CN111366642B

CN111366642B - 基于仪器屏幕显示波形的探头超声信号的频谱分析方法

Info

Publication number: CN111366642B
Application number: CN202010254633.0A
Authority: CN
Inventors: 李乐刚; 刘松平; 刘菲菲
Original assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2023-03-28
Anticipated expiration: 2040-04-02
Also published as: CN111366642A

Abstract

本发明公开了基于仪器屏幕显示波形的探头超声信号的频谱分析方法，包括以下步骤：连接探头与与超声仪器；调节超声仪器的设定参数以显示超声信号；记录超声仪器的超声信号图像；获取超声信号的图像数据；遍历处理所述图像数据上的像素，获取第一数组；转换第一数组为超声信号数据；依据超声信号数据、虚拟采集频率，生成超声信号的频谱数据，并可绘制相应频谱曲线。该基于超声仪器屏幕显示波形的探头超声信号的频谱分析方法目的是解决无信号输出接口仪器的信号频谱分析，实现低成本频谱分析。

Description

基于仪器屏幕显示波形的探头超声信号的频谱分析方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于仪器屏幕显示波形的探头超声信号的频谱分析方法。

背景技术

超声波技术广泛应用于材料缺陷检测、材料性能评价、医疗诊断等方面，在航空、航天、汽车、医学等领域有极其重要的应用。超声频谱是重要的超声参数的参数，在超声技术领域有着重要的应用。比如，超声频谱是超声探头的重要特性，通常针对超声探头所激励的超声信号进行频谱分析，根据其频谱特性来判定探头其是否符合相关技术要求。此外，在材料缺陷检测及性能表征中，经常针对来自材料内部的超声信号进行频谱分析，根据其频谱特性来对材料内部质量及性能进行分析评价。目前，采用的超声信号频谱分析方法需要利用数据采集卡对超声仪器接口输出的模拟信号进行A/D数据转换，操作过程复杂、成本较高。并且，尤其在某些超声仪器没有相应的信号输出接口情况下，无法获取超声信号从而不能进行频谱分析。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有的超声信号频谱分析方法操作过程复杂、成本较高，尤其是解决无信号输出接口的超声仪器信号的频谱分析问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种基于仪器屏幕显示波形的探头超声信号的频谱分析方法，包括以下步骤：

连接探头与超声仪器，其中，所述探头用于发射超声波发射至检测对象上及接收来自所述检测对象的超声信号；

调节所述超声仪器的设定参数；

记录所述超声仪器的超声信号图像；

获取所述超声信号的图像数据；

遍历处理所述图像数据上的像素，获取第一数组；

转换所述第一数组为超声信号数据；

依据所述超声信号数据、虚拟采集频率，生成所述超声信号的频谱数据，并可绘制出相应频谱曲线。

可选的，所述调节所述超声仪器的设定参数后，还包括：

确定需要频谱分析的超声信号U(t)。

可选的，所述调节所述超声仪器的设定参数，具体为：

调节仪器显示参数，使得待分析超声信号任意相邻波峰、波谷水平间距至少为所述超声仪器屏幕宽度的2.5％。

可选的，调节仪器显示参数，使得所述待分析超声信号在水平方向宽度处于所述超声仪器屏幕宽度的50％～90％，超声信号峰-峰值幅度在垂直方向处于所述超声仪器屏幕高度的50％～90％。

可选的，依据调节后的所述超声仪器显示参数，确定所述超声仪器的屏幕整个水平范围上所对应的时间T，以及，确定所述超声仪器的屏幕垂直方向最高处对应的电压极大值V_u、最低处出对应的电压极小值V_l。

可选的，所述获取所述超声信号的图像数据，具体为：

获得的所述图像数据为三维数组C[M][N][3]，其中M为所获得图像像素点的行数、N为所述图像像素点的列数，每个所述图像像素点的色值包括R、G、B三个值。

可选的，在所述超声信号的图像曲线上任意取J个像素点AP₁、AP₂…AP_J，其中，J≥5；读取像素RGB三通道色值AP₁(R)、AP₁(G)、AP₁(B)…AP_J(R)、AP_J(G)、AP_J(B)，按照公式(1)、(2)、(3)分别计算所述像素RGB三通道色值的均值MA(R)、MA(G)、MA(B)：

可选的，所述遍历处理所述图像数据上的像素，获取第一数组，具体包括如下步骤：

对于第x行、第y列的像素点P_xy，分别获取RGB三通道色值P_xy(R)、P_xy(G)和P_xy(B)，按照公式(4)计算该像素点与曲线像素色值的近似度参数V_xy：

分别建立长度为M的一维数组C[M]、长度为N的一维数组D[N]和E[N]，将所述V_xy赋值于数组C[M]第x个元素；

所述图像数据的第y列所有像素处理完毕后，获得数组C[M]，确定所述数组C[M]中最小值C(h)，其在数组中序号为h的元素，则将序号值h赋给所述数组D[N]中的第y个元素D(y)；

当所述数组C[M]中有多个相同的最小值元素时，则将多个数组元素序号的均值

赋值给所述数组D[N]中的第y个元素D(y)；

遍历处理所述图像的每一列像素点，获取所述第一数组D[N]。

可选的，将所述第一数组D[N]中的第i个元素按照公式(5)转换为数组E[N]中第i个元素E(i)：

转换完毕后，即获得超声离散数据E[N]。

可选的，所述虚拟采集频率F按照公式(6)计算：

/>

式中，N为获得的图像数据的列数。

可选的，利用获取的超声信号数据E[N]以及虚拟采集频率F，采用傅里叶变换获得所述超声信号的频谱数据，并可绘制出相应的超声信号频谱曲线。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的基于仪器屏幕显示波形的探头超声信号的频谱分析方法，连接探头与超声仪器；调节超声仪器的设定参数；记录超声仪器的超声信号；获取超声信号的图像数据；遍历处理图像数据上的像素，获取第一数组；转换第一数组为超声信号数据；依据超声信号数据、虚拟采集频率，生成超声信号的频谱数据，即可绘制出频谱曲线。无需采集卡、采集软件或者专门的频谱分析仪即可以实现超声信号的频谱分析，操作简便、成本低廉；对于可进行超声信号显示，但是没有信号输出接口的超声仪器采用目前常规方法无法实现超声信号的频谱分析，而采用该方法可以解决该类超声仪器信号的频谱分析。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于仪器屏幕显示波形的探头超声信号的频谱分析方法的流程示意图；

图2为本发明提供的另一基于仪器屏幕显示波形的探头超声信号的频谱分析方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，根据本发明实施例提供了一种基于超声仪器屏幕显示波形的探头超声信号的频谱分析方法，包括以下步骤：

S100、连接探头与超声仪器，其中，探头用于发射超声波发射至检测对象上及接收来自检测对象的超声信号；

S200、调节超声仪器的设定参数；

S300、记录超声仪器的超声信号图像；

S400、获取超声信号的图像数据；

S500、遍历处理图像数据上的像素，获取第一数组；

S600、转换第一数组为超声信号数据；

S700、依据超声信号数据、虚拟采集频率，生成超声信号的频谱数据并绘制出相应的频谱曲线。

在该实施方式中，只需获取超声仪器屏幕上的超声信号图像，通过对图像的处理分析即可实现超声信号的频谱分析。

在步骤S100中，利用探头与具有信号激励、接收及显示功能的超声仪器相连接，超声仪器发射电脉冲至探头，探头激励超声波发射至检测对象上上，利用该探头或者另一个探头接收来自检测对象上的超声信号；

在步骤S200中，调节超声仪器的设定参数，使得超声信号尽量展宽，占据超声仪器屏幕水平方向范围的50％～90％之间，超声信号峰-峰值幅度在垂直方向处于所述超声仪器屏幕高度的50％～90％；

在步骤S300中，对超声仪器屏幕上的超声时域信号进行图像记录，若超声仪器具有屏幕超声信号图像记录功能，则采用该功能进行屏幕超声图像记录；若超声仪器没有屏幕图象记录功能，则采用数码相机或者其他图像记录装置对超声仪器屏幕上的超声信号图像进行记录，记录后截取图像只保留超声仪器屏幕图像区域；

在步骤S400中，将超声信号的图像数据文件传输至计算机，超声信号的图像数据文件在计算机内以24位BMP格式进行存储及分析；若超声信号的图像有M行、N列像素点，则图像数据为三维数组C[M][N][3]，每个像素点含有R、G、B三通道色值；利用Matlab或其他软件在超声信号图像曲线上任意取J(J≥5)个像素点，读取所取像素点色值，计算三通道色值均值作为曲线像素三通道色值；

在步骤S500中，利用Matlab或其他软件针对图像第1至N列像素点遍历处理，比较图像像素点三通道色值与曲线三通道色值的相近程度，比如采用三通色值差的值绝对值之和或者三通道色值差值的平方和的开方来进行标识；对于上述三通道色值与曲线色值最为相近的像素点识别为曲线像素点，并将该像素点纵向坐标按照横坐标顺序存入数组；对图像数据的所有列的像素点遍历分析完毕后，即可获得超声信号图像上整个超声信号曲线纵向坐标分布数据；

在步骤S600中，根据超声信号的图像数据的行数值M以及超声仪器屏幕显示电压参数，即可将超声信号图像中的曲线转换为超声信号离散数据。由超声图像获得超声信号数据的过程，相当于采集卡对模拟超声信号的数据采集；

在步骤S700中，根据超声仪器显示屏幕整个水平方向范围上所对应的时间T以及获取的图像像素点列数N，即可计算获得超声信号数据的虚拟采集频率F，结合虚拟采集频率F对超声信号的曲线数据进行傅里叶变换，即可获得超声信号频谱数据，并可会绘制出相应的频谱曲线。

在一些可选的实施例中，在步骤S200中，调节超声仪器的设定参数后，还包括：

确定需要频谱分析的超声信号区间U(t)。

在一些可选的实施例中，步骤S200中，调节超声仪器的设定参数，具体为：

调节仪器显示参数，使得待分析超声信号任意相邻波峰、波谷水平间距至少为超声仪器屏幕宽度的2.5％。

在一些可选的实施例中，调节仪器显示参数，使得待分析超声信号在水平方向宽度处于超声仪器屏幕宽度的50％～90％，超声信号峰-峰值幅度在垂直方向处于超声仪器屏幕高度的50％～90％。

在一些可选的实施例中，依据调节后的仪器显示参数，确定超声仪器的屏幕整个水平范围上所对应的时间T，以及，确定超声仪器的屏幕垂直方向最高处对应的电压极大值V_u、最低处出对应的电压极小值V_l。

可选的，步骤S300中，利用超声仪器的显示单元内置图像捕捉、记录功能或者利用数码相机等外置图像记录装置对超声仪器屏幕上的超声信号进行拍摄，超声仪器屏幕水平、垂直边缘均应在所拍摄图像内，且仪器屏幕水平、垂直方向中至少有一个方向尺寸占所拍摄图像相应方向尺寸的70％～90％。超声仪器屏幕水平、垂直边缘与所拍摄图像水平边界、垂直边界应保持平行。所拍摄图像保存为数字图像文件；对保存的图像在水平、垂直方向截取，只保留超声仪器屏幕上的超声图像区域，即获取超声信号图像。

在一些可选的实施例中，步骤S400中，获取超声信号的图像数据，具体为：

利用Matlab或其他软件获得图像数据，图像数据为三维数组C[M][N][3]，其中M为所获得图像像素点的行数、N为图像像素点的列数，每个图像像素点的色值包括R、G、B三个值。

在一些可选的实施例中，利用Matlab或其他软件在超声信号的图像曲线上任意取J个像素点AP₁、AP₂…AP_J，其中，J≥5；

利用Matlab或其他软件读取像素RGB三通道色值AP₁(R)、AP₁(G)、AP₁(B)…AP_J(R)、AP_J(G)、AP_J(B)，按照公式(1)、(2)、(3)分别计算像素RGB三通道色值的均值MA(R)、MA(G)、MA(B)：

在一些可选的实施例中，在步骤S500中，遍历处理图像数据上的像素，获取第一数组，具体包括如下步骤：

所述图像数据的第y列所有像素处理完毕后，获得数组C[M]，确定数组C[M]中最小值C(h)，其在数组中序号为h的元素，则将序号值h赋给所述数组D[N]中的第y个元素D(y)；

当数组C[M]中有多个相同的最小值元素，则将多个数组元素序号的均值

赋值给数组D[N]中的第y个元素D(y)；

逐列遍历处理图像的每一列像素点，获取第一数组D[N]。

在一些可选的实施例中，在步骤S600中，将第一数组D[N]中的第i个元素按照公式(5)转换为数组E[N]中第i个元素E(i)：

转换完毕后，即获得超声信号离散数据E[N]。

在一些可选的实施例中，在步骤S700中，虚拟采集频率F按照公式(6)计算：

式中，N为获得的超声图像数据列数。

如图2所示，根据本发明实施例提供了另一基于仪器屏幕显示波形的探头超声信号的频谱分析方法，包括以下步骤：

S201、连接探头与超声仪器，其中，探头用于发射超声波发射至检测对象上及接收来自检测对象的超声信号；

S202、调节超声仪器的设定参数，确定需要频谱分析的超声信号U(t)；

S203、记录超声仪器的超声信号图像，超声仪器的屏幕水平边缘与图像水平边界、屏幕垂直边缘与图像垂直边界平行；

S204、获取超声信号的图像数据，图像数据包括超声信号曲线和图像背景；

S205、逐列遍历处理图像数据上的像素，获取第一数组；

S206、转换第一数组为超声信号数据；

S207、依据超声仪器屏幕整个水平方向范围上所对应的时间T及图像的列数N，获取虚拟采集频率F；

S208、依据超声信号数据、虚拟采集频率F，生成超声信号的频谱数据，并绘制频谱曲线。

本发明实施例提供的频谱分析方法，无需采集卡、采集软件或者专门的频谱分析仪即可以实现超声信号的频谱分析，操作简便、成本低廉；对于可进行超声信号显示，但是没有信号输出接口的超声仪器采用目前常规方法无法实现超声信号的频谱分析，而采用该频谱分析方法可以解决该类超声装仪器号的频谱分析。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于仪器屏幕显示波形的探头超声信号的频谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

连接探头与超声仪器，其中，所述探头用于发射超声波至检测对象，并接收来自所述检测对象的超声信号；

调节所述超声仪器的设定参数；

记录所述超声仪器的超声信号图像；

获取所述超声信号的图像数据；

遍历处理所述图像数据上的像素，获取第一数组；

转换所述第一数组为超声信号数据；

依据所述超声信号数据、虚拟采集频率，生成所述超声信号的频谱数据，并绘制出相应超声信号频谱曲线；

所述获取所述超声信号的图像数据，具体为：

获得的所述图像数据为三维数组C[M][N][3]，其中M为所获得图像像素点的行数、N为所述图像像素点的列数，每个所述图像像素点的色值包括R、G、B三个值；

在所述超声信号的图像曲线上任意取J(J≥5)个像素点AP₁、AP₂…AP_J；

读取像素RGB三通道色值AP₁(R)、AP₁(G)、AP₁(B)…AP_J(R)、AP_J(G)、AP_J(B)，按照公式(1)、(2)、(3)分别计算所述像素RGB三通道色值的均值MA(R)、MA(G)、MA(B)：

所述遍历处理所述图像数据上的像素，获取第一数组，具体包括如下步骤：

对图像进行逐列计算处理，对于图像第x行、第y列的像素点P_xy，分别获取RGB三通道色值Pxy(R)、Pxy(G)和Pxy(B)，按照公式(4)计算该像素点与曲线像素色值的近似度参数V_xy：

当所述数组C[M]中有多个相同的最小值元素，则将多个数组元素序号的均值赋值给所述数组D[N]中的第y个元素D(y)；

遍历处理所述图像所有列像素点，获得所述第一数组D[N]；

将所述第一数组D[N]中的第i个元素D(i)按照公式(5)转换为数组E[N]中的第i个元素E(i)：

式中，V_u为超声仪器的屏幕垂直方向最高处对应的电压极大值，V_l为超声仪器的屏幕垂直方向最低处出对应的电压极小值；

所述用于频谱分析的虚拟采集频率F按照公式(6)计算：

式中，N为获得的图像数据的列数；

T为所述超声仪器的屏幕整个水平范围上所对应的时间长度。

2.根据权利要求1所述的频谱分析方法，其特征在于，所述调节所述超声仪器装置的设定参数后，还包括：

确定所需要频谱分析的超声信号U(t)。

3.根据权利要求1所述的频谱分析方法，其特征在于，所述调节所述超声仪器的设定参数，具体为：

调节仪器显示参数，使得待分析超声信号U(t)，任意相邻波峰、波谷水平间距至少为所述超声仪器屏幕宽度的2.5％。

4.根据权利要求3所述的频谱分析方法，其特征在于，调节仪器显示参数，使得所述待分析超声信号U(t)，在水平方向宽度处于所述超声仪器屏幕宽度的50％～90％，超声信号峰-峰值幅度在垂直方向处于所述超声仪器屏幕高度的50％～90％。

5.根据权利要求4所述的频谱分析方法，其特征在于，依据调节后的所述仪器显示参数，确定所述超声仪器的屏幕整个水平范围上所对应的时间T，以及，确定所述超声仪器的屏幕垂直方向最高处对应的电压极大值V_u、最低处出对应的电压极小值V_l。