CN107966694A - 一种超声波探头的校正方法和系统 - Google Patents

一种超声波探头的校正方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超声波探头的校正方法和系统，包括量测超声波探头中所有阵元发射的超声波信号在设定距离或设定时间下的飞行时间，选择基准阵元，计算各阵元与基准阵元之间的飞行时间差值/比值/乘积；根据飞行时间差值/比值/乘积计算各阵元的补偿参数，根据补偿参数对各阵元超声波信号的发射或接收进行补偿。该方法和系统实现了对超声波探头阵列之制程误差的补偿校正，为超声波系统发射和接收波束补偿计算提供了依据。

Description

一种超声波探头的校正方法和系统
技术领域
本发明涉及超声波检测领域，尤其涉及一种超声波探头的校正。
背景技术
超声波系统包含用来将一组超声波束发射到成像对象内并接收一组反射超声信号的换能器元件阵列。现行技术中，发射波束和接收波束的计算基于假设超声波探头具有理想的平面度或线性度；实际上，由于超声波探头的制程能力有限，探头的各阵元所在的平面或线平面之间存在差异，不能保证探头阵列达到理想的平面度或线性度，如果不考虑超声波探头的实际制程误差而进行波束形成计算，发射和接收聚焦会被恶化，最终形成的图像分辨率和对比度不佳。
因此，有必要设计一种新型的超声波探头的校正方法，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声波探头的校正方法和系统，其能够解决超声波探头阵列平面度或线性度差异导致的发射和接收聚焦不精确、图像分辨率和对比度差的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种线性阵列超声波探头的校正方法，其包括以下步骤：A.量测该超声波探头中所有阵元发射的超声波信号在设定距离或设定时间下的飞行时间，每一该飞行时间由每一阵元的该超声波信号的发射时间和接收时间的差值确定；B.从该所有阵元中选择基准阵元，计算该所有阵元或该所有阵元中除该基准阵元外的其他阵元、与该基准阵元的飞行时间之间的差值或比值或乘积，得到该所有阵元或该其他阵元的飞行时间差值或比值或乘积；C.根据该飞行时间差值或比值或乘积计算该所有阵元或该其他阵元对应的补偿参数；D.根据该补偿参数，对该所有阵元或该其他阵元超声波信号的发射和/或接收进行补偿。
进一步地，步骤B中还包括：从该所有阵元中选择至少一个阵元作为该基准阵元；该基准阵元为一个时，以该基准阵元的该飞行时间作为基准飞行时间；
该基准阵元多于一个时：每个该基准阵元相对于该超声波探头的阵列中心对称分布，根据每个该基准阵元的该飞行时间、以及该基准阵元之间的飞行时间的差值或比值或乘积，校正得到基准飞行时间；或者，将该基准阵元至少分成两个组，每组中每个该基准阵元相对于该超声波探头的阵列中心对称分布，根据同一组中每个该基准阵元的该飞行时间校正得到该组的组基准飞行时间，根据所有组的该组基准飞行时间得到基准飞行时间；
根据该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间与该基准飞行时间之间的差值或比值或乘积，获得该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间差值或比值或乘积。
进一步地，该设定距离或该设定时间为至少一个；步骤A还包括：量测该超声波探头中该所有阵元发射的该超声波信号在每个该设定距离或该设定时间对应的该飞行时间；步骤B还包括：计算在每个该设定距离或该设定时间下，该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间差值或比值或乘积；步骤C还包括：根据该所有阵元或该其他阵元在每个该设定距离或该设定时间的该飞行时间差值或比值或乘积，计算该所有阵元或该其他阵元在每个该设定距离或该设定时间对应的该补偿参数；步骤D还包括：根据该所有阵元或该其他阵元在每个该设定距离或该设定时间对应的该补偿参数，对该所有阵元或该其他阵元超声波信号的发射和/或接收进行补偿。
进一步地，步骤B还包括获得飞行时间差值或比值或乘积表，该飞行时间差值或比值或乘积表至少包括一一对应的该设定距离或该设定时间，该所有阵元或该其他阵元，和该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间差值或比值或乘积；步骤C还包括获得补偿参数表，该补偿参数表至少包括一一对应的该设定距离或设定时间，该所有阵元或该其他阵元，和该所有阵元或该其他阵元的该补偿参数；将该超声波探头的识别信息与该飞行时间差值或比值或乘积表建立关联，或者将该超声波探头的识别信息与该补偿参数表建立关联，以在应用该超声波探头量测时将对应的该飞行时间差值或比值或乘积表、或该补偿参数表用于超声波信号的发射和/或接收的补正运算。
根据本发明的一个方面，提供了一种线性阵列超声波探头的校正系统，其包括量测模块、控制处理模块和补偿模块，该量测模块分别与该超声波探头、该控制处理模块耦接，该补偿模块与该控制处理模块耦接，其中：该量测模块，用于量测该超声波探头中所有阵元发射的超声波信号在设定距离或设定时间下的飞行时间，每一该飞行时间由每一阵元的该超声波信号的发射时间和接收时间的差值确定；
该控制处理模块，用于从该所有阵元中选择基准阵元，计算从该量测模块接收的该所有阵元或该所有阵元中除该基准阵元外的其他阵元、与该基准阵元的飞行时间之间的差值或比值或乘积，得到该所有阵元或该其他阵元的飞行时间差值或比值或乘积；以及，用于根据该飞行时间差值或比值或乘积计算该所有阵元或该其他阵元对应的补偿参数；以及，该补偿模块，用于根据从该控制处理模块获得的该补偿参数，对该所有阵元或该其他阵元超声波信号的发射和/或接收进行补偿。
进一步地，该控制处理模块还包括基准获取单元，该基准获取单元用于从该所有阵元中选择至少一个阵元作为该基准阵元；其中，该基准阵元为一个时，以该基准阵元的该飞行时间作为基准飞行时间；
该基准阵元多于一个时：每个该基准阵元相对于该超声波探头的阵列中心对称分布，根据每个该基准阵元的该飞行时间、以及该基准阵元之间的飞行时间的差值或比值或乘积，校正得到基准飞行时间；或者，将该基准阵元至少分成两个组，每组中每个该基准阵元相对于该超声波探头的阵列中心对称分布，根据同一组中每个该基准阵元的该飞行时间校正得到该组的组基准飞行时间，根据所有组的该组基准飞行时间得到基准飞行时间；
该控制处理模块根据从该量测模块接收的该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间、与从该基准获取单元接收的该基准飞行时间之间的差值或比值或乘积，获得该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间差值或比值或乘积。
进一步地，该设定距离或该设定时间为至少一个；该量测模块，还用于量测该超声波探头中该所有阵元发射的该超声波信号在每个该设定距离或该设定时间的对应的该飞行时间；
该控制处理模块，还用于计算在每个该设定距离或该设定时间下，该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间差值或比值或乘积；根据该所有阵元或该其他阵元在每个该设定距离或该设定时间的该飞行时间差值或比值或乘积，计算该所有阵元或该其他阵元在每个该设定距离或该设定时间对应的补偿参数；
该补偿模块，还用于根据该所有阵元或该其他阵元在每个该设定距离或该设定时间对应的该补偿参数，对该所有阵元或该其他阵元超声波信号的发射和/或接收进行补偿。
进一步地，该控制处理模块还用于获得飞行时间差值或比值或乘积表，该飞行时间差值或比值或乘积表至少包括一一对应的该设定距离或该设定时间、该所有阵元或该其他阵元、和该飞行时间差值或比值或乘积；还用于获得补偿参数表，该补偿参数表至少包括一一对应的该设定距离或该设定时间、该所有阵元或该其他阵元、和该补偿参数；将该超声波探头的识别信息与该飞行时间差值或比值或乘积表建立关联，或将该超声波探头的识别信息与该补偿参数表建立关联；
该补偿模块，还用于在应用该超声波探头量测时将对应的该飞行时间差值或比值或乘积表、或该补偿参数表用于超声波信号的发射和/或接收的补正运算。
进一步地，该量测模块包括信号发生单元、接收单元和显示分析单元，该信号发生单元分别与该超声波探头、该显示分析单元耦接，该显示分析单元还与该接收单元耦接，其中：
该信号发生单元，用于产生发射电压信号发送给该超声波探头，用以触发该超声波探头的每一该阵元发射发射超声波信号；
该接收单元，用于接收多个超声波信号，并将每一该接收超声波信号转换成对应的接收电压信号，每一该接收超声波信号对应一该发射超声波信号；
该显示分析单元，用于根据该发射电压信号和该接收电压信号，获得每一该阵元超声波的发射时间和接收时间，根据每一该阵元对应的该发射时间和该接收时间获得每一该阵元的该飞行时间；或者，根据该发射电压信号和该接收电压信号，获得每一该阵元的接收发射时间差，根据每一该阵元的该接收发射时间差获得每一该阵元的该飞行时间；
该显示分析单元与该信号发生单元耦接，该显示分析单元与该接收单元耦接。
进一步地，该接收单元独立于该超声波探头设置，该发射超声波信号和该接收超声波信号相同；或者，该接收单元独立于该超声波探头设置，该校正系统还包括反射单元，该发射超声波信号经由该反射单元改变方向以产生该接收超声波信号；或者，
该接收单元设置于该超声波探头时，该校正系统还包括反射单元，用于将该超声波探头中每一该阵元发射的该发射超声波信号向该超声波探头方向反射，形成该接收超声波信号；该显示分析单元，还用于将该接收时间和该发射时间的差值作为每一该阵元的往返飞行时间，其中，该往返飞行时间为该飞行时间的两倍。
进一步地，还包括运动控制单元；当该接收单元独立于该超声波探头设置，且该发射超声波信号和该接收超声波信号相同时，该运动控制单元用于调整该独立于超声波探头的部分与该超声波探头之间的距离；当该接收单元独立于该超声波探头设置，且该接收超声波信号方向相对于该发射超声波信号改变时，该运动控制单元用于调整该接收单元与该反射单元之间的距离和/或该反射单元与该超声波探头之间的距离，以改变该设定距离或该设定时间；当该接收单元设置于该超声波探头时，该运动控制单元用于调整该反射单元与该超声波探头之间的距离，以改变该设定距离或该设定时间。
进一步地，当该接收单元独立于该超声波探头设置时，该接收单元为水听器。进一步地，该信号发生单元是高频脉冲产生器或超声波系统；该显示分析单元是模拟示波器、或数字模拟转换器、或数字示波器、或集成波形分析功能模块的设备。
本发明提供的超声波探头的校正方法和校正系统通过飞行时间的差值获知超声波探头阵列的平面或线性度情况，并通过补偿参数对超声波探头阵列存在的误差进行补偿校正，为超声波系统发射和接收波束补偿计算提供了依据，有效保证超声波探测的准确性，提升了探测效果。
附图说明
图1为本发明第一实施例的超声波探头的校正方法的示意图；
图2A和2B为本发明第一实施例的超声波探头的校正方法的流程图。
图3A和3B为本发明第二实施例的超声波探头的校正系统结构框图。
图4为本发明第二实施例实施的一超声波探头的校正系统的结构示意图；
图5为本发明第二实施例实施的一超声波探头的校正系统的结构示意图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的「包括」为开放式的用语，故应解释成「包括但不限定于」。
第一实施例：
本发明提供一种超声波探头的校正方法，其根据量测的结果确定校正信息，以提供作为超声波系统发射和接收波束计算的依据。如图1所示，由于超声波探头的制程能力有限，探头各阵元形成的平面或线平面之间存在差异，以具有N个阵元的一维线性阵列探头为例，阵元排列实际不呈直线分布，此时需要通过量测确定平面误差的真实分布参数a，并基于a进行运算获取校正信息b，校正信息b可提供给超声波系统进行补偿运算c，补偿修正后阵元呈现理想的线性或平面排列d，如一维或一维以上线性阵列探头中真实分布参数a与校正信息b经补偿运算c补偿修正后得到呈理想的直线或平面排列的阵元d，此校正方法消除了阵元排列的位置误差导致的传播时间误差。
量测可在单通道发射接收模式下进行，亦可在多通道发射接收模式下进行，优先采用单通道发射接收模式以避免多通道发射接收模式下量测时不同通道之间的混合和复杂运算；较佳的，可逐一阵元进行发射接收的量测。量测采用可表征各阵元的波束传播距离的参数，例如超声波的接收时间与发射时间的差值，即波束的飞行时间(TOF，Time-Of-Flight)；飞行时间的差异则可表征阵元平面分布的差异。量测的参数经处理后获得的校正信息b可进一步用于超声波探头在特定工作模式下的发射和接收波束的形成中以校正超声波探头存在的平面度或线性度误差，特定工作模式可为单通道发射接收模式、多通道发射接收模式、多普勒模式等等；还可在探头制造完成后对其进行校正，并将真实分布参数a和/或校正信息b作为该探头的技术信息存储起来，在超声波系统或电子装置应用超声波探头进行量测时，调用存储的对应超声波探头的真实分布参数a和/或校正信息b以用于特定工作模式下的发射和接收波束形成。
图2A和2B为根据本发明第一实施例的超声波探头的校正方法的流程图。
步骤100(或100’).量测该超声波探头中所有阵元发射的超声波信号在设定距离或该设定时间下的飞行时间。
超声波探头可为线性阵列、相位阵列或其他形态的探头，线性阵列可为一维阵列、或一维以上阵列。超声波探头包括多个超声波阵元，每个超声波阵元为一个换能器，其以高频脉冲发生器输出脉冲电压信号，转换成机械震荡的超声波向特定方向传送。可逐一对各阵元进行发射和接收，亦可同时对多个阵元进行发射并采用接收器阵列并行接收超声波信号。较佳的，采用逐一对各阵元进行发射和接收，可避免其他阵元收发信号的影响，简化运算和分析过程。
设定距离是指发射器和接收器之间的声波路径距离，即在发射和接收之间超声波的传播距离，可根据超声波探头的系统需求设定，主要考虑超声波探头实际应用的深度范围和介质；进一步，在探头应用深度范围内选择多个距离值进行测量，以确定不同设定距离时的飞行时间分布情况；设定距离还可通过内外插法计算获得。设定距离为多个时，量测该超声波探头中所有阵元发射的超声波信号在每个设定距离的对应的飞行时间。
设定时间，是指调整发射器和接收器之间的声波路径距离以使基准阵元的基准飞行时间等于该设定时间，其可根据超声波探头的系统需求设定，主要考虑超声波探头实际应用的深度范围和介质；进一步地，在探头应用量测范围内选择多个时间值进行测量，以确定不同设定时间的飞行时间分布情况；设定时间还可通过内外插法计算获得。基准飞行时间可以是单一基准阵元的飞行时间，亦可以是多个对称基准阵元的平均飞行时间，实际设置参见下文步骤210’。由于测量的结果也是时间，采用设定时间比设定距离更直接明了，简化了量测过程中的调整操作，也避免了超声波传播介质等环境因素对测量结果的影响。
步骤200(或200’).选择基准阵元，基于各阵元的飞行时间与基准阵元的飞行时间运算得到各阵元的飞行时间差值/比值/乘积。所述各阵元可为所有阵元，或者所有阵元中除基准阵元以外的其他阵元，在通篇说明书中所提及的“各阵元”均作此解释，不另赘述。
较佳的，如图2B所示，步骤200(或200’)进一步包括：
步骤210’.从该所有阵元中选择基准阵元，根据该基准阵元的飞行时间获得基准飞行时间。
从该所有阵元中选择至少一个的基准阵元。该基准阵元为一个时，以该基准阵元的该飞行时间作为基准飞行时间。较佳的，可选择多个或多组阵元作为基准阵元；例如，该基准阵元多于一个时，每个基准阵元相对于该超声波探头的阵列中心对称分布，根据每个基准阵元的飞行时间以及基准阵元之间的飞行时间差值，校正得到超声波探头阵列的基准飞行时间；再如，该基准阵元为多个时，将基准阵元至少分成两个组，每组中每个基准阵元相对于该超声波探头的阵列中心对称分布，根据同一组中每个基准阵元的飞行时间校正得到该组的组基准飞行时间，根据所有组的组基准飞行时间得到基准飞行时间，例如可采用加权平均的方法根据所有组的组基准飞行时间得到基准飞行时间；又如，还可基于各个基准阵元的飞行时间和阵元阵列的曲面或平面分布设计值，获得理想分布下的各阵元的飞行时间设计值，将之作为超声波探头中各阵元对应的基准飞行时间。
步骤220’.根据各阵元的飞行时间与基准飞行时间，获得该各阵元的飞行时间差值/比值/乘积。
各阵元的飞行时间差值/比值/乘积，其中飞行时间差值、飞行时间比值、或飞行时间乘积可不同程度地反映各阵元的线性度/平面度的分布情况和分布差异；例如将各阵元与获得的超声波探头通用的基准飞行时间，或者各阵元自身的基准飞行时间相比较，获得各阵元相对于基准飞行时间的飞行时间差值/比值/乘积。
进一步地，设定距离或设定时间为多个时，根据该基准阵元在每个该设定距离或设定时间的该飞行时间获得每个该设定距离或设定时间的该基准飞行时间；根据各阵元在每个设定距离或设定时间下的飞行时间与基准飞行时间，获得各阵元在每个设定距离或设定时间的飞行时间差值/比值/乘积以获得飞行时间差值/比值/乘积表。该飞行时间差值/比值/乘积表中可包括一一对应的以下信息中的部分或全部：各设定距离或设定时间，各阵元的飞行时间、基准阵元及其基准飞行时间、各阵元的飞行时间差值/比值/乘积、后续获得的补偿参数等。
对于多频段工作的超声波探头，可对每个频率进行量测以得到对应阵元的飞行时间差值/比值/乘积，亦可量测一个频率以得到对应阵元的飞行时间差值/比值/乘积，并通过一定的转换运算获得其他工作频率对应阵元的飞行时间差值/比值/乘积；进一步地，亦可根据得到的对应频段各阵元的飞行时间差值/比值/乘积计算获得对应频段各阵元对应的补偿参数。
步骤300(或300’).根据各阵元的飞行时间差值/比值/乘积计算各阵元对应的补偿参数。例如，对于各阵元不同设定距离或时间下的飞行时间差值，可通过加权平均后取反获得对应的补偿参数。
进一步地，设定距离或设定时间为多个时，根据各阵元在每个该设定距离或设定时间的该飞行时间差值/比值/乘积，计算各阵元在每个该设定距离或设定时间对应的该补偿参数以获得补偿参数表。该补偿参数表可包括一一对应的以下信息中的部分或全部：各阵元在各设定距离或设定时间下的飞行时间、基准阵元及各距离下的基准飞行时间、各距离下的飞行时间与基准飞行时间之间的飞行时间差值/比值/乘积、等等。
步骤400(或400’).根据补偿参数对各阵元超声波信号的发射和/或接收进行补偿。
补偿参数可直接用于单信道发射接收模式中对应阵元的补偿；进一步地，设定距离或设定时间为多个时，根据各阵元在每个该设定距离或设定时间对应的该补偿参数，对各阵元超声波信号的发射或接收进行补偿。补偿参数亦可用于多通道发射和接收模式中的校正补偿运算中，步骤230中获得的对应距离的飞行时间差值/比值/乘积表亦可用于多通道发射和接收模式中的校正补偿运算中。补偿参数表或飞行时间差值/比值/乘积表亦可用于其它工作模式的校正补偿运算中，例如多普勒模式、相位模式、矩阵模式等。
将探头的识别信息和步骤200(200’)中获得的飞行时间差值/比值/乘积表或步骤300(300’)中获得的补偿参数表建立关联，关联数据可存储于使用该超声波探头的电子设备中，或者可拆卸的存储装置中，亦可以存储在远程存储系统或服务器中，以在该设备使用探头量测时，调用该探头的识别信息对应关联的飞行时间差值/比值/乘积信息或补偿参数信息，以对超声波探头在特定工作模式下发射和/或接收波束的波束运算进行补偿，实现了对超声波探头阵列存在的制程误差的补偿，有利于图像分辨率和对比度的提升。探头的识别信息包括探头识别码、型号等。
第二实施例：
图3A和3B为根据本发明第二实施例的超声波探头311的校正系统结构图。本发明提供一种超声波探头311的校正系统30，其根据量测的结果确定校正信息，以提供作为超声波系统发射和接收波束计算的依据。该系统包括：量测模块31、控制处理模块32和补偿模块33，量测模块31与超声波探头311耦接，控制处理模块32与补偿模块33耦接。被测的超声波探头311可为线性阵列、相位阵列或其他形态的探头，可为一维或一维以上阵列。
量测模块31，用于量测该超声波探头311中所有阵元发射的超声波信号在设定距离或设定时间下的飞行时间，该飞行时间是指针对同一超声波信号的发射时间和接收时间的差值。
进一步地，该量测模块31包括信号发生单元314、接收单元312和显示分析单元315，如图3B所示，信号发生单元314分别与超声波探头311、接收单元312耦接，显示分析单元315分别与信号发生单元314、接收单元312耦接。
信号发生单元314，用于产生发射电压信号发送给该超声波探头311，用以触发该超声波探头311的每个阵元发射一超声波信号；信号发生单元314可是高频脉冲产生器或超声波系统等脉冲产生装置。
接收单元312，用于接收超声波信号，并将其转换成接收电压信号，每一该接收超声波信号对应一发射超声波信号；可采用专用的超声波探测装置作为接收装置，接收直射或经反射单元反射的来自探头发射的超声波信号，如水听器(Hydrophone)，其可独立于被测超声波探头311设置；由于超声波探头311通常集成有超声波接收器或具有双向换能器阵元，亦可采用被测超声波探头311作为接收装置，其中在声波路径中采用反射单元将波束反射回探头以实现超声波的接收，此时在收发时间内经历了两次探头与反射板之间的距离，需将获得的收发时间折半处理得到飞行时间以真实反映距离误差。
显示分析单元315，用于根据从该信号发生单元314获得的该发射电压信号和从该接收单元312获得的该接收电压信号，获得每个阵元的超声波的发射时间和接收时间、或接收发射时间差；进一步地，根据该发射时间和接收时间、或接收发射时间差获得每个阵元的飞行时间；显示分析单元315可包括但不限于模拟示波器、或数字模拟转换器、或前端串接信号放大器和滤波器的数字示波器、或者其他集成有波形分析功能模块的设备。
量测模块31还包括运动控制单元313，用于调整该接收单元312与被测超声波探头311之间的声波路径距离，以便于量测和获得不同设定距离或设定时间下的飞行时间和补偿参数；发射与接收超声波信号可相同，此时超声波探头311的阵元表面和接收单元312的超声波接收部分相对平行设置，运动控制单元313调整超声波探头311的阵元表面和接收单元312的超声波接收部分之间的距离；发射超声波信号还可经由一反射单元改变信号方向产生接收超声波信号(此时接收超声波信号亦可谓回传超声波信号，接收电压信号亦可谓回传电压信号)，此时发射单元和接收单元312的实际距离为发射器311到反射单元之间的距离、和反射单元到接收单元312的超声波接收部分之间的距离之和，运动控制单元调整上述距离中的至少一个；特殊的，采用被测超声波探头311的接收部分对自己发射的超声波进行接收时，发射与接收超声波信号(或谓回传超声波信号)方向相反，运动控制单元调整超声波探头311和反射单元之间的距离。运动控制单元313与超声波探头311、反射单元、接收单元312中至少一个耦接。
运动控制单元313可手动调整距离，亦可根据来自该信号处理单元316的距离调整信息自动控制调整距离。
信号处理单元316可为通用计算机或其他具有信号处理能力的模块或电子设备。信号处理单元316可用于对量测模块31中各单元的控制，例如，触发该信号发生单元314产生发射电压信号，手动或自动地触发运动控制单元313的调整操作，手动或自动地从该显示分析单元315采集数据，等等，所采集的数据可为每个阵元的发射时间和接收时间、或接收发射时间差、或飞行时间；当所述数据为该发射时间和该接收时间、或接收发射时间差时，根据该发射时间和接收时间、或接收发射时间差计算对应阵元的飞行时间。
控制处理模块32，用于从该所有阵元中选择基准阵元，计算从量测模块31接收的各阵元的飞行时间与基准阵元的飞行时间之间的飞行时间差值/比值/乘积；以及，用于根据该飞行时间差值/比值/乘积计算各阵元对应的补偿参数。进一步地，飞行时间可从量测模块31的显示分析单元315获取，亦可从信号处理单元316获取。
进一步地，控制处理模块32还包括基准获取单元321，用于从该所有阵元中选择基准阵元，根据从该量测模块31接收的该基准阵元的该飞行时间获得基准飞行时间；控制处理模块32根据从量测模块31接收的各阵元的飞行时间、与从基准获取单元321接收的基准飞行时间之间的差值或比值或乘积，获得各阵元的飞行时间差值/比值/乘积。
进一步地，该基准获取单元321从所有阵元中选择至少一个基准阵元；基准阵元为一个时，以该基准阵元的飞行时间作为该基准飞行时间；基准阵元多于一个时，每个基准阵元相对于超声波探头311的阵列中心对称分布，根据每个基准阵元的飞行时间以及该基准阵元之间的飞行时间差值/比值/乘积，校正得到基准飞行时间；该基准阵元为多个时，还可将基准阵元至少分成两个组，每组中每个基准阵元相对于超声波探头311的阵列中心对称分布，根据同一组中每个基准阵元的飞行时间校正得到该组的组基准飞行时间，根据所有组的组基准飞行时间得到基准飞行时间；又如，还可基于每个基准阵元的飞行时间和阵元阵列的曲面或平面分布设计值，计算得到所有阵元中各阵元的飞行时间设计值，以作为各阵元对应的基准飞行时间。
进一步地，设定距离或设定时间可根据超声波探头311的系统需求设定，主要基于超声波探头311的实际应用的范围和介质；进一步地，在探头应用范围内选择多个距离或时间值进行测量，以确定不同距离或时间下的飞行时间分布情况；设定距离或设定时间还可通过内外插法计算获得。设定距离或设定时间为多个时，量测模块31量测该超声波探头311中所有阵元发射的超声波信号在每个设定距离或设定时间的对应的飞行时间；
控制处理模块32计算在每个设定距离或设定时间下，各阵元的该飞行时间与该基准阵元的该飞行时间的飞行时间差值/比值/乘积，以获得各阵元的飞行时间差值/比值/乘积表；根据各阵元在每个设定距离或设定时间的飞行时间差值/比值/乘积，计算各阵元在每个该设定距离或该设定时间对应的补偿参数，以获得补偿参数表。进一步地，控制处理模块32将该超声波探头311的识别信息与该飞行时间差值/比值/乘积表和/或该补偿参数表建立关联并存储；存储位置可为可拆卸的存储装置，应用超声波探头311的电子设备，或者远程存储系统。
补偿模块33，用于根据从该控制处理模块32获得的该补偿参数，对该各阵元超声波信号的发射或接收进行补偿。进一步地，根据该各阵元在每个该设定距离或设定时间对应的该补偿参数，对该各阵元的发射信号或接收信号进行补偿；进一步地，在进行量测时调用位于存储装置中、应用超声波探头311的电子设备中、或远程存储系统中与该超声波探头311对应关联的飞行时间差值/比值/乘积表、和/或补偿参数表，以用于发射信号或接收信号的补正运算。
对于多频段工作的超声波探头311，可对每个频率进行量测以得到对应阵元的飞行时间差值/比值/乘积、和/或补偿参数，亦可量测一个频率以得到对应阵元的飞行时间差值/比值/乘积、和/或补偿参数，并通过一定的转换运算获得其他工作频率对应阵元的飞行时间差值/比值/乘积、和/或补偿参数。
上述各个模块及模块中的各个单元可在同一个或不同的计算机设备或其他数据处理设备中实现；进一步地，在一个计算机设备中通过测试应用程序实现上述模块及模块中包含的各单元的功能。例如，可在同一模块中实现显示分析单元315和信号处理单元316对应的功能，或者可在同一模块中实现信号处理单元316、控制处理模块32对应的功能；又如，在测试应用程序中包括量测启动按键，触发产生电压信号以触发任一阵元或特定阵元发射超声波的触发按键，阵元触发顺序设置对话框，距离设置对话框，距离调整按键，接收发射时间差采集按键，采集数据表格展示，采集波形展示，测量进度展示，等等，触发对应的按键、对话框或展示区域执行对应的操作，这些操作可与该系统中的对应作动模块或单元相关联，从而实现通过测试应用程序对量测设置、数据采集等一个或多个方面的便携控制。
图4是根据第二实施例实施的一超声波探头41的校正系统40，该系统采用水听器42作为超声波信号接收器，其经波束对位(Beam Alignment)获得超声波探头41和水听器42的位置信息。该系统包括装满水或其他液态介质的水槽47，超声波探头41，水听器42，超声波系统44，示波器或数字模拟转换器45和计算机设备46，超声波探头41的收发端表面、以及水听器42需浸没在液体中。
超声波系统44产生发射电压信号发送给超声波探头41和示波器或数字模拟转换器45，其可手动触发或经由计算机设备46自动触发。逐个触发超声波探头41的超声波阵元，被触发的超声波阵元将接收到的发射电压信号转换成机械震荡的超声波信号发射到水槽47的介质中，并传播到水听器42处。水听器42将接收到的超声波信号转换成接收电压信号，并发送到示波器或数字模拟转换器45；示波器或数字模拟转换器45用于显示输入的发射电压信号和接收电压信号，并通过手动或自动调整分析获取被触发的超声波阵元的接收发射时间差，并根据接收发射时间差获得该被触发的超声波阵元的飞行时间。计算机设备46，根据各阵元的飞行时间计算各阵元相对于基准飞行时间的飞行时间差值，进而计算各阵元的补偿参数。
该系统还包括运动控制单元43。运动控制单元43用于调整水听器42与超声波探头41之间的声波路径距离；发射和接收超声波信号相同时，运动控制单元43调整该水听器42和该超声波探头41之间的距离；该发射和接收超声波信号的方向经由反射单元发生改变时(此时接收超声波信号亦可谓回传超声波信号，接收电压信号亦可谓回传电压信号)，运动控制单元43用于调整水听器42与该反射单元之间的距离，和/或该反射单元与该超声波探头41之间的距离。水听器42与超声波探头41之间的量测距离可根据系统需求和量测介质确定范围，在该范围内和临界点附近选择多个值作为具体量测距离，并以内外插值法计算得到具体的一个或以上的距离。图4示出了超声波探头41被固定于水槽47上方，将水听器42相对移动实现距离调整；实际不限于此，例如亦可固定水听器42，调整超声波探头41的位置；又如声波路径方向发生改变时，可固定超声波探头41的位置，并沿接收超声波信号的方向调整水听器42的位置，或者沿发射超声波信号方向同步调整水听器42和反射单元的位置，此外亦可以固定水听器42的位置，调整超声波探头41，或者超声波探头41和反射单元的位置。
计算机设备46采集的数据如表1所示。距离为超声波探头41和水听器42之间的声波路径距离，即相当于设定距离，可根据对应工作频率的探测范围设定，例如超声波探头频率为1MHz，探测深度约为5cm，可以选取4～6cm作为量测距离范围；距离亦可替换为设定时间，例如调整距离到单一基准阵元的飞行时间等于该设定时间；N为该探头的阵元个数；飞行时间为水听器42接收的接收信号和超声波探头41触发的发射信号之间的时间差值；补偿参数为根据各阵元的飞行时间差值计算得到的各阵元对应的补偿参数，例如t11、t12、…、t1N分别为第1、2、…、N个阵元在4cm设定距离下测得的飞行时间，选择第1和第N阵元作为基准阵元，根据其飞行时间t11和t1N获得基准飞行时间t1’＝(t11+t1N)/2，各阵元相对于基准阵元的飞行时间差值分别为Δt11＝t11-t1’，Δt12＝t12-t1’，…，Δt1N＝t1N-t1’；再根据各阵元相对于基准阵元的飞行时间差值计算对应阵元的补偿参数p11,p12,…,p1N。
表1：
图5是根据本发明的一个方面实施的另一超声波探头51的校正系统50，其经由反射板52实现超声波探头51自发自收获得量测信号。该系统50包括装满水或其他液态介质的水槽(未绘示)，超声波探头51，与超声波探头51相对设置的反射板52，信号发生器54，示波器55和计算机设备56，超声波探头51的收发端表面、以及反射板52需浸没在液体中。
信号发生器54产生发射电压信号发送给超声波探头51和示波器55，其可手动触发或经由计算机设备56自动触发。依次触发超声波探头51的超声波阵元，被触发的超声波阵元将接收到的发射电压信号转换成机械震荡的超声波发射到水槽的介质中，并于反射板52表面反射后(图5中点57为超声波与反射板52的交汇点)，继续传播到超声波探测头51对应的超声波阵元；该超声波阵元将接收到的超声波信号(或谓回传超声波信号)转换成接收电压信号(或谓回传电压信号)，并发送到示波器55。
示波器55显示输入的发射电压信号和接收电压信号(或谓回传电压信号)，并通过手动或自动调整分析获取被触发阵元的超声波发射时间和接收时间，该接收和发射时间之差即为对应阵元的往返飞行时间，飞行时间是往返飞行时间的1/2，记录时间信息以供后续补偿参数的计算，记录的时间信息可以为飞行时间(或谓往返飞行时间)。
反射板52由高平面度板材制成，用于将入射的超声波向相反方向反射出去。
计算机设备56，根据各阵元的飞行时间值计算各阵元相对于基准飞行时间的飞行时间差值，进而计算基准飞行时间、各阵元的补偿参数，等等。
该系统50还包括运动控制单元53，用于调整反射板52与超声波探头51之间的距离D及反射板52的倾斜角度。反射板52与超声波探头51之间的距离D可根据系统需求和量测介质确定范围，在该范围内和临界点附近选择多个值作为具体量测距离，亦可内外插值法计算得到具体的至少一个距离值。图5示出超声波探头51被固定于水槽上方，将反射板52相对移动实现距离调整；实际不限于此，例如亦可固定反射板52，调整超声波探头51的位置和方向。
可根据示波器55反馈的情况调整反射板52的倾斜角度以使其平行于超声波探头51的超声波阵元组成的阵列表面。示波器55获取多个相对于超声波探头51的阵列中心对称分布的阵元的接收发射时间差(即往返飞行时间)或飞行时间(比如对于具有N个超声波阵元的一维或一维以上线性阵列，选择第1个和第N个超声波阵元)，运动控制单元53根据该接收发射时间差或飞行时间调整反射单元的倾斜角度，直到该阵元的接收发射时间差或飞行时间趋于相等。
计算机设备56采集的表格如表1所示。其中距离为超声波探头51和反射板52之间的距离D，其相当于发射和接收之间超声波传播距离的1/2，即设定距离的1/2；飞行时间为超声波探头51触发发射超声波的时间到超声波与反射板52交汇的时间之间的差值，其相当于往返飞行时间的1/2；其他参数与图3对应的实施方式类似，不另赘述。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (13)

1.一种超声波探头的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.量测该超声波探头中所有阵元发射的超声波信号在设定距离或设定时间下的飞行时间，每一该飞行时间由每一阵元的该超声波信号的发射时间和接收时间的差值确定；
B.从该所有阵元中选择基准阵元，计算该所有阵元或该所有阵元中除该基准阵元外的其他阵元、与该基准阵元的飞行时间之间的差值或比值或乘积，得到该所有阵元或该其他阵元的飞行时间差值或比值或乘积；
C.根据该飞行时间差值或比值或乘积计算该所有阵元或该其他阵元对应的补偿参数；
D.根据该补偿参数，对该所有阵元或该其他阵元超声波信号的发射和/或接收进行补偿。
2.如权利要求1所述的校正方法，其特征在于，步骤B中还包括：
从该所有阵元中选择至少一个阵元作为该基准阵元；
该基准阵元为一个时，以该基准阵元的该飞行时间作为基准飞行时间；
该基准阵元多于一个时：每个该基准阵元相对于该超声波探头的阵列中心对称分布，根据每个该基准阵元的该飞行时间、以及该基准阵元之间的飞行时间的差值或比值或乘积，校正得到基准飞行时间；或者，
将该基准阵元至少分成两个组，每组中每个该基准阵元相对于该超声波探头的阵列中心对称分布，根据同一组中每个该基准阵元的该飞行时间校正得到该组的组基准飞行时间，根据所有组的该组基准飞行时间得到基准飞行时间；
根据该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间与该基准飞行时间之间的差值或比值或乘积，获得该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间差值或比值或乘积。
3.如权利要求1所述的校正方法，其特征在于，该设定距离或该设定时间为至少一个；
步骤A还包括：量测该超声波探头中该所有阵元发射的该超声波信号在每个该设定距离或该设定时间对应的该飞行时间；
步骤B还包括：计算在每个该设定距离或该设定时间下，该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间差值或比值或乘积；
步骤C还包括：根据该所有阵元或该其他阵元在每个该设定距离或该设定时间的该飞行时间差值或比值或乘积，计算该所有阵元或该其他阵元在每个该设定距离或该设定时间对应的该补偿参数；
步骤D还包括：根据该所有阵元或该其他阵元在每个该设定距离或该设定时间对应的该补偿参数，对该所有阵元或该其他阵元超声波信号的发射和/或接收进行补偿。
4.如权利要求3所述的校正方法，其特征在于，步骤B还包括获得飞行时间差值或比值或乘积表，该飞行时间差值或比值或乘积表至少包括一一对应的该设定距离或该设定时间，该所有阵元或该其他阵元，和该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间差值或比值或乘积；步骤C还包括获得补偿参数表，该补偿参数表至少包括一一对应的该设定距离或设定时间，该所有阵元或该其他阵元，和该所有阵元或该其他阵元的该补偿参数；将该超声波探头的识别信息与该飞行时间差值或比值或乘积表建立关联，或者将该超声波探头的识别信息与该补偿参数表建立关联，以在应用该超声波探头量测时将对应的该飞行时间差值或比值或乘积表、或该补偿参数表用于超声波信号的发射和/或接收的补正运算。
5.一种超声波探头的校正系统，其特征在于，包括量测模块、控制处理模块和补偿模块，该量测模块分别与该超声波探头、该控制处理模块耦接，该补偿模块与该控制处理模块耦接，其中：
该量测模块，用于量测该超声波探头中所有阵元发射的超声波信号在设定距离或设定时间下的飞行时间，每一该飞行时间由每一阵元的该超声波信号的发射时间和接收时间的差值确定；
该控制处理模块，用于从该所有阵元中选择基准阵元，计算从该量测模块接收的该所有阵元或该所有阵元中除该基准阵元外的其他阵元、与该基准阵元的飞行时间之间的差值或比值或乘积，得到该所有阵元或该其他阵元的飞行时间差值或比值或乘积；以及，用于根据该飞行时间差值或比值或乘积计算该所有阵元或该其他阵元对应的补偿参数；以及，该补偿模块，用于根据从该控制处理模块获得的该补偿参数，对该所有阵元或该其他阵元超声波信号的发射和/或接收进行补偿。
6.如权利要求5所述的校正系统，其特征在于，该控制处理模块还包括基准获取单元，该基准获取单元用于从该所有阵元中选择至少一个阵元作为该基准阵元；其中，
该基准阵元为一个时，以该基准阵元的该飞行时间作为基准飞行时间；
该基准阵元多于一个时：每个该基准阵元相对于该超声波探头的阵列中心对称分布，根据每个该基准阵元的该飞行时间、以及该基准阵元之间的飞行时间的差值或比值或乘积，校正得到基准飞行时间；或者，
将该基准阵元至少分成两个组，每组中每个该基准阵元相对于该超声波探头的阵列中心对称分布，根据同一组中每个该基准阵元的该飞行时间校正得到该组的组基准飞行时间，根据所有组的该组基准飞行时间得到基准飞行时间；
该控制处理模块根据从该量测模块接收的该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间、与从该基准获取单元接收的该基准飞行时间之间的差值或比值或乘积，获得该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间差值或比值或乘积。
7.如权利要求5所述的校正系统，其特征在于，该设定距离或该设定时间为至少一个；
该量测模块，还用于量测该超声波探头中该所有阵元发射的该超声波信号在每个该设定距离或该设定时间的对应的该飞行时间；
该控制处理模块，还用于计算在每个该设定距离或该设定时间下，该所有阵元或该其他阵元的该飞行时间差值或比值或乘积；根据该所有阵元或该其他阵元在每个该设定距离或该设定时间的该飞行时间差值或比值或乘积，计算该所有阵元或该其他阵元在每个该设定距离或该设定时间对应的补偿参数；
该补偿模块，还用于根据该所有阵元或该其他阵元在每个该设定距离或该设定时间对应的该补偿参数，对该所有阵元或该其他阵元超声波信号的发射和/或接收进行补偿。
8.如权利要求7所述的校正系统，其特征在于，
该控制处理模块，还用于获得飞行时间差值或比值或乘积表，该飞行时间差值或比值或乘积表至少包括一一对应的该设定距离或该设定时间、该所有阵元或该其他阵元、和该飞行时间差值或比值或乘积；还用于获得补偿参数表，该补偿参数表至少包括一一对应的该设定距离或该设定时间、该所有阵元或该其他阵元、和该补偿参数；将该超声波探头的识别信息与该飞行时间差值或比值或乘积表建立关联，或将该超声波探头的识别信息与该补偿参数表建立关联；
该补偿模块，还用于在应用该超声波探头量测时将对应的该飞行时间差值或比值或乘积表、或该补偿参数表用于超声波信号的发射和/或接收的补正运算。
9.如权利要求5所述的校正系统，其特征在于，该量测模块包括信号发生单元、接收单元和显示分析单元，该信号发生单元分别与该超声波探头、该显示分析单元耦接，该显示分析单元还与该接收单元耦接，其中：
该信号发生单元，用于产生发射电压信号发送给该超声波探头，用以触发该超声波探头的每一该阵元发射一超声波信号；
该接收单元，用于接收多个超声波信号，并将每一接收超声波信号转换成对应的接收电压信号，每一该接收超声波信号对应一发射超声波信号；
该显示分析单元，用于根据该发射电压信号和该接收电压信号，获得每一该阵元超声波的发射时间和接收时间，根据每一该阵元对应的该发射时间和该接收时间获得每一该阵元的该飞行时间；或者，根据该发射电压信号和该接收电压信号，获得每一该阵元的接收发射时间差，根据每一该阵元的该接收发射时间差获得每一该阵元的该飞行时间；
该显示分析单元与该信号发生单元耦接，该显示分析单元与该接收单元耦接。
10.如权利要求9所述的校正系统，其特征在于，
该接收单元独立于该超声波探头设置，该发射超声波信号和该接收超声波信号相同；或者，
该接收单元独立于该超声波探头设置，该校正系统还包括反射单元，该发射超声波信号经由该反射单元改变方向以产生该接收超声波信号；或者，
该接收单元设置于该超声波探头时，该校正系统还包括反射单元，用于将该超声波探头中每一该阵元发射的该发射超声波信号向该超声波探头方向反射，形成该接收超声波信号；该显示分析单元，还用于将该接收时间和该发射时间的差值作为每一该阵元的往返飞行时间，其中，该往返飞行时间为该飞行时间的两倍。
11.如权利要求10所述的校正系统，其特征在于，还包括运动控制单元；
当该接收单元独立于该超声波探头设置，且该发射超声波信号和该接收超声波信号相同时，该运动控制单元用于调整该独立于超声波探头的部分与该超声波探头之间的距离；
当该接收单元独立于该超声波探头设置，且该接收超声波信号方向相对于该发射超声波信号改变时，该运动控制单元用于调整该接收单元与该反射单元之间的距离和/或该反射单元与该超声波探头之间的距离，以改变该设定距离或该设定时间；
当该接收单元设置于该超声波探头时，该运动控制单元用于调整该反射单元与该超声波探头之间的距离，以改变该设定距离或该设定时间。
12.如权利要求10或11所述的校正系统，其特征在于，当该接收单元独立于该超声波探头设置时，该接收单元为水听器。
13.如权利要求9所述的校正系统，其特征在于，
该信号发生单元是高频脉冲产生器或超声波系统；
该显示分析单元是模拟示波器、或数字模拟转换器、或数字示波器、或集成波形分析功能模块的设备。
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