CN110455931B - 一种分层介质中的目标检测与定位方法 - Google Patents

一种分层介质中的目标检测与定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种分层介质中的目标检测与定位方法。一换能器阵列置于分层介质表面，采用一发多收方式进行研究。发射阵元向分层介质发射一个声脉冲作为前向声束；各接收阵元接收前向声束经目标产生的散射信号和界面反射信号。让这两个信号首先进行时间反转，再提前一个适当时差从各接收阵元发射作为逆向声束。在发射声束到达目标的旅行时的瞬刻，将前向声束分别和各个逆向声束在时域上进行卷积；继之，将时间‑空间域上这两个声束的卷积转换为频域‑空间域上它们的傅氏变换的乘积，得到多组发射与接收对相应的快照。对得到的多组快照进行相干叠加，得到一个峰状分布，峰顶的位置就是目标所在位置。从而实现分层介质中目标检测和定位。

Description

一种分层介质中的目标检测与定位方法
技术领域
本发明涉及超声检测领域,尤其涉及一种分层介质中的目标检测与定位方法。
背景技术
在超声检测技术中，由于压电换能器带宽的限制，发射出的声脉冲较宽，一般的脉冲回波方法对分层介质中的目标(或缺陷)，特别是在界面附近的目标，由于目标和界面的两个反射信号会发生重叠，不能区分开，因此不能实现目标的检测与定位。
在声学学报(第43卷第4期)曾提出一种分层介质中目标检测和定位的TR-RTM方法，可称之为脊状分布的TR-RTM方法。但该方法仅适用于较窄的声脉冲情况。该方法并不适用于通常换能器因带宽的限制而声脉冲较宽的情况。因此该方法在实际中经常也不能实现分层介质中目标的检测和定位。
发明内容
有鉴于此，本申请实例提供了一种分层介质中的目标检测与定位方法，它称之为快照的TR-RTM方法，它能实现分层介质中的目标的精确地检测和定位。
该方法的主要过程是在分层介质表面放置一换能器阵列，采用一发多收方式，即用阵列某阵元i作发射阵元向介质中发射声脉冲作前向声束Fi(t)，而让换能器阵列各个阵元都作为接收阵元，它们接收前向声束经目标产生的散射信号和界面的反射信号为：
Figure BDA0002192954260000011
其中，aij为反射系数；bij为散射系数；tij R为反射信号由阵元i经界面反射到达阵元j的旅行时；ti o为由阵元i到目标O的旅行时；tj o为由目标O散射到阵元j的旅行时。
将接收的散射信号和界面反射信号，进行时间反转后再提前一个时差
Figure BDA0002192954260000021
由各接收阵发射作逆向声束，
Figure BDA0002192954260000022
其中，
Figure BDA0002192954260000023
Figure BDA0002192954260000024
表示F(t)的时间反转。
利用这两个声束，本发明提出了一种分层介质中的目标的检测和定位的方法，即快照的TR-RTM方法。发明的关键是：在空间某点X，前向声束与逆向声束进行卷积，
Figure BDA0002192954260000025
其中，
Figure BDA0002192954260000026
表示卷积。
继之，为了节省计算时间，将时间-空间域，转到频域-空间域，这时两个函数Fi(t)和Rij(t)，卷积变成这两个函数的傅氏变换Fi(ω)和Rij(ω)的乘积，即为
Figure BDA0002192954260000027
其中，F(ω)是发射声脉冲F(t)的傅氏变换；ti(x)为发射阵元i发射声束到达X点的旅行时，tj(x)为目标散射到接收阵元j的旅行时。
Figure BDA0002192954260000028
为到达空间某点X的前向声束；
Figure BDA0002192954260000029
为到达空间某点X的逆向声束。
在t＝ti o,即发射声束到达目标旅行时的瞬刻的快照。在空间某点X，声场分布快照为：
Figure BDA00021929542600000210
其中，ti(x)为发射阵元发射前向声脉冲经过界面到达空间某点X的旅行时，tj(x)为目标散射声脉冲再经过界面到达接收阵元的旅行时。上式中第一项为前向声束与逆向声束中目标散射部分在时域里的卷积，对应频域的这两者的傅氏变换相乘；第二项为前向声束与逆向声束中界面反射部分在时域的卷积相应频域这两者傅氏变换相乘。
遍及所有发射-接收对(i,j＝1,2,…,n)进行相干叠加的，得到总的声场分布在t＝ti o时的快照：
Figure BDA0002192954260000031
再取包络，相应目标散射部分，就形成一个峰状分布，其峰顶即取极大值，是X取为目标点，这时
Figure BDA0002192954260000032
O点的声场分布达到是极大值
Figure BDA0002192954260000033
这就实现了分层介质中目标的检测和定位。
还可以得到相应界面反射部分结果。因为不同的接收阵元j是在界面不同位置反射的，
Figure BDA0002192954260000034
的差异，不能形成峰状分布，而是一个幅度较小的不均匀分布，而与其目标的峰状分布是分开的，因此它对目标的峰状分布不构成干扰，这就是该方法在抑制界面干扰下，实现了分层介质中目标的较为精确的检测和定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，在不付出创造性工作的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明申请提供的一种分层介质中的目标检测与定位方法的流程示意图。
图2为本发明申请提供的分层介质中声波的传播示意图；
图3为本发明申请提供的一实施例的发射信号图；
图4为本发明申请提供的一实施例的某个阵元收到的信号图；
图5为本发明申请提供的一实施例的各个阵元收到的信号图；
图6为本发明申请提供的一实施例的t＝ti o瞬刻的前向声束与逆向声束的快照示意图；
图7为本发明申请提供的一实施例中目标位于(x,z)＝(20mm,70mm)的快照法声场分布图；
图8为本发明申请提供的一实施例中目标位于(x,z)＝(20mm,90mm)的快照法声场分布图；
图9为本发明申请提供的一实施例中目标临近界面(x,z)＝(28mm,50mm)的各接收阵元信号图；
图10本发明申请提供的一实施例中目标临近界面(x,z)＝(28mm,50mm)的快照法声场分布图；
具体实施方式
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。
图1为本发明申请一种分层介质中的目标检测与定位方法的结构示意图。
如图2所示，一个两层的分层介质，上层介质厚度为h,在下层介质的O处有一目标，在其表面放置一个N阵元的换能器阵列，所有阵元都作为接收阵元，其中阵元i还作发射阵元。发射阵元发射前向声束F(t)，在接收阵元接收到经目标产生的散射信号和界面反射信号。为
Figure BDA0002192954260000041
其中，aij为反射系数；bij为散射系数；tij R为反射信号由阵元i经界面反射到达阵元j的旅行时，它等于2rij1/c1；ti o为由阵元i到目标O对应的旅行时，它等于ri1 o/c1+ri2 o/c2,并且入射角θi1 o和折射角θi2 o满足snell定律：
Figure BDA0002192954260000042
tj o为由目标O散射到阵元j对应的旅行时，它等于rj2 o/c2+rj1 o/c1。入射角和折射角也满足snell定律，如图2所示。
图5所示为N个发射-接收对分别接收到的界面反射信号和目标散射信号群图。
将接收的信号首先进行时间反转(用
Figure BDA0002192954260000051
表示)，并提前一个时差
Figure BDA0002192954260000052
自接收阵元发出声脉冲作为逆向声束Rij(t):
Figure BDA0002192954260000053
其中，
Figure BDA0002192954260000054
为目标散射到阵元j对应的旅行时与阵元i到目标对应的旅行时的差值,
Figure BDA0002192954260000055
为目标散射旅行时ti o+tj o和界面反射旅行时之差。
Figure BDA0002192954260000056
表示F(t)的时间反转
前向声束与逆向声束进行卷积，在时域-空间域某点X，它为：
Figure BDA0002192954260000057
其中，
Figure BDA0002192954260000058
表示卷积。
为了节省计算时间，将时间-空间域转到频域-空间域，这时两个函数Fi(t)和Rij(t)的卷积变成这两个函数傅氏变换Fi(ω)和Rij(ω)的乘积，为：
Figure BDA0002192954260000059
其中，Fi(ω)是发射前向声束Fi(t)的傅氏变换，在
Figure BDA00021929542600000510
即对应在发射声束到达目标旅行时ti o的瞬刻快照，
Figure BDA00021929542600000511
遍及所有发射-接收对，并进行相干叠加，得到总的声场分布在t＝ti o瞬时快照：
Figure BDA00021929542600000512
取包络后，对应目标散射部分公式(6)中的第一项形成一个峰状分布，峰顶为极大值，显然峰顶的位置是点X取目标点O时得到的，因为此时，ti(x)＝ti o,
Figure BDA00021929542600000513
其值为
Figure BDA00021929542600000514
是极大值。这就实现了分层介质中目标的定位。
对应界面反射部分公式(6)中的第二项，因不同接收阵元是在界面不同点反射的，
Figure BDA0002192954260000061
有差异，使之不能形成峰状分布，而是一个幅值较小的不均匀分布，而且与目标峰状分布有一定距离，对目标峰状分布不构成干扰，因此本方法是在抑制界面干扰下，实现了分层介质中的目标的检测和定位。
实施例1
在一个可能的实施例中，选取了硅橡胶和水分别为上层介质和下层介质，硅橡胶的纵波声速为1070m/s，其密度为1096kg/m3，厚度为48.5mm。水的纵波声速为1500m/s，其密度为1000kg/m3。且将目标放置于水中的2个不同位置即(x,z)＝(20mm,70mm)和(20mm,90mm)。在介质表面放置51个阵元的换能器，其阵元宽度为0.8mm,其间距为2mm。让换能器的第1个阵元发射信号，发射了一个载波频率为1MHz和电压为300mv的调制声脉冲信号，其表达式为：
F(t)＝[H(t)-H(t-T/2)]cos[ω(t-T/4)]cos[ω0(t-T/4)]。
其中，载波信号ω0＝2πf0，f0＝1MHz。调制包络信号T＝3T0＝3/f0，即发射频率为f0的3个半周期的调制声脉冲。发射波形如图3所示。
某个阵元的接收到的信号如图4，其中第一项为界面反射信号，第二项为目标散射信号，并且让接收到的界面反射信号和散射信号进行归一化，即幅度比是1，则各个阵元接收到的信号如图5所示。
图6表示在t＝ti o瞬刻，在频域-空间域的某发射-接收对的前向声束与逆向声束空间的快照示意图。所有发射-接收对的频域-空间域的声场值进行相干叠加得到总的声场分布图如图7(对应目标在(20mm,70mm))和图8(对应目标在(20mm,90mm))所示。从图中可以看出围绕目标有一个峰状分布，峰顶的位置就是目标所在位置，它们列在表1中。对应界面反射部分，在界面附近，形成幅值较小不均匀的分布。
表1.实际位置和测量位置和处理前后的信干比
Figure BDA0002192954260000071
Δ空间位置步长取为0.1mm所得到的结果。
*与通常RTM那样，进行了归一化，即aij＝bij＝1。
为了定量地描述卷积的效果，我们引入了信干比(即散射信号与界面干扰信号最大值之比)。在表1中，通过快照的TR-RTM处理，使得目标信号增强，而界面反射信号被抑制，信干比提高4倍左右，这表明了快照的TR-RTM方法的抑制界面信号的效能。
实施例2
在一个可能的实施例中，与实施例1相同的实验条件，而目标对于界面附近的目标的定位进行研究，目标位置位于(20mm,50mm)，各个接收阵元收到的信号如图9所示。
在图9中，前面信号序列为界面反射信号，后面信号序列为目标散射信号。目标位于发射阵元(第15个阵元)的正下方，由于目标在界面附近，因此第9个阵元至第21个阵元的目标散射信号和界面反射信号产生重叠，这表明普通的脉冲回波方法将无法区分目标和界面。而用快照的TR-RTM处理，得到山峰状声场分布图如图10所示。
从图10可以读出峰顶的位置(x,z)＝(28mm,50mm)与实际目标放置位置(28mm,50mm)，两者相符。而且界面处的声场相对于目标的声场的幅度比为1:5，即相差15dB，相比处理之前归一化的信干比1:1，提高了4倍。从而有效地区分了界面和目标，实现了界面附近目标的检测和定位。这正是体现了本方法的效能；它克服了普通超声检测方法对分层介质界面(或底面)附近目标检测和定位的难题。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述两个实例中，本发明提出快照的TR-RTM方法，对于分层介质中目标，包括临近界面的目标都能有效抑制界面反射信号的干扰，实现了分层介质中目标的精确地检测和定位。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种分层介质中目标检测与定位方法，包括：
一换能器阵列置于分层介质表面，采用一发多收方式，发射阵元向分层介质发射一个声脉冲作为前向声束；各接收阵元接收前向声束经目标而产生的散射信号和界面反射信号；
将接收的散射信号和界面反射信号，进行时间反转后，再提前一个适当的时差从各接收阵发射作逆向声束；
在发射声束到达目标的旅行时的瞬刻，将前向声束分别和各逆向声束根据逆时偏移互相关成像条件在时间-空间域上进行卷积；继之，将时间-空间域上两个声束的卷积转换为频域-空间域上的傅氏变换的乘积，得到多组发射与接收对声场分布的快照；其中，所述傅氏变换的乘积为
Figure FDA0002500612800000011
其中Ij(ω,X)为频域-空间域中任意一点X(x,z)的声场，F(ω)是发射声脉冲F(t)的傅氏变换，
Figure FDA0002500612800000012
为到达空间某点X的前向声束，
Figure FDA0002500612800000013
为到达空间某点X的逆向声束；在t＝ti o，即前向声束相应到达目标的旅行时的瞬刻进行快照，在空间某点X，得到：
Figure FDA0002500612800000014
其中ti(x)为发射阵元发射声束经界面到X点处的旅行时，tj(x)为目标散射信号经过界面到达接收阵元j的旅行时；
对得到的多组快照进行相干叠加，得到一个峰状分布，峰顶的位置就是目标所处的位置，从而实现分层介质中目标的检测和定位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发射阵元i,发射前向声束F(t)，而在某接收阵元j接收前向声束经过目标而产生的散射信号和界面的反射信号为：
Figure FDA0002500612800000021
其中，aij为反射系数；bij散射系数；tij R为由阵元i发射的声束经界面反射到达阵元j的旅行时；ti o为由阵元i发射声束经界面的折射到达目标O的旅行时；tj o为由目标O散射到阵元j对应的时间；
将接收阵元接收的散射信号和界面反射信号，进行时间反转后再提前一个时差
Figure FDA0002500612800000022
由各接收阵发射作逆向声束为：
Figure FDA0002500612800000023
其中，
Figure FDA0002500612800000024
表示F(t)的时间反转，
Figure FDA0002500612800000025
为目标散射到阵元j对应的旅行时与阵元i到目标对应的旅行时的差值；
Figure FDA0002500612800000026
为发射阵元发射信号经目标散射到达接收阵元j的旅行时ti o+tj o与经界面反射信号到达接收阵元的旅行时tij R之差；根据逆时偏移的互相关成像条件，让前向声束Fi(t)与逆向声束Rij进行卷积，得到声场分布
Figure FDA0002500612800000027
其中，
Figure FDA0002500612800000028
表示卷积。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于各发射-接受对，即j＝1，2，3…n，进行相干叠加，得到最终声场分布：
Figure FDA0002500612800000029
再取包络，此时
Figure FDA00025006128000000210
即目标散射部分，就呈现一个峰状分布，其峰顶的位置，即极大值的位置，从
Figure FDA00025006128000000211
即空间位置X取为目标处的位置O，因为
Figure FDA00025006128000000212
对应
Figure FDA00025006128000000213
为
Figure FDA00025006128000000214
为极大，峰顶的位置就是目标所处的位置。
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