一种基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法
技术领域
本发明涉及超声无损检测的技术领域,特别涉及一种基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法。
背景技术
结构的缺陷是用于反映和评定物体结构整体状况的其中一个重要指标。结构的缺陷对应研究宏观物体和微观物体的物理特性具有重要的参考意义。对于宏观物体而言,结构的缺陷会影响宏观物体的结构稳固性,特别是结构缺陷的分布密度、形状和尺寸均会对宏观物体的结构稳固性产生重要的影响,通过对宏观物体结构缺陷的定性分析能够很好地获得关于宏观物体的内部结构信息,而这类宏观物体尤其包括桥梁、隧道或者高层建筑等不同形式的工程结构,对上述工程结构的内部结构缺陷进行定性分析能够帮助工程人员确定相应的维修和加固措施从而有效地延长工程结构的使用寿命;对于微观物体而言,结构的缺陷会影响微观物体自身的物理特性,同样地,该结构缺陷的分布密度、形状和尺寸均会对微观物体的力学、光学和热学等不同方面的物理特性产生影响,通过对微观物体结构缺陷的定性分析能够判断微观物体因结构缺陷的存在而导致的物理特性改变方向,而这类微观物质尤其包括晶体等不同种类的基础物质,对于微观物体的内部结构缺陷进行定性分析能够帮助研究人员确定微观物质的合成制作工序和过程从而进一步改善微观物质自身的不同物理特性。
目前,针对物体结构缺陷的检测主要是通过超声波检测法来实现的,该超声波检测法的实施理论基础为若物体结构存在缺陷,该缺陷会影响其所处位置附近区域内物体的声学特性,当超声波经过该缺陷后,对应的反射或者透射超声波的传播参数也会相应地发生改变,通过测定该反射或者透射超声波传输参数的改变情况,就能够获得关于该缺陷的定性检测结果。现有的超声波检测方法通常是按照A扫描信号进行相应的变换而得到B扫描图像,由于实际的超声波并不是理想的直线,其是具有一定宽度扇形分布形式,这就使得超声波在进行扫描的过程中,对于非超声波扫描线对应的区域也会形成超声回波信号,这种情况会导致在超声相控阵成像过程中成像图像的缺陷会被放大,从而使得超声相控阵的成像结果存在放大的失真问题,并最终不能根据通过超声相控阵技术形成的图像对物体缺陷进行准确的定性分析。
发明内容
在物体形貌的超声检测项目中,现有的超声波扫描成像显示技术和超声相控阵检测技术都存在形貌成像直观性差、成像准确性、可记录性不可靠以及图像缺陷会被同时放大等缺点,受制于上述存在的问题,现有的针对物体形貌提取的超声检测手段都只能在超声相控阵技术得到关于物体形貌细节图像的基础上,再对该物体形貌细节图像进行后续的图像处理以求去除其中存在的图像缺陷,但是由于该图像缺陷在超声相控阵技术成像的过程中是与物体的形貌细节一同被放大,这就使得该图像缺陷与该物体的形貌细节之间并不存在明显的边界,即使后续的图像处理操作能够在一定程度上去除部分图像缺陷,同时该图像处理操作也会去除部分物体的形貌细节从而导致物体形貌细节的缺失,因此仅仅依靠后续的图像处理操作并不能彻底去除图像缺陷,反而会引起物体形貌细节的丢失,这对物体进行高分辨率的形貌特征提取是一个不利的因素,同时也严重地制约超声波检测在高分辨成像方面的推广应用。
针对现有技术存在的缺陷,本发明提供一种基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法,该反射体形貌提取系统和提取方法是向一反射体投射超声波,并采用检测该反射体反射该超声波而形成的关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,同时对该超声回波进行针对性的信号处理操作,以提取关于该反射体的形貌特征和计算出相应的形貌特征参数;其中,对该超声回波进行针对性的信号处理操作,能够根据图像缺陷所处的不同位置,对相应位置处由声束宽度导致的图像缺陷放大现象进行适应性缩小,而且还能够对物体表面不同位置的结构缺陷进行优化,以此得到该结构缺陷对应的缺陷轮廓参数和缺陷趋势参数。
本发明提供一种基于声场特征的反射体形貌提取系统,其特征在于,所述反射体形貌提取系统包括:
超声波发射模块,用于向所述反射体投射超声波;
超声波发射控制模块,用于控制所述超声波发射模块的超声波发射参数,从而实现对所述反射体进行超声波扫描操作;
超声波接收模块,用于接收所述超声波到达所述反射体、并被所述反射体反射后所形成的超声回波;
超声波接收控制模块,用于控制所述超声波接收模块,以使所述超声波接收模块能够获得关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波;
形貌提取模块,用于根据所述关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,得到所述反射体的形貌特征参数;
进一步,所述超声波发射模块包括阵列式超声发射器,所述超声波发射控制模块包括时序生成器,所述时序生成器用于向所述阵列式超声发射器发送一时序信号,所述阵列式超声发射器能够按照所述时序信号驱动其包含的每一个超声发射器依次向所述反射体投射超声波;其中,所述阵列式超声发射器为线状阵列超声发射器、矩形阵列超声发射器、圆形阵列超声发射器或者环形阵列超声发射器;
进一步,所述超声波发射控制模块包括致动器阵列,所述致动器阵列具有若干致动器,每一个致动器对应于所述超声波发射模块中的每一个超声发射器,以相应地控制每一个所述超声发射器各自的超声发射状态,从而使得每一个所述超声发射器能够连续地改变其投射超声波的方向和/或强度;
进一步,所述形貌提取模块包括反射体确定子模块和形貌特征确定子模块,所述反射体确定子模块能够根据所述关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波确定当前场景中存在的不同反射体的空间分布位置信息,所述形貌特征确定子模块能够根据所述空间分布位置信息,提取不同反射体中的每一个所对应的超声回波,并以此得到每一个反射体相应的形貌特征参数;
进一步,所述形貌提取模块包括反射体确定子模块和形貌特征确定子模块,所述反射体确定子模块能够根据所述关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波确定当前场景中存在的不同反射体的空间分布位置信息,所述形貌特征确定子模块能够根据所述空间分布位置信息,提取不同反射体中的每一个所所对应的超声回波,并以此得到每一个反射体相应的形貌特征参数。
本发明还提供一种基于声场特征的反射体形貌提取方法,其特征在于,所述反射体形貌提取方法包括如下步骤:
步骤(1),控制超声波的发射参数并将所述超声波投射至反射体上,以实现对所述反射体进行超声波扫描操作;
步骤(2),接收所述超声波到达所述反射体、并被所述反射体反射后的关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波;
步骤(3),根据所述关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,得到所述反射体的形貌特征参数;
进一步,在步骤(1)中,控制超声波的发射参数并将所述超声波投射至反射体上具体包括依据一时序信号控制阵列式超声发射器中的每一个超声发射器依次向所述反射体投射超声波;
进一步,在步骤(1)中,控制超声波的发射参数并将所述超声波投射至反射体上还具体包括对每一个超声发射器都分别设置相应的一个致动器,通过所述致动器相应地控制每一个所述超声发射器各自的超声发射状态,从而使得每一个所述超声发射器能够连续地改变其投射超声波的方向和/或强度;
进一步,在步骤(3)中,根据所述关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,得到所述反射体的形貌特征参数具体包括根据所述关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波确定当前场景中存在的不同反射体的空间分布位置信息,再根据所述空间分布位置信息,提取不同反射体中的每一个所对应的超声回波,并以此得到每一个反射体相应的形貌特征参数;
进一步,在步骤(3)中,根据所述关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,得到所述反射体的形貌特征参数还具体包括根据当前场景中不同位置对应的超声回波的声束宽度,对所述反射体存在的缺陷进行还原处理,以此得到所述缺陷对应的缺陷轮廓参数和缺陷趋势参数;
相比于现有技术,本发明的基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法是向一反射体投射超声波,并采用检测该反射体反射该超声波而形成的关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,同时对该超声回波进行针对性的信号处理操作,以提取关于该反射体的形貌特征和计算出相应的形貌特征参数;其中,对该超声回波进行针对性的信号处理操作,能够根据图像缺陷所处的不同位置,对相应位置处由声束宽度导致的图像缺陷放大现象进行适应性缩小,而且还能够对物体表面不同位置的结构缺陷进行优化,以此得到该结构缺陷对应的缺陷轮廓参数和缺陷趋势参数。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种基于声场特征的反射体形貌提取系统的结构示意图。
图2为本发明提供的一种基于声场特征的反射体形貌提取方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参阅图1,为本发明实施例提供的一种基于声场特征的反射体形貌提取系统的结构示意图。该基于声场特征的反射体形貌提取系统包括超声波发射模块、超声波发射控制模块、超声波接收模块、超声波接收控制模块和形貌提取模块。其中,该反射体形貌提取系统优选是提取表面能够反射超声波的反射体对应的表面形貌特征,即该反射体形貌提取系统是基于该反射体表面反射形成的超声回波并分析和提取该超声回波所携带的表面形貌信息,从而计算得到该表面形貌特征。这是因为当超声波到达该反射体的表面后,该反射体表面的结构细节会对该超声波的波场分布进行调制,即从该反射体反射回来的超声回波自身就携带着关于该反射体表面结构形貌细节的关联信息,而通过对该超声回波进行相应的分析计算就可提取出其中的表面结构形貌细节信息以实现对该反射体表面形貌特征提取。实际上,本发明的基于声场特征的反射体形貌提取系统同样是采用具有一定宽度的超声波束对反射体的表面进行扫描,故该反射体形貌提取系统也会存在现有技术中图像缺陷与结构形貌细节被同时放大的潜在问题,但是该反射体形貌提取系统在接收超声回波的方式上明显有别于现有技术,该反射体形貌提取系统能够在不同接收角度和不同深度场景中接收超声回波,在对不同场景下获得的超声回波进行针对性的计算处理,从而避免在获得反射体表面结构形貌细节的同时对图像缺陷进行过滤,以最终提高反射体表面结构形貌特征提取的准确性。
具体而言,该超声波发射模块是用于向该反射体投射超声波。优选地,该超声波发射模块可包括一阵列式超声发射器,该阵列式超声发射器用于向该反射体扫描投射一具有特定形状分布的超声波;其中,该阵列式超声发射器包括若干个以特定阵列排列形式组成的超声发射器,优选地,该特定阵列排布形式可包括但不限于是线型阵列形式,二维矩形阵列形式、二维圆形阵列形式或者二维环形阵列形式;该阵列式超声发射器中的每一个超声发射器之间优选相对独立地工作,其能够自主地向该反射体投射超声波。实际上,由于具有不同阵列排布形式阵列式超声反射器产生的超声波相应地具有不同分布形状,而具有不同分布形状的超声波扫描投射到反射体上后会生成不同的反射超声波,基于上述这方面的考虑,本领域的技术人员可根据该反射体的实际形状和尺寸选择合适分布形状的阵列式超声反射器,从而使得该反射体能够获得完整的超声扫描,优选地,该线型阵列形式超声发射器适用于具有细长形状的反射体,该二维矩形阵列形式或者二维圆形阵列形式的超声发射器适用于具有扁平形状的反射体,该二维环形阵列形式的超声发射器适用于在三维方向上尺寸大致相近的立体状反射体。
该超声波发射控制模块可用于控制超声波发射模块的超声波发射参数,从而实现对该反射体进行超声波扫描操作。优选地,该超声波发射控制模块可包括一时序生成器,该时序生成器用于向该阵列式超声发射器发送一时序信号,该阵列式超声发射器能够按照该时序信号驱动其包含的每一个超声发射器依次向该反射体投射超声波;优选地,该时序信号可为一系列高低电平集合共同组成的时钟信号,其中,该高低电平集合包括若干高低电平逻辑序列,每一个高低电平逻辑序列中只包括一个高电平,该唯一的一个高电平用于指示当前需要驱动发射超声波对应的超声波发射器,即该阵列式超声波发射器会根据该高低电平集合中的每一个高低电平逻辑序列进行对应超声波发射器的驱动控制,以保证在同一时刻只有一个超声波发射器发射超声波。
进一步,该超声波发射控制模块还可包括一致动器阵列,该致动器阵列具有若干致动器,每一个致动器对应于该超声波发射模块中的每一个超声发射器,以相应地控制每一个该超声发射器各自的超声发射状态,从而使得每一个该超声发射器能够连续地改变其投射超声波的方向和/或强度。优选地,优选地,该致动器可为但不限于是一维线性致动器或者二维平面致动器,其中,该一维线性致动器能够沿单一方向改变该超声波发射器投射超声波的角度,该二维平面致动器能够沿相互垂直的两个方向改变该超声波发射器投射超声波的角度。优选地,该致动器阵列单元中的每一个致动器均可同时相互独立地工作、或者在其对应的超声波发射器发射超声波期间才工作。
该超声波接收模块用于接收所述超声波到达该反射体、并被该反射体反射后所形成的超声回波。优选地,该超声波接收模块可包括若干个呈阵列形式分布的超声波传感器,该若干个超声波传感器能够最大限度地覆盖该超声回波的传播范围,从而提高该超声波接收模块对于该超声回波的接收效率。该超声波接收控制模块用于控制该超声波接收模块,以使该超声波接收模块能够获得关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波。相应地,该超声波接收控制模块能够控制该若干个超声波传感器接收该超声回波的不同工作状态,由于该若干个超声波传感器是分别分布在关于该超声回波的不同接收方位角和不同传播深度上,通过控制该若干个超声波传感器接收超声回波的工作状态,能够实现在接收过程中对超声回波进行不同接收角度和不同深度的区分,以便于后续该形貌提取模块的计算分析。
相应地,该形貌提取模块可用于根据该关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,得到该反射体的形貌特征参数。优选地,该形貌提取模块可包括反射体确定子模块和形貌特征确定子模块,该反射体确定子模块能够根据该关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波确定当前场景中存在的不同反射体的空间分布位置信息,该形貌特征确定子模块能够根据该空间分布位置信息,提取不同反射体中的每一个所对应的超声回波,并以此得到每一个反射体相应的形貌特征参数。
进一步,该形貌提取模块还包括缺陷确定子模块,该缺陷确定子模块用于根据当前场景中不同位置对应的超声回波的声束宽度,对该反射体存在的缺陷进行还原处理,以此得到该缺陷对应的缺陷轮廓参数和缺陷趋势参数。
相应地,参阅图2,为本发明实施例提供的一种基于声场特征的反射体形貌提取方法的流程示意图。优选地,该基于声场特征的反射体形貌提取方法是基于上述图1所示的基于声场特征的反射体形貌提取系统而实现的。具体而言,该基于声场特征的反射体形貌提取方法可包括如下步骤:
步骤(1),控制超声波的发射参数并将该超声波投射至反射体上,以实现对该反射体进行超声波扫描操作。
进一步,在该步骤(1)中,控制超声波的发射参数并将该超声波投射至反射体上具体包括依据一时序信号控制阵列式超声发射器中的每一个超声发射器依次向该反射体投射超声波。
进一步,在该步骤(1)中,控制超声波的发射参数并将该超声波投射至反射体上还具体包括对每一个超声发射器都分别设置相应的一个致动器,通过该致动器相应地控制每一个所述超声发射器各自的超声发射状态,从而使得每一个该超声发射器能够连续地改变其投射超声波的方向和/或强度。
步骤(2),接收该超声波到达所述反射体、并被该反射体反射后的关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波。
步骤(3),根据该关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,得到该反射体的形貌特征参数。
进一步,在该步骤(3)中,根据该关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,得到该反射体的形貌特征参数具体包括根据该关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波确定当前场景中存在的不同反射体的空间分布位置信息,再根据该空间分布位置信息,提取不同反射体中的每一个所对应的超声回波,并以此得到每一个反射体相应的形貌特征参数。
进一步,在该步骤(3)中,根据所述关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,得到该反射体的形貌特征参数还具体包括根据当前场景中不同位置对应的超声回波的声束宽度,对该反射体存在的缺陷进行还原处理,以此得到该缺陷对应的缺陷轮廓参数和缺陷趋势参数。
还有,无论通过何种技术确定缺陷所处的位置,由于一些随机变量因素的存在,会导致该位置的确定结果存在一定的随机误差,为了消除上述随机误差,可通过多次测量得到大量该缺陷所处位置的样本值,在根据该样本值进行拟合。由于随机变量因素的分布可近似认定为服从正态分布,故对这些样本值进行正态分布拟合,其相应的正态分布拟合公式如下
在上述公式中,M(n)为第n次测量得到的缺陷所处位置的样本值,M0为缺陷所处位置的基准值,k为测量得到的缺陷所处位置的样本值的浮动倍数,n为缺陷测量次数,σ为正态分布拟合后参数n的方差,μ为正态分布拟合后参数n的期望值。
根据3σ准则可知,当n∈(μ-3σ,μ+3σ)时,其对应的置信概率可达到99.74%,再由上述范围内利用积分中值定理求取其平均值,以使误差达到最小,并且通过下面公式得到缺陷所处位置的计算值
其中,该缺陷所处位置的计算值可用于表示缺陷所处位置的真实值,这样能够最大概率地定位缺陷的位置,以便于后续的计算处理。
从上述关于该基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法的内容介绍可知,该基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法是以超声检测缺陷定性系统和定性方法为技术基础而实现的,该反射体形貌提取系统和提取方法是在超声检测缺陷定性系统和定性方法的基础上,根据检测对象为反射体这一重要区别,来对该超声检测缺陷定性系统和定性方法进行适应性的技术调整。具体来说,该超声检测缺陷定性系统和定性方法是基于超声检测缺陷定性技术来实现的,该超声检测缺陷定性技术又可称作相控阵超声检测技术,该相控阵超声检测技术是通过控制阵列探头各个阵元的接收与发射的延迟时间,形成合成声束的聚焦、扫描等,从而实现超声波束的偏振、聚焦等各种扫描效果,并最终在扫描范围内实现高分辨率的超声缺陷成像。此外,该超声检测缺陷定性技术(或者相控阵超声检测技术)的具体实现方式可包括但不限于是构造基于原始数据的超声相控阵检测系统、或者基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法等实际操作中。在上述列举的实际操作中,该超声检测缺陷定性技术在相控阵超声发射状态下,阵列换能器中各阵元按照一定延迟规律顺序激发,产生的超声发射子波束在空间合成,形成相应的聚焦点和指向性,并且通过改变各阵元激发的延迟规律,可以改变焦点位置的波束指向,形成在一定空间范围内的扫描聚焦。
进一步而言,在该基于原始数据的超声相控阵检测系统的实际操作中,其具体是基于该超声检测缺陷定性技术,在接收到来自被测物体的超声回波信号后,对该超声回波信号直接进行模数转换处理和波束合成处理后生成一原始数据信息,并基于该原始数据信息直接进行成像处理以及将该原始数据信息直接进行保存以用于后续分析计算的源数据;另外,在该基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法的实际操作中,其具体是基于该超声检测缺陷定性技术,向一反射体投射超声波,并采用检测该反射体反射该超声波而形成的关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,同时对该超声回波进行针对性的信号处理操作,以提取关于该反射体的形貌特征和计算出相应的形貌特征参数。上述这两种不同形式的实际操作虽然各自具有不同的超声波发射、接收和处理程序,这两种不同形式的实际操作所针对的检测对象也是不同的,但是这两种实际操作都是以超声检测缺陷定性技术为基础检测技术,这两者都是在超声检测缺陷定性技术的基础上进行适应性的系统调整;可见,本发明的超声检测缺陷定性系统和定性方法本质上是属于超声缺陷检测的基础技术,其目的是用于提供基于超声相控阵P扫描方式的超声缺陷检测原理与数据处理基础,并以此为基础,在具体缺陷检测对象或者检测数据不同的情况下,对该超声检测缺陷定性技术进行不同实现模式的转换,从而得到上述提及的基于原始数据的超声相控阵检测系统、或者基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法等不同实现方式。
从上述实施例可以看出,该基于声场特征的反射体形貌提取系统和提取方法是向一反射体投射超声波,并采用检测该反射体反射该超声波而形成的关于不同接收角度和关于不同深度的超声回波,同时对该超声回波进行针对性的信号处理操作,以提取关于该反射体的形貌特征和计算出相应的形貌特征参数;其中,对该超声回波进行针对性的信号处理操作,能够根据图像缺陷所处的不同位置,对相应位置处由声束宽度导致的图像缺陷放大现象进行适应性缩小,而且还能够对物体表面不同位置的结构缺陷进行优化,以此得到该结构缺陷对应的缺陷轮廓参数和缺陷趋势参数。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。