CN111551636A - 一种超声波烟气层析成像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及层析成像领域，具体是涉及一种超声波烟气层析成像的方法。建立数据库，数据库包括环境温度、烟气浓度、发射超声波信号的频率；将发射阵列和接收阵列分别设置在待测物体的两侧；将待测物体的环境温度、烟气浓度输入到数据库，获取对应的超声波信号的频率。发射阵列中的各个发射探头均向位于烟气环境中的待测物体发送对应频率超声波信号。将各个接收探头获取的穿过待测物体之后的超声波信号输入到层析成像算法中，获取位于烟气环境中的待测物体的图像，即为物体的截面图像，将所有截面图像构建在一起即为待测物体的图像，待测物体的图像包括了物体外部轮廓图像和内部各部分的图像，能够准确获知烟气环境中的真实场景。

Description

一种超声波烟气层析成像的方法
技术领域
本发明涉及层析成像领域，具体是涉及一种超声波烟气层析成像的方法。
背景技术
火灾现场、大雾天气、矿井等由于烟气的原因导致可见度比较低，无法获知内部的物体图像，进而导致危险源远程监测与报警、煤矿与消防应急救援、生命侦测、救护人员体质特征检测、安全防护等相应的救援活动无法展开。
因此，亟需一种在烟气的环境能够获取物体图像的方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声波烟气层析成像的方法，能够获取位于烟气环境物体的图像。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种超声波烟气层析成像的方法，包括如下步骤：
S1，建立数据库，数据库包括环境温度、烟气浓度、发射超声波信号的频率，所述环境温度和烟气浓度与发射超声波信号的频率一一对应，该一一对应关系通过试验获取；
S2，将发射阵列和接收阵列分别设置在待测物体的两侧，发射阵列的发射探头和接收阵列的接收探头一一对应；
采集待测物体所在的环境温度和所在环境的烟气浓度，将待测物体所在的环境温度、所在环境的烟气浓度输入到步骤S1中的数据库，获取与该环境温度和该烟气浓度对应的超声波信号的频率，该超声波信号的频率为用于向待测物体发射超声波信号的频率，记为频率为A的超声波信号；
S3，使发射阵列和接收阵列与待测物体相对转动，其中发射阵列和接收阵列相对位置保持不变；发射阵列中的各个发射探头均向位于烟气环境中的待测物体发送频率为A的超声波信号；与各个发射探头相对应的各个接收探头获取穿过待测物体之后的超声波信号；
S4，将各个接收探头获取的穿过待测物体之后的超声波信号输入到层析成像算法中，以此获取位于烟气环境中的待测物体的图像，其中，该超声波信号对应待测物体的截面图像。
进一步，步骤S1中的建立数据库的具体步骤如下：
S10，搭建试验装置，试验装置包括旋转机构，安装在旋转机构上的发射阵列和接收阵列，固定在发射阵列和接收阵列之间的试验物体，还包括用于向试验物体所在环境喷射烟气的烟气发生器；
S11，记录试验物体所在的环境温度、烟气浓度；
S12，发射阵列的各个发射探头向试验物体发送超声波信号，接收阵列中与各个发射探头彼此对应的各个接收探头获取穿过试验物体之后的超声波信号；
S13，将各个接收探头获取的穿过试验物体之后的超声波信号输入到层析成像算法中，获得试验图像；
S14，若试验图像与试验物体的图像相吻合，则保存步骤S13中的超声波信号的频率，并保存与步骤S13中的频率对应的步骤S11中的环境温度和烟气浓度；
S15，改变环境温度和烟气浓度，重复S11-S14，直至建立数据库。
进一步，步骤S3中的各个发射探头向待测物体发送频率为A的超声波信号为滤波之后的超声波信号，用于减少超声波信号中的交流信号。
进一步，步骤S3中发射探头发送的超声波信号为f(x)：
f(x)＝(1-k-d)*f(x0)+c
其中，k为待测物体对超声波的吸收率，d为发射探头与接收探头之间的距离，f(x0)为发射探头发送超声波信号起始时刻的信号电压值，c为常数。
进一步，烟气浓度为单位体积内烟气的质量。
进一步，所述发射阵列所覆盖的区域大于待测物体的尺寸。
进一步，步骤S3中，使发射阵列和接收阵列与待测物体相对转动包括发射阵列和接收阵列围绕待测物体同步旋转；或者，发射阵列和接收阵列固定设置，待测物体自转
本发明的有益效果如下：
(1)采集烟气环境的烟气浓度、温度，在数据库中找到该烟气浓度和温度对应的频率，发射探头向烟气中的物体发送该频率的超声波，对应的接收探头获取穿过物体的信号，由该信号构建的图像即为物体在该接收探头和该发射探头连线的截面图像，将所有截面图像构建在一起即为待测物体的图像，待测物体的图像包括了物体外部轮廓图像和内部各部分的图像，能够准确获知烟气环境中的真实场景。
(2)烟气浓度不变，信号的频率越大，穿透力越强，不同的烟气浓度选择不同频率的信号，能够提高获取图像的质量。
(3)当温度升高时,超声波声速减小,超声波在介质中传播的衰减加大，降低了获取的图像的质量。因此，将温度作为选择频率值的因素之一，能够在温度已知的前提下，便于选择更准确的频率值，以此获取需要的图像。
(4)对超声波信号进行滤波，以此尽可能的减少脉动直流电压信号中的交流成分，保留其直流成分，降低纹波系数。如果波纹系数太大，则系统运行时会受到交流噪声的影响，降低波纹系数，可以降低系统的交流噪声，便于信号的处理。
(5)超声波成像价格价廉、指向性好、对人体无害、便于携带、无辐射性、准确、可连续动态及重复扫描，因此，易于推广应用。
(6)从发射探头至接收探头之间的烟气浓度发生变化而导致折射效应和衍射效应，超声波不会因折射效应和衍射效应而改变其在物体内部沿直线传播的特性。因此，采用超声波作为信号源，可以提高获取的烟气环境中物体图像的清晰度。
附图说明
图1为本发明的试验装置的主视图；
图2为本发明的流程图。
图中标注符号的含义如下：
1-旋转机构 2-发射阵列 20-发射探头 3-接收阵列 30-接收探头
4-烟气发生器 5-试验物体
具体实施方式
以下结合实施例和说明书附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
一种超声波烟气层析成像的方法，包括如下步骤：
S1，建立数据库，数据库包括环境温度、烟气浓度、发射超声波信号的频率，环境温度和烟气浓度与发射超声波信号的频率一一对应。具体步骤如下：
S10，搭建试验装置，试验装置包括旋转机构1，安装在旋转机构1上的发射阵列2和接收阵列3，固定在发射阵列2和接收阵列3之间的试验物体5，还包括用于向试验物体5所在环境喷射烟气的烟气发生器4；
S11，记录试验物体5所在的环境温度、烟气浓度；
S12，发射阵列2的各个发射探头20向试验物体5发送超声波信号，接收阵列3中与各个发射探头20彼此对应的各个接收探头30获取穿过试验物体5之后的超声波信号，也就是一个发射探头20发送信号，与之对应的接收探头30获取发送过来的信号，一个发射探头20和一个接收探头30构成探头组，所有的探头组能够覆盖住试验物体5，对试验物体5进行全面的扫描；
S13，将各个接收探头30获取的穿过试验物体5之后的超声波信号输入到层析成像算法中，各个接收探头30获取的超声波信号即为试验物体5在该接收探头30位置处的截面图像，获得试验图像；
S14，若试验图像与试验物体5的图像相吻合，即通过试验获取的图像与试验物体5本来的图像清晰度一致，则保存步骤S13中的超声波信号的频率，并保存与步骤S13中的频率对应的步骤S11中的环境温度和烟气浓度，这样就能在以后测物体图像时，当知道环境温度和烟气浓度时，就知道该选择多大的频率信号去测物体图像了；
S15，改变环境温度和烟气浓度，重复S11-S14，直至建立数据库
S2，将发射阵列2和接收阵列3分别设置在待测物体的两侧，发射阵列2的发射探头20和接收阵列3的接收探头30一一对应；
采集待测物体所在的环境温度和所在环境的烟气浓度，将待测物体所在的环境温度、所在环境的烟气浓度输入到步骤S1中的数据库，获取与该环境温度和该烟气浓度对应的超声波信号的频率，该超声波信号的频率为用于向待测物体发射超声波信号的频率，记为频率为A的超声波信号；
S3，发射阵列2和接收阵列3围绕待测物体同步旋转；或者，发射阵列2和接收阵列3固定设置，待测物体自转；发射阵列2中的各个发射探头20均向位于烟气环境中的待测物体发送频率为A的超声波信号，并对该信号进行滤波，用于减少超声波信号中的交流信号滤波之后的信号传送给待测物体；与各个发射探头20相对应的各个接收探头30获取穿过待测物体之后的超声波信号；
S4，将各个接收探头30获取的穿过待测物体之后的超声波信号输入到层析成像算法中，每个接收探头30获取的超声波信号即为待测物体在该位置处的截面图像，获取位于烟气环境中的待测物体的图像。
层析成像技术是指通过物体外部检测到的数据来重建物体内部(横截面)信息的技术，又称为计算机辅助断层成像技术。主要原理是把不可分割的对象假想切成一系列薄片，分别给出每一薄片上的物体图像，然后再把该系列图像叠加起来，从而得到物体内部图像。这是一种由数据到图像的重建技术，通过伪彩色图像反映被测材料或制件内部质量，定性、定量分析其缺陷，从而提高检测的可靠性。该技术创新了探测物质内部结构，可应用于多种能量波和粒子束，如X射线、丫射线、电子、中子、质子、红外线、射频波、超声波等。
超声层析成像由X射线层析成像技术引伸而来，用这种成像方法可获得声速、声衰减系数、声散射系数及非线性参量等的定量图像。利用发射器到接收器之间的超声延迟时间或振幅衰减，来重建物体内部的声速(折射系数)或吸收特性参数。
本实施例中，步骤S3中发射探头20发送的超声波信号为f(x)：
f(x)＝(1-k-d)*f(x0)+c
其中，k为待测物体对超声波的吸收率，d为发射探头20与接收探头30之间的距离，f(x0)为发射探头发送超声波信号起始时刻的信号电压值，c为常数。
本实施例中，烟气浓度为单位体积内烟气的质量。
本实施例中，位于发射阵列2的覆盖区域大于待测物体的尺寸，保证待测物体的所有截面都能够被采集到。

Claims (7)

1.一种超声波烟气层析成像的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，建立数据库，数据库包括环境温度、烟气浓度、发射超声波信号的频率，所述环境温度和烟气浓度与发射超声波信号的频率一一对应，该一一对应关系通过试验获取；
S2，将发射阵列(2)和接收阵列(3)分别设置在待测物体的两侧，发射阵列(2)的发射探头(20)和接收阵列(3)的接收探头(30)一一对应；
采集待测物体所在的环境温度和所在环境的烟气浓度，将待测物体所在的环境温度、所在环境的烟气浓度输入到步骤S1中的数据库，获取与该环境温度和该烟气浓度对应的超声波信号的频率，该超声波信号的频率为用于向待测物体发射超声波信号的频率，记为频率为A的超声波信号；
S3，使发射阵列(2)和接收阵列(3)与待测物体相对转动，其中发射阵列(2)和接收阵列(3)相对位置保持不变；发射阵列(2)中的各个发射探头(20)均向位于烟气环境中的待测物体发送频率为A的超声波信号；与各个发射探头(20)相对应的各个接收探头(30)获取穿过待测物体之后的超声波信号；
S4，将各个接收探头(30)获取的穿过待测物体之后的超声波信号输入到层析成像算法中，以此获取位于烟气环境中的待测物体的图像，其中，该超声波信号对应待测物体的截面图像。
2.如权利要求1所述的超声波烟气层析成像的方法，其特征在于，步骤S1中的建立数据库的具体步骤如下：
S10，搭建试验装置，试验装置包括旋转机构(1)，安装在旋转机构(1)上的发射阵列(2)和接收阵列(3)，固定在发射阵列(2)和接收阵列(3)之间的试验物体(5)，还包括用于向试验物体(5)所在环境喷射烟气的烟气发生器(4)；
S11，记录试验物体(5)所在的环境温度、烟气浓度；
S12，发射阵列(2)的各个发射探头(20)向试验物体(5)发送超声波信号，接收阵列(3)中与各个发射探头(20)彼此对应的各个接收探头(30)获取穿过试验物体(5)之后的超声波信号；
S13，将各个接收探头(30)获取的穿过试验物体(5)之后的超声波信号输入到层析成像算法中，获得试验图像；
S14，若试验图像与试验物体(5)的图像相吻合，则保存步骤S13中的超声波信号的频率，并保存与步骤S13中的频率对应的步骤S11中的环境温度和烟气浓度；
S15，改变环境温度和烟气浓度，重复S11-S14，直至建立数据库。
3.如权利要求1或2所述的超声波烟气层析成像的方法，其特征在于，步骤S3中的各个发射探头(20)向待测物体发送频率为A的超声波信号为滤波之后的超声波信号，用于减少超声波信号中的交流信号。
4.如权利要求3所述的超声波烟气层析成像的方法，其特征在于，步骤S3中发射探头(20)发送的超声波信号为f(x)：
f(x)＝(1-k-d)*f(x0)+c
其中，k为待测物体对超声波的吸收率，d为发射探头(20)与接收探头(30)之间的距离，f(x0)为发射探头发送超声波信号起始时刻的信号电压值，c为常数。
5.如权利要求1所述的超声波烟气层析成像的方法，其特征在于：烟气浓度为单位体积内烟气的质量。
6.如权利要求1所述的超声波烟气层析成像的方法，其特征在于：所述发射阵列(2)所覆盖的区域大于待测物体的尺寸。
7.如权利要求1所述的超声波烟气层析成像的方法，其特征在于：步骤S3中，使发射阵列(2)和接收阵列(3)与待测物体相对转动包括发射阵列(2)和接收阵列(3)围绕待测物体同步旋转；或者，发射阵列(2)和接收阵列(3)固定设置，待测物体自转。
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