CN107091881B - 一种高分辨率超声扫描显微镜的加速处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高分辨率超声扫描显微镜的加速处理方法，包括步骤：设置超声扫描参数，启动扫描流程；开辟两个线程以并行方式进行大规模超声数据的采集和处理，数据采集通过设置专用超声数据门的方式，针对感兴趣区域的超声回波信号进行采集，数据处理通过直接内存存取DMA技术高速读取并实时简化单个采样点的超声A波形数据；扫描结束后，将每个扫描点简化后的超声成像关键数据合并，通过设置的图像生成方式形成对应的超声扫描图像；通过实时抽样方法将大尺寸超声图像转换为显示控件大小再进行实时显示。本发明能够加速高分辨超声扫描显微镜扫描过程中对海量超声数据的采集和处理，使整个系统具有极高的实时性。
Description
技术领域
本发明涉及超声波无损检测技术领域，具体涉及一种高分辨率超声扫描显微镜的加速处理方法。
背景技术
超声扫描显微镜主要利用不同材料对超声波声阻抗、对声波的吸收以及反射的不同，来探测材料内部的结构、缺陷等，可以实现在不破坏材料的前提下进行检测，可以检测材料内部的晶格结构、内部裂纹、分层缺陷、空洞、气泡等等。由于采用高频(15MHz-2GHz)的超声系统，超声扫描显微镜具有极高的分辨率，因此特别适用于集成电路、MEMS、大功率电力电子器件、航空电子及材料等领域的失效分析及质量控制。
随着现代电子技术的发展，越来越多精密且体积微小的器件问世并得到广泛的应用，其内部结构及制作工艺复杂，缺陷尺寸仅为几个微米甚至更小，需要采用高分辨(最高可达0.75um)的超声扫描显微镜实施检测。在扫描检测的过程中，高分辨率的超声扫描显微镜需要采集和处理海量的超声数据，且对实时性要求很高，传统方法难以满足，亟待新的方法。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种高分辨率超声扫描显微镜的加速处理方法，解决了超声扫描显微镜在实现高分辨率扫描检测的情况下的海量数据采集和处理的低效率造成实时性差的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高分辨率超声扫描显微镜的加速处理方法，包括步骤：
S1.设置超声扫描参数，然后启动扫描；
S2.开辟两个数据处理线程以并行方式进行大规模超声数据的采集和处理，数据采集通过设置专用超声数据门的方式，使仅针对感兴趣区域的超声回波信号采集，并根据设置的扫描区域判断是否扫描完毕，若在扫描中，则继续数据采集，扫描结束，则进行步骤S22；数据处理线程通过以下步骤进行数据处理：
S21.判断并等待采集卡缓存内的超声数据量是否满足设定数据量，满足则进行步骤S22；不满足则继续等待；
S22.通过直接内存存取DMA技术高速将采集卡缓存中的超声数据载入到内存；
S23.对每个扫描点的全超声A波形数据简化，保留生成超声扫描图像所需预定数据；
S24.根据设置的扫描区域判断是否扫描完毕，若在扫描中，则进行步骤S21，扫描结束，则进行步骤S3；
S3.将每个扫描点简化后的超声数据合并，并通过设置的超声图像生成方式，形成相应的超声扫描图像；
S4.获取超声图像显示控件的尺寸，计算超声图像显示控件的尺寸与生成的大尺寸图像之间的长宽比值，通过抽样方法将大尺寸超声图像转换为控件大小再进行实时显示。
所述感兴趣区域为待扫描器件内部某一特定的界面区域，所述专用超声数据门覆盖该感兴趣区域，以使该感兴趣区域的超声回波信号被采集。
步骤S21中，所述设定数据量由用户提前设定。
所述预定数据包括如正峰值、负峰值以及对应的时间轴位置；所述超声扫描图像包括正峰值图像、负峰值图像、TOF图像以及相位图像。
所述超声扫描参数包括扫描区域、分辨率、焦距、超声波接收发射模块的增益、阻尼、重复频率、采集数据门的位置及长度、扫描方式以及超声图像生成方式。
所述对每个扫描点的全超声A波形数据简化，保留生成超声扫描图像所需预定数据的步骤如下：
逐一比较每个扫描点的数据段的数据大小，获得每个扫描点的数据段的数据最大值与数据最小值，记录数据最大值与数据最小值所对应的位置。
所述专用超声数据门采集数据的方式是，采用一个前表面门的方式锁定被扫描器件的上表面，专用超声数据门跟随前表面门，则专用超声数据门的数据采集起点位于待扫描器件内部且与上表面的距离为超声波在被扫描器件中的传播速度与专用超声数据门距离前表面门的时间常量的乘积。
本发明通过设置超声扫描参数，启动扫描流程后，以并行方式进行大规模超声数据的采集和处理，在数据采集中，采用专用超声数据门的方式定位感兴趣区域的超声回波信号，减少冗余数据量，在数据处理中通过直接内存存取DMA技术高速读取超声数据并对数据进行简化处理，针对生成的大尺寸超声图像，以抽样方法实时显示，从而实现了高分辨率超声扫描显微镜的加速处理。
本发明其具有以下优点：
1.采用并行方式进行超声数据采集和处理，提高了扫描速率和实时性。
2.采用专用超声数据门的方式，只针对感兴趣区域的超声回波信号进行采集，减少了冗余数据的采集，提高了超声信号的采集效率。
3.采用直接内存存取(DMA)技术高速读取采集卡缓存中的超声数据，不需要依赖于CPU的大量中断负载，提高了数据的吞吐量
4.将每个扫描点的全超声A波形数据段简化为一定的关键数据，只保留了生成超声扫描图像所需的关键数据，进一步去除冗余数据。
5.对生成的大尺寸超声图像通过抽样的方式进行实时显示，减少了内存的消耗和CPU的工作量。
附图说明
图1本发明的高分辨率超声扫描显微镜的结构示意图。
图2本发明高分辨率超声扫描显微镜的加速处理方法的流程图。
图3本发明的专用超声数据门采集示意图。
具体实施方式
下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。
参见图1所示，如图1所示为本发明所用的高分辨率超声扫描显微镜的结构，包括工控机、固定于高精度三维扫描机构上的超声波接收发射模块、与工控机连接的AD数据采集卡，工控机根据设置的扫描区域控制高精度三维扫描机构执行扫描运动，以实现对工作台上的待扫描器件的完全扫描，并实时通过AD数据采集卡采集超声数据。在扫描中，工控机通过直接内存存取(DMA)的方式高速读取AD数据采集卡缓存内的超声数据，且以并行的方式处理数据。
该方法的实现流程如图2所示，本扫描方法是通过设置超声扫描参数，启动扫描流程，以并行的方式进行大规模超声数据的采集和处理，在数据的采集中，采用专用超声数据门的方式只采集感兴趣区域的超声信号，减少冗余数据量，在数据处理中，通过直接内存存取(DMA)技术高速读取采集卡缓存内的超声数据，并对全超声A波形数据进行简化处理，针对生成的大尺寸超声图像，以抽样的方法实时显示，实现高分辨率超声扫描显微镜的加速处理。具体的本扫描方法，包括以下步骤：
步骤一、设置超声扫描参数，包括扫描区域、分辨率、焦距、超声波接收发射模块的参数、采集数据门的位置及长度、扫描方式以及超声图像生成方式。
通过设置扫描区域、分辨率以及扫描方式，工控机可计算得出扫描点的间隔和范围，并生成扫描路径；超声波接收发射模块的参数设置是通过调焦、增益调整操作，自动计算或者观察超声回波信号的波形，使得感兴趣区域的信号幅值最大，即聚焦超声波信号至该区域；专用超声数据门的位置及长度设置要保证数据门能够覆盖感兴趣区域并能实时调整；超声图像的生成方式是最终处理数据的方法，如正峰值图像、负峰值图像、TOF图像以及相位图像等。主要参数设置后，开启扫描流程。
步骤二、开辟两个数据处理线程以并行方式进行大规模超声数据的采集和处理，数据采集通过设置专用超声数据门30的方式，定位感兴趣区域40的数据进行采集，并根据步骤一中设置的扫描区域判断是否扫描完毕，在扫描中，则继续进行数据采集，扫描结束，则直接进行步骤B；
专用超声数据门采集数据的方式如图3所示，采用一个前表面门10的方式锁定被扫描器件的上表面20，专用超声数据门30跟随前表面门20，距离前表面门20的时间为常量t0，则数据采集的起点位于待扫描器件内部距离上表面20为L，计算为
L＝t0*v0 (1)
其中v0为超声波在被扫描器件中的传播速度。通过该方式能确保采集的数据为被扫描器件内部同一层，排除了因工作台或者被扫描器件底部不平整所引起的误差。而检测层的厚度计算为将专用超声数据门的长度t1代入式(1)中替换t0而得出。
其中，数据处理线程又具体包括以下步骤：
步骤A：判断并等待AD数据采集卡缓存内的超声数据量是否满足一定数据量，满足则进行步骤B；不满足则继续等待。判断AD数据采集卡缓存内的一定数据量是用户提前设定的，即每次读取的数据量可根据具体性能调整该参数。
步骤B：通过直接内存存取(DMA)技术高速将采集卡数据载入到内存，不需要依赖于CPU的大量中断负载，提高了数据的吞吐量。
步骤C：数据的简化，对每个扫描点的全超声A波形数据进行筛选，只保留生成超声图像所需要的预定的关键数据，如正负峰值、负峰值以及其相对应的位置；
设每个扫描点的数据段为S[N]，即具有N个数据，通过逐一比较每个数据大小，得出数据段的最大值smax和最小值smin，并记录其对应的位置nmax和nmin，筛选出来数据后，利用该筛选出来的数据就可以计算出正负峰值到来的时间，以正峰值为例，采用以下式(2)可获得正峰值到来的时间：
tmax＝t0+nmax/f (2)
其中f为采样频率。如此数据量由N个简化到4个，大大去除了冗余数据量。
步骤D：根据步骤一中设置的扫描区域判断是否扫描完毕，在扫描中，则进行步骤A，扫描结束，则进行步骤三；
步骤三、扫描结束后，将每个扫描点简化后的数据合并，并通过步骤一中设置的生成图像方式，形成相应的超声扫描图像，如正峰值图像、负峰值图像、TOF图像以及相位图像；
步骤四、获取超声图像显示控件的尺寸，计算超声图像显示控件的尺寸与生成的大尺寸图像之间的长宽比值，通过抽样的方法将大尺寸图像转换为控件大小，再进行实时显示。
设超声图像显示控件显示的数据为Sp[Wp][Lp]，生成的图像数据为So[Wo][Lo]，其中Lp和Wp分别为超声图像显示控件显示的数据的长宽尺寸，Lo和Wo分别为生成的图像的长宽尺寸，则超声图像显示控件显示的数据的与生成的图像数据的生成的图像数据长宽比值分别为：
则通过抽样的方法，可获得超声图像显示控件显示数据为：
Sp[Wy][Lx]＝So[floor(Wy*RW)][floor(Lx*RL)]
(4)
其中Wy＝0,1,2,3…Wp-1，Lx＝0,1,2,3…Lp-1，函数floor()为向下取整。
如此，生成大尺寸图像通过抽样的方式进行加速显示，减少了内存的消耗和CPU的工作量，最终实现高分辨率超声扫描显微镜的加速处理。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种高分辨率超声扫描显微镜的加速处理方法，其特征在于，包括步骤：
S1 .设置超声扫描参数，然后启动扫描；
S2 .开辟两个数据处理线程以并行方式进行大规模超声数据的采集和处理，数据采集通过设置专用超声数据门的方式，使仅针对感兴趣区域的超声回波信号采集，并根据设置的扫描区域判断是否扫描完毕，若在扫描中，则继续数据采集，扫描结束，则进行步骤S22；
所述专用超声数据门采集数据的方式是，采用一个前表面门的方式锁定被扫描器件的上表面，专用超声数据门跟随前表面门，则专用超声数据门的数据采集起点位于待扫描器件内部且与上表面的距离为超声波在被扫描器件中的传播速度与专用超声数据门距离前表面门的时间常量的乘积；
数据处理线程通过以下步骤进行数据处理：
S21 .判断并等待采集卡缓存内的超声数据量是否满足设定数据量，满足则进行步骤S22；不满足则继续等待；
S22 .通过直接内存存取DMA技术高速将采集卡缓存中的超声数据载入到内存；
S23 .对每个扫描点的全超声A波形数据简化，保留生成超声扫描图像所需预定数据；
所述对每个扫描点的全超声A波形数据简化，保留生成超声扫描图像所需预定数据的步骤如下：
逐一比较每个扫描点的数据段的数据大小，获得每个扫描点的数据段的数据最大值与数据最小值，记录数据最大值与数据最小值所对应的位置；
S24 .根据设置的扫描区域判断是否扫描完毕，若在扫描中，则进行步骤S21，扫描结束，则进行步骤S3；
S3 .将每个扫描点简化后的超声数据合并，并通过设置的超声图像生成方式，形成相应的超声扫描图像；
S4 .获取超声图像显示控件的尺寸，计算超声图像显示控件的尺寸与生成的大尺寸图像之间的长宽比值，通过抽样方法将大尺寸超声图像转换为控件大小再进行实时显示。
2.根据权利要求1所述高分辨率超声扫描显微镜的加速处理方法，其特征在于,所述感兴趣区域为待扫描器件内部某一特定的界面区域，所述专用超声数据门覆盖该感兴趣区域，以使该感兴趣区域的超声回波信号被采集。
3.根据权利要求1所述高分辨率超声扫描显微镜的加速处理方法，其特征在于,步骤S21中，所述设定数据量由用户提前设定。
4.根据权利要求1所述高分辨率超声扫描显微镜的加速处理方法，其特征在于，所述预定数据包括如正峰值、负峰值以及对应的时间轴位置；所述超声扫描图像包括正峰值图像、负峰值图像、TOF图像以及相位图像。
5.根据权利要求1所述高分辨率超声扫描显微镜的加速处理方法，其特征在于，所述超声扫描参数包括扫描区域、分辨率、焦距、超声波接收发射模块的增益、阻尼、重复频率、采集数据门的位置及长度、扫描方式以及超声图像生成方式。
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