CN110108797A - 利用声阻抗变化信息的介质分界面超声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用声阻抗变化信息的介质分界面超声检测方法，包括步骤为：设计一个具有不同声阻抗变化位置的传感器模型；利用信号发生器作为激励源激励超声探头发射超声波信号，并采用示波器采集探头回波信号；对采集到的超声回波信号进行去噪、光滑、滤波处理，然后提取回波信号中显著波峰对应的时间作为渡越时间；构建基于渡越时间的声阻抗变化位置测量模型；构建的基于渡越时间的声阻抗变化位置测量模型计算任意声阻抗变化分界面上离散点，并采用样条插值法拟合介质分界面。

Description

利用声阻抗变化信息的介质分界面超声检测方法

技术领域

本发明属于超声成像技术领域，涉及一种利用声阻抗变化信息的介质分界面检测方法。

背景技术

超声成像技术(Ultrasound Imaging，简称USI)在工业生产和生物医学诊断领域具有十分广泛的应用，例如：多相流过程参数检测、材料无损探伤、医学组织成像等。由于不同介质的声阻抗一般存在差异，基于渡越时间(Time of Flight，简称TOF)的超声成像技术利用脉冲超声波在介质声阻抗变化位置会发生反射，当介质中声波速度已知时，通过入射波和反射波在介质中传播的渡越时间来反演介质分界面的位置。因此，介质分界面反演的精度主要由渡越时间提取精度和给定声速的准确度决定，有效的超声渡越时间提取方法能够提高声阻抗变化分界面位置检测的精度。

1955年，K.W.Goff发表于《The Journal of the Acoustical Society ofAmerica(美国声学学会杂志)》第27卷，第236-246页，题为《The application ofcorrelation techniques to some acoustic measurements(相关法在声学测量中的应用)》，首次提出了基于互相关法的超声渡越时间提取技术，且取得了较广泛应用，但该技术提取渡越时间的分辨率受限于信号的采集周期，且互相关法提取渡越时间过程需要一个通常不易获取的标准参考信号，因此，增加了渡越时间的提取难度。

1992年，J.M.Martin Abreu等人发表于《Sensor Review(传感技术)》第12卷，第17-21页，题为《Ultrasonic ranging:Envelope analysis gives improved accuracy(超声波测距：包络分析提升精度)》，提出了一种基于超声波回波信号包络分析的超声渡越时间计算方法。该方法需要对回波信号进行包络拟合，通过提取包络峰值点计算超声渡越时间。但该方法受限于包络拟合精度，对于回波信号中的噪声较敏感，渡越时间提取精度有限。

1996年，W.G.MaMullen等人发表于《IEEE Transactions on Instrumentationand Measurement(IEEE仪表与测量学报)》第45卷，第823-827页，题为《A simple rising-edge detector for time-of-arrival estimation(一种用于渡越时间估计的上升沿检测器)》，提出了一种基于上升沿的单阈值超声渡越时间提取方法，该方法操作简单，但对于超声回波信息的利用较少，容易受瞬时噪声的影响。

2001年，R.Demirli等人发表于《IEEE transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control(IEEE超声波，铁电体和频率控制)》第48卷，第787-802页，题为《Model-Based Estimation of Ultrasonic Echoes Part I:Analysisand Algorithms(基于模型的超声回波估计第一部分：分析与算法)》，提出了一种基于高斯脉冲模型的超声渡越时间提取方法。该方法通过构建一个包含渡越时间、带宽、频率、相位、幅值的高斯脉冲回波模型，去拟合超声回波信号，进而实现超声渡越时间的提取。该方法具有较高的时间分辨率和测量精度，但单脉冲激励下的回波信号信息量较少，易受噪声影响，且模型拟合计算较复杂。

2008年，美国专利US20080229832A1提出了一种基于赤池信息准则(AkaikeInformation Criterion，简称AIC)和基于AIC计算值的多模型推断(模型平均)的改进的渡越时间计算方法。该方法基于跨加权模型计算AIC值，能够提高渡越时间计算的准确性，且该方法能够独立于操作人员，自动的进行超声渡越时间的计算。尽管该方法能够有效地进行超声渡越时间的计算，但在模型拟合过程中容易陷入过拟合状态，渡越时间的提取对于拟合模型的依赖性较强。

基于声阻抗变化信息的介质分界面反演精度除了受超声渡越时间提取精度影响外，还受给定声速的准确度影响。传统的渡越时间提取方法并未考虑探头起振时间和声电、电声转换时间的影响，且声速也未考虑环境因素引起的误差。因此，研究有效的基于声阻抗变化信息的介质分界面检测方法对于超声反射成像具有重要意义。

发明内容

本发明提出了一种基于声阻抗变化信息的介质分界面检测方法。该方法通过对超声探头接收的回波信号进行去噪、光滑、滤波等处理，提取超声渡越时间，然后构建声阻抗变化位置关于渡越时间的测量模型，然后由确定的测量模型去计算任意声阻抗变化的位置信息，再通过曲线拟合技术反演介质分界面。技术方案如下：

一种利用声阻抗变化信息的介质分界面超声检测方法，包括步骤为：

1)设计一个具有不同声阻抗变化位置的传感器模型，包含一个超声探头，一个方形水槽，一个活动挡板，超声探头固定于方形水槽端部，利用活动挡板放置在水槽中的不同位置，获取不同声阻抗变化位置对应的超声回波信号，记探头与声阻抗变化位置的距离为d；

2)利用信号发生器作为激励源激励超声探头发射超声波信号，并采用示波器采集探头回波信号；

3)对2)中采集到的超声回波信号进行去噪、光滑、滤波处理，然后提取回波信号中显著波峰对应的时间作为渡越时间；

4)构建基于渡越时间的声阻抗变化位置测量模型：

t_f＝τ+k·d

式中，t_f表示渡越时间，d表示探头距离声阻抗变化位置的距离，τ与k表示待确定的测量模型参数。二者的物理意义为：τ表示探头起振、声电与电声信号转换以及噪声引起的渡越时间测量误差，k表示超声波在介质中传播的慢度，即声速的倒数，二者由1)-3)步确定；

5)利用4)构建的基于渡越时间的声阻抗变化位置测量模型计算任意声阻抗变化分界面上离散点，并采用样条插值法拟合介质分界面。

附图说明

图1为具有不同的介质声阻抗变化位置传感器模型；

图2为原始回波信号与去噪、光滑、滤波处理后时域波形图；

图3为小波去噪流程图；

图4为基于声阻抗变化信息的介质分界面检测流程图；

图5为基于声阻抗变化信息的介质分界面重建的实验测试结果；

图中：

1、超声探头 2、水槽 3、挡板 4、被测场域 5、超声探头

具体实施方式

以下详细描述本发明所涉及方法的实现步骤，旨在作为本发明的实施例描述，并非是本发明实现的唯一形式，对其他可实现相同结构和功能的实施例也应包括在本发明的范围内。

在具体实施案例中，设计具有不同的声阻抗变化位置的传感器模型，并通过实验数据构建了声阻抗变化位置关于超声渡越时间的测量模型。然后采用气液两相流中单气泡分布的泡状流作为测试对象，通过所提出的测量模型反演介质分界面。实验测试中传感器模型如图5(a)所示，包含16个超声探头，采用侵入式安装方式均匀布置于管道周围。测试对象为具有三种不同形状的单气泡分布模型，重建结果如图5(b)-(d)所示，该实施例的具体实现流程如图4所示，主要包含以下几个步骤：

(1)设计具有不同的介质声阻抗变化位置传感器模型，如图1所示，用于获取不同的介质声阻抗变化位置对应的超声波回波信号，记探头与声阻抗变化位置的距离为d；

(2)利用信号发生器作为信号激励源，激励超声探头发射脉冲超声波信号，并采用示波器采集超声回波信号f；

(3)对回波信号进行去噪、光滑、滤波处理，减弱噪声对于渡越时间提取的影响，并提取回波信号中显著波峰对应时间作为超声渡越时间，原始信号和去噪、光滑、滤波处理后信号时域波形图见图2。主要包含以下几步：

1)信号去噪

噪声信号模型：

f＝f_i+e_n

式中，f表示(2)中测量的含噪声信号，f_i表示真实信号，也即去噪后信号，e_n表示噪声，去噪方法为小波去噪法，流程见图3所示。

2)信号光滑

式中，f_i表示去噪后的信号，f_s表示光滑后的信号，C_n表示光滑系数，n_L和n_R分别表示左右两侧数据光滑点数；

3)信号阈值滤波

式中，f_s表示光滑后信号，f_t表示阈值滤波后信号，表示阈值滤波函数中的阈值；4)显著波峰提取

式中，f_t表示阈值滤波后信号，t_f表示渡越时间，peak表示提取波峰点，表示信号幅值大于某一阈值的波峰点对应的时间；

(4)基于渡越时间的声阻抗变化位置测量模型

构建如下测量模型：

k＝1/c

式中，t_f表示渡越时间，d表示探头距离声阻抗变化位置的距离，τ与k表示待确定的测量模型参数。二者的物理意义为：τ表示探头起振、声电与电声信号转换以及噪声等引起的渡越时间测量误差，k表示超声波在介质中传播的慢度，即声速c的倒数。

(5)基于声阻抗变化信息的分界面检测

采用(4)中基于渡越时间的声阻抗变化位置测量模型检测场域内介质分界面上离散点，并采用样条插值法拟合介质分界面。实验测试结果见图5所示，所提出的方法能够较好的检测出场域中内含物边界。

Claims (1)

1.一种利用声阻抗变化信息的介质分界面超声检测方法，包括步骤为：

1)设计一个具有不同声阻抗变化位置的传感器模型，包含一个超声探头，一个方形水槽，一个活动挡板，超声探头固定于方形水槽端部，利用活动挡板放置在水槽中的不同位置，获取不同声阻抗变化位置对应的超声回波信号，记探头与声阻抗变化位置的距离为d；

2)利用信号发生器作为激励源激励超声探头发射超声波信号，并采用示波器采集探头回波信号；

3)对2)中采集到的超声回波信号进行去噪、光滑、滤波处理，然后提取回波信号中显著波峰对应的时间作为渡越时间；

4)构建基于渡越时间的声阻抗变化位置测量模型：

t_f＝τ+k·d

式中，t_f表示渡越时间，d表示探头距离声阻抗变化位置的距离，τ与k表示待确定的测量模型参数。二者的物理意义为：τ表示探头起振、声电与电声信号转换以及噪声引起的渡越时间测量误差，k表示超声波在介质中传播的慢度，即声速的倒数，二者由1)-3)步确定；

5)利用4)构建的基于渡越时间的声阻抗变化位置测量模型计算任意声阻抗变化分界面上离散点，并采用样条插值法拟合介质分界面。