞尔函数，m＝0、1、2、…、8；当衍射图像中只有0级与±1级衍射图案时，对于相对光强值R₀通过查询0阶贝塞尔函数平方曲线可以得到多个相移值，同理对于相对光强值R₁通过查询一阶贝塞尔函数平方曲线也可以得到多个相移值，在这两组相移值中找出最接近的两个相移值，求其平均值v₀₁，作为相移v；当衍射图像中出现更高级衍射图案时，对于相对光强值R₂通过查询二阶贝塞尔函数平方曲线也可以得到多个相移值，在这多个相移值中，找到最接近v₀₁的值v₂对v₀₁与v₂求平均得到v₀₁₂，作为相移v；其余依次类推；

(8)计算得到超声波功率值P：

式中，ρ、n分别为水槽(4)中透明介质的密度、光折射率，c、α分别为水槽(4)中透明介质中的声速、声衰减系数，λ为真空中激光器产生的光波波长，x为超声换能器辐射表面到水槽的透明介质中平行光光束中心的距离。

2.如权利要求1所述的超声波功率测量系统，其特征在于：

对待测的不同频率的超声波采用不同焦距的成像透镜，超声波频率越低，成像透镜的焦距越大，成像透镜焦距越大，CCD摄像机所接收到的衍射图像的各级衍射条纹之间的距离也越大。

3.一种超声波功率测量方法，其特征在于，基于权利要求1或2所述的一种超声波功率测量系统，采用CCD摄像机(7)拍摄超声波的衍射图像，并利用计算机(8)对上述衍射图像按照如下步骤进行处理：

(1)衍射图像灰度化：将CCD摄像机(7)输出的彩色图像转换为灰度图像，灰度图像各像素的灰度值Y：

Y＝0.299×R+0.587×G+0.114×B，

式中，R、G、B为彩色图像中对应像素的红、绿、蓝色色度；

(2)中值滤波：将灰度图像中每个像素作为中心像素，其八邻域内的各个像素的灰度值用中心像素的灰度值替换，得到中值滤波图像；

(3)形成二值图像：采用最大类间方差法计算出中值滤波图像的阈值，然后将中值滤波图像各像素的灰度值与该阈值比较，大于该阈值的像素的灰度值均设置为255或0，反之，小于该阈值的像素的灰度值均设置为0或255，形成二值图像；

(4)边缘检测：提取二值化图像中各灰度值为255或0的图像块的图像轮廓；然后采用重心法求出二值图像的中心点，该中心点所在图像轮廓即为0级衍射图像轮廓，然后从0级衍射图像轮廓垂直向上搜索，所遇到的第一个图像轮廓即为+1级衍射图像轮廓，从0级衍射图像轮廓垂直向下搜索，所遇到的第一个轮廓即为-1级衍射图像轮廓；依次类推，得到其余衍射级数的图像轮廓；

(5)求衍射图案的灰度值：

首先计算衍射图案的总灰度值，为0级衍射图像轮廓的水平边界与衍射图案垂直边界所划定的矩形框内的灰度值之和；其次，分别对各级衍射图像轮廓内像素的灰度值进行求和，得到各级衍射图案的灰度值；

(6)计算相对光强：

首先计算各级衍射图案的灰度值的总灰度值，然后计算各级衍射图案的相对光强；其中0级衍射图案的相对光强R₀为0级衍射图案的灰度值与总灰度值之比，±1级衍射图案的相对光强R₁为±1级衍射图案的灰度值之和与总灰度值之比，其余衍射图案的相对光强以此类推；

(7)计算相移v：

相对光强值R_m＝J² _m(v)，其中J_m(v)是第一类m阶贝塞尔函数，m＝0、1、2、…、8；当衍射图像中只有0级与±1级衍射图案时，对于相对光强值R₀通过查询0阶贝塞尔函数平方曲线可以得到多个相移值，同理对于相对光强值R₁通过查询一阶贝塞尔函数平方曲线也可以得到多个相移值，在这两组相移值中找出最接近的两个相移值，求其平均值v₀₁，作为相移v；当衍射图像中出现更高级衍射图案时，对于相对光强值R₂通过查询二阶贝塞尔函数平方曲线也可以得到多个相移值，在这多个相移值中，找到最接近v₀₁的值v₂对v₀₁与v₂求平均得到v₀₁₂，作为相移v；其余依次类推；

(8)计算得到超声波功率值P：

式中，ρ、n分别为水槽(4)中透明介质的密度、光折射率，c、α分别为水槽(4)中透明介质中的声速、声衰减系数，λ为真空中激光器产生的光波波长，x为超声换能器辐射表面到水槽的透明介质中平行光光束中心的距离。