CN110595600A - 基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统及方法。该系统包括激光器、偏振相机、信号发生器、信号延迟器、示波器、功率放大器、扩束镜、4f成像系统、压电陶瓷、石英玻璃。方法为：信号发生器输出两路信号，一路经功率放大器放大后触发一个PZT产生超声信号，且由示波器观察另一个PZT探测的超声信号；另一路输出到信号延迟器，信号延迟器设置精确的延迟控制激光器输出脉冲激光和触发偏振相机拍摄声场图像；激光器输出的平行光束经扩束镜扩束后通过有超声传播的石英玻璃，再经过4f系统成像在偏振相机，利用偏振算法处理偏振相机获得的偏振图像获得方向角图像，实时计算声场并显示在计算机上。本发明具有实时性高、非接触性、带宽大等优点。

Description

基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统及方法

技术领域

本发明属于光学和超声交叉领域，特别是基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统及方法。

背景技术

超声检测技术构成了各种应用的基础，例如组件的缺陷检查，医学超声诊断，生物医学组织的光声层析成像(PAT)，由于强穿透，良好的方向和安全性超声波在上述应用中，需要具有宽带，小尺寸和高灵敏度的超声波检测器用于超声波可视化。采用超声换能器的接触超声检测方法通常受限于检测带宽(以其共振频率为中心)和空间分辨率。因此，越来越多的注意力被用于能够快速扫描和远程测量的非接触式光学超声波检测方法，并且克服了接触检测方法的上述限制。

目前，已经开发了各种纯光学检测方法，例如Mach-Zehnder干涉仪，全场散斑干涉仪，低相干干涉仪，Fabry-Perot聚合物膜传感器，聚合物微环谐振器，表面等离子体共振检测器，光学反射和偏转技术。在所有这些类型的光学检测方法中，光弹性技术表现出高灵敏度，优异的宽带宽，高空间分辨率，以及可视化超声场在固体介质中传输的其他优点。它通过测量探测光的两个正交偏振分量之间的相位延迟来提供介质中应力和应变的各向异性分布的图像。然而，光弹性方法很容易受到介质中残余应力的影响，并且难以定量评估超声波压力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于偏振参数成像，且实时性高、非接触性、带宽大的超声可视化系统和方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统，包括偏振参数成像单元和同步信号控制单元；

所述偏振参数成像单元用于获取偏振参数图，包括依次同轴设置的激光器、扩束镜、起偏器、四分之一波片、石英玻璃、第一透镜、第二透镜、偏振相机，以及与偏振相机相连的计算机；

所述同步信号控制单元包括信号延迟器、信号发生器、超声换能器、超声探测器、示波器和功率放大器；超声换能器、超声探测器分别附着于石英玻璃的两端；信号发生器的一路信号经功率放大器放大后，触发超声换能器产生超声信号，且由超声探测器探测超声信号并显示在示波器上；信号发生器的另一路信号触发信号延迟器设置相对延迟，以控制激光器发射脉冲光束，并精确触发相机曝光在石英玻璃中传播的超声场。

基于上述系统的基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化方法，包括以下步骤：

步骤1、搭建偏振参数成像单元和同步信号控制单元；

步骤2、信号发生器输出脉冲信号，经功率放大器放大后输入至超声换能器，使其产生正弦指数衰减的超声波信号；同时信号发生器输出方波信号至信号延迟器；

步骤3、信号延迟器将输入的方波信号分为两路相对延迟的信号：用于触发激光器的Q触发信号和用于触发偏振相机的相机触发信号，且Q触发信号滞后于相机触发信号，以使信号同步能拍摄到超声传播的瞬态图；

步骤4、偏振相机采集到4幅0度、45度、90度、135度的偏振图像，并输入至计算机中且结合偏振参数算法实时计算偏振参数并视频帧速显示声场变化；其中计算偏振参数具体为：

利用Stokes公式求取入射光水平和垂直方向的相移量：

式中，I(0°)、I(45°)、I(90°)、I(135°)分别为0度、45度、90度、135度的偏振图像，E_ox和E_oy分别为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的振幅，S₀为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的光强和，S₁为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的光强差，S₂为45度方向偏振光和-45度方向偏振光的光强差，S₄为右旋偏振光与左旋偏振光之差，I_r为右旋偏振光，I_l为左旋偏振光，δ为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的相移量；

根据椭圆角公式：

可得参数的图像。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)基于光学偏振参数成像系统，具有成像分辨率高、速度快、多维度、非接触性、带宽大等优点；2)采用偏振相机，成像速度快，一次曝光可以获取实时偏振参数图；3)采用偏振参数算法，获得的参数图与超声场具有很高的关联性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中获得的偏振参数图，其中图(a)为初始时刻t₀的声场图像，图(b)为t₀+0.2us时刻的声场图像，图(c)为t₀+0.4us时刻的声场图像，图(d)为t₀+0.6us时刻的声场图像。

具体实施方式

结合图1，本发明基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统，包括偏振参数成像单元和同步信号控制单元；

偏振参数成像单元用于获取偏振参数图，包括依次同轴设置的激光器1、扩束镜2、起偏器3、四分之一波片4、石英玻璃9、第一透镜11、第二透镜12、偏振相机13，以及与偏振相机13相连的计算机14；

同步信号控制单元包括信号延迟器5、信号发生器6、超声换能器7、超声探测器8、示波器10和功率放大器15；超声换能器7、超声探测器8分别附着于石英玻璃9的两端；信号发生器6的一路信号触发超声换能器7产生超声信号，且由超声探测器8探测超声信号并显示在示波器10上；信号发生器6的另一路信号触发信号延迟器5设置相对延迟，以控制激光器1发射脉冲光束，并精确触发相机13曝光在石英玻璃9中传播的超声场。

进一步优选地，激光器1具体采用Nd:YAG激光器。

进一步优选地，起偏器3的透光轴与四分之一波片4的快轴成45°角。

进一步优选地，超声换能器7、超声探测器8均为压电陶瓷。

进一步优选地，第一透镜11的后焦距与第二透镜12的前焦距重合，构成4f成像系统。

进一步优选地，石英玻璃9的后表面位于第一透镜11的前焦面上。

进一步优选地，石英玻璃9为各向同性的透明介质。

进一步优选地，偏振相机13一次曝光能获取0度、45度、90度、135度4幅偏振图。

基于上述系统的基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化方法，包括以下步骤：

步骤1、搭建偏振参数成像单元和同步信号控制单元；

步骤2、信号发生器输出脉冲信号，经功率放大器放大后输入至超声换能器，使其产生正弦指数衰减的超声波信号；同时信号发生器输出方波信号至信号延迟器；

步骤3、信号延迟器将输入的方波信号分为两路相对延迟的信号：用于触发激光器的Q触发信号和用于触发偏振相机的相机触发信号，且Q触发信号滞后于相机触发信号，以使信号同步能拍摄到超声传播的瞬态图；

步骤4、偏振相机采集到4幅0度、45度、90度、135度的偏振图像，并输入至计算机中且结合偏振参数算法实时计算偏振参数并视频帧速显示声场变化；其中计算偏振参数具体为：

利用Stokes公式求取入射光水平和垂直方向的相移量：

式中，I(0°)、I(45°)、I(90°)、I(135°)分别为0度、45度、90度、135度的偏振图像，E_ox和E_oy分别为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的振幅，S₀为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的光强和，S₁为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的光强差，S₂为45度方向偏振光和-45度方向偏振光的光强差，S₄为右旋偏振光与左旋偏振光之差，I_r为右旋偏振光，I_l为左旋偏振光，δ为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的相移量；

根据椭圆角公式：

可得偏振参数的图像。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。

实施例

本实施例对本发明基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统进行测试，具体采用波长为532nm、带宽为10ns、光斑直径为5mm的Nd：YAG激光器，尺寸为10mm*10mm*20mm的石英玻璃，两个焦距为75mm的平凸透镜，两个中心频率为5MHz的压电陶瓷分别作为超声换能器7和超声探测器8。

1、搭建偏振参数成像单元：

(1)同轴设置Nd:YAG激光器1、扩束镜2、起偏器3、四分之一波片4、石英玻璃9、第一透镜11、第二透镜12、偏振相机13；

(2)调节扩束镜2的放大倍数，使光束直径放大至10mm；

(3)调节起偏器3和四分之一波片4，使起偏器3的透光轴与四分之一波片4的快轴成45度角；

(4)调节第一透镜11、第二透镜12的位置，使第一透镜11的后焦点与第二透镜12的前焦点重合，且调节石英玻璃9的位置，使石英玻璃的后表面位于第一透镜11的前焦面上；

(5)调节偏振相机13的位置，使相机能够对石英玻璃的后表面清晰成像。

2、搭建同步信号控制单元：

(1)信号发生器6的一路信号依次连接功率放大器15、超声换能器7，一路信号连接信号延迟器5，超声探测器8连接示波器10。

(2)信号发生器6通道一输出脉宽为200ns、周期为200us、幅值为20Vpp的脉冲信号至超声换能器7，使其产生正弦指数衰减的超声波信号，由超声探测器8探测超声信号并显示在示波器10上；

(3)信号发生器6通道二输出频率为10Hz、高电平为5V、低电平为0V的方波信号至信号延迟器5，信号延迟器5将输入的方波信号分出两路相对延迟为40us的Q触发信号和相机13触发信号，Q信号滞后于相机触发信号。Q触发信号连接激光器1，相机触发信号连接偏振相机13。

(4)信号发生器6的通道一的信号设置相对于通道二的85us的延迟，再同步两通道的信号。

打开激光器1和偏振相机13，信号发生器6输出信号，偏振相机13获取含超声场的4幅偏振图像，利用计算机上位机软件结合偏振参数图算法，实时计算偏振图像并显示在计算机上。具体为：

利用Stokes公式求取入射光水平和垂直方向的相移量：

式中，I(0°)、I(45°)、I(90°)、I(135°)分别为0度、45度、90度、135度的偏振图像，E_ox和E_oy分别为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的振幅，S₀为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的光强和，S₁为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的光强差，S₂为45度方向偏振光和-45度方向偏振光的光强差，S₄为右旋偏振光与左旋偏振光之差，I_r为右旋偏振光，I_l为左旋偏振光，δ为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的相移量；

根据椭圆角公式：

可得偏振参数的图像如图2所示。

综上，本发明基于偏振参数成像的方法对超声场的视频帧速可视化成像，系统具有实时成像、非接触性、带宽大等优点，且偏振参数图与超声场具有很强的关联性，对超声场很敏感，为超声可视化提供了一种基于偏振测量的光学成像方法。

Claims (9)

1.基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统，其特征在于，包括偏振参数成像单元和同步信号控制单元；

所述偏振参数成像单元用于获取偏振参数图，包括依次同轴设置的激光器(1)、扩束镜(2)、起偏器(3)、四分之一波片(4)、石英玻璃(9)、第一透镜(11)、第二透镜(12)、偏振相机(13)，以及与偏振相机(13)相连的计算机(14)；

所述同步信号控制单元包括信号延迟器(5)、信号发生器(6)、超声换能器(7)、超声探测器(8)、示波器(10)和功率放大器(15)；超声换能器(7)、超声探测器(8)分别附着于石英玻璃(9)的两端；信号发生器(6)的一路信号经功率放大器(15)放大后，触发超声换能器(7)产生超声信号，且由超声探测器(8)探测超声信号并显示在示波器(10)上；信号发生器(6)的另一路信号触发信号延迟器(5)设置相对延迟，以控制激光器(1)发射脉冲光束，并精确触发相机(13)曝光在石英玻璃(9)中传播的超声场。

2.根据权利要求1所述的基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统，其特征在于，所述激光器(1)具体采用Nd:YAG激光器。

3.根据权利要求1所述的基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统，其特征在于，所述起偏器(3)的透光轴与四分之一波片(4)的快轴成45°角。

4.根据权利要求1所述的基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统，其特征在于，所述超声换能器(7)、超声探测器(8)均为压电陶瓷。

5.根据权利要求1所述的基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统，其特征在于，所述第一透镜(11)的后焦距与第二透镜(12)的前焦距重合，构成4f成像系统。

6.根据权利要求1所述的基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统，其特征在于，所述石英玻璃(9)的后表面位于第一透镜(11)的前焦面上。

7.根据权利要求1所述的基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统，其特征在于，所述石英玻璃(9)为各向同性的透明介质。

8.根据权利要求1所述的基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化系统，其特征在于，所述偏振相机(13)一次曝光能获取0度、45度、90度、135度4幅偏振图。

9.基于权利要求1至8任意一项所述系统的基于偏振参数成像的视频帧速声场可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建偏振参数成像单元和同步信号控制单元；

步骤2、信号发生器输出脉冲信号，经功率放大器放大后输入至超声换能器，使其产生正弦指数衰减的超声波信号；同时信号发生器输出方波信号至信号延迟器；

步骤3、信号延迟器将输入的方波信号分为两路相对延迟的信号：用于触发激光器的Q触发信号和用于触发偏振相机的相机触发信号，且Q触发信号滞后于相机触发信号，以使信号同步能拍摄到超声传播的瞬态图；

步骤4、偏振相机采集到4幅0度、45度、90度、135度的偏振图像，并输入至计算机中且结合偏振参数算法实时计算偏振参数并视频帧速显示声场变化；其中计算偏振参数具体为：

利用Stokes公式求取入射光水平和垂直方向的相移量：

式中，I(0°)、I(45°)、I(90°)、I(135°)分别为0度、45度、90度、135度的偏振图像，E_ox和E_oy分别为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的振幅，S₀为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的光强和，S₁为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的光强差，S₂为45度方向偏振光和-45度方向偏振光的光强差，S₄为右旋偏振光与左旋偏振光之差，I_r为右旋偏振光，I_l为左旋偏振光，δ为水平方向偏振光和垂直方向偏振光的相移量；

根据椭圆角公式：

可得偏振参数的图像。