CN113124999A - 基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法和装置，所述方法包括以下步骤：对散射体进行数据采集，以获取二值函数；对二值函数进行三维傅里叶变换；提取经过三维傅里叶变换后的二值函数在预设球面上的截面值；根据截面值获取散射声压的傅里叶变换；对散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到散射声压。本发明的获取方法，适用于任何形状的介质，不需要进行简化或者近似，散射声压的求解速度快，且结果精确。

Description

基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法和装置

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，具体涉及一种基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法、一种基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取装置、一种计算机设备和一种非临时性计算机可读存储介质。

背景技术

声散射是声波在均匀介质的传播过程中，由于介质含有非均匀体，如杂质、界面等，其声波信息，如幅度、传播方向、相位或频率等发生变化的现象。三维散射声压的求解尤其复杂，而散射声波的获得对介质的研究有着重要的意义。

现有的散射声压的求解方法可以分为三大类：解析法、近似法和数值法。解析法仅适合用于边界条件规则的声散射情况；近似法常用方法有几何衍射理论、基尔霍夫近似、Born近似、微扰等，可解决很多无法求得精确解的问题，但这些方法都各有局限性；数值法需要考虑求解的复杂程度。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法，适用于任何形状的介质，不需要进行简化或者近似，散射声压的求解速度快，且结果精确。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法，包括以下步骤：对散射体进行数据采集，以获取二值函数；对所述二值函数进行三维傅里叶变换；提取经过三维傅里叶变换后的二值函数在预设球面上的截面值；根据所述截面值获取散射声压的傅里叶变换；对所述散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到所述散射声压。

根据本发明的一个实施例，通过下述公式提取预设球面上的截面值：

其中，O(α-k₁,β,r)表示在预设球面

上的截面值，k₀表示散射体在目标中的波数。

根据本发明的一个实施例，通过下述公式获取散射声压的傅里叶变换：

其中，P_s(x＝l₀,β,r)表示距离声源x轴l₀处的散射声压的傅里叶变换。

根据本发明的一个实施例，采用下述公式获取二值函数：

其中，o(r)表示二值函数，k表示散射体在介质中的波数，k₀表示散射体在目标中的波数，c表示介质中的声速，c₀表示目标中的声速。

本发明还提出了一种基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取装置，包括：第一获取模块，用于对散射体进行数据采集，以获取二值函数；第一变换模块，用于对所述二值函数进行三维傅里叶变换；提取模块，用于提取经过三维傅里叶变换后的二值函数在预设球面上的截面值；第二获取模块，用于根据所述截面值获取散射声压的傅里叶变换；第二变换模块，用于对所述散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到所述散射声压。

根据本发明的一个实施例，所述提取模块通过下述公式提取预设球面上的截面值：

其中，O(α-k₀,β,r)表示在预设球面

上的截面值，k₀表示散射体在目标中的波数。

根据本发明的一个实施例，所述第二获取模块通过下述公式获取散射声压的傅里叶变换：

其中，P_s(x＝l₀,β,r)表示距离声源x轴l₀处的散射声压的傅里叶变换。

根据本发明的一个实施例，所述第一获取模块采用下述公式获取二值函数：

其中，o(r)表示二值函数，k表示散射体在介质中的波数，k₀表示散射体在目标中的波数，c表示介质中的声速，c₀表示目标中的声速。

本发明还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现上述的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法。

本发明还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法。

本发明的有益效果：

本发明首先对散射体进行数据采集，以获取二值函数，并对二值函数进行三维傅里叶变换，提取经过三维傅里叶变换后的二值函数在预设球面上的截面值，并根据截面值获取散射声压的傅里叶变换，对散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到散射声压，由此，散射声压的求解速度快，且结果精确，并且适用于任何形状的介质，不需要进行简化或者近似。

附图说明

图1为本发明实施例的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法的流程图；

图2为本发明一个实施例的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取装置的方框示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

图1为本发明实施例的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法的流程图。

如图1所示，本发明实施例的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法可包括以下步骤：

S1，对散射体进行数据采集，以获取二值函数。

根据本发明的一个实施例，采用下述公式获取二值函数：

其中，o(r)表示二值函数，k表示散射体在介质中的波数，k₀表示散射体在目标中的波数，c表示介质中的声速，c₀表示目标中的声速。

具体而言，根据亥姆霍兹方程建立数学模型：

其中，

式中，P(r)表示介质中的总声压，k表示介质中的波数，k₀表示目标中的波数，c表示介质中的声速，c₀表示目标中的声速。

由上述亥姆霍兹方程可知，公式(2)是一个典型的二值函数，因此可以考虑使用二值函数的傅里叶变换来求解散射声压。利用三维扫描仪对散射体进行数据采集，可得到二值函数，记为o(r)。需要说明的是，这里得到的数据，相当于是一个四维数组，在扫描散射体时，可得到扫描点的三维坐标，再加上判断该扫描点在介质中还是在目标中得到的是一个常数，因此，相当于得到的是一个四维数组。

S2，对二值函数进行三维傅里叶变换。

具体而言，通过三维傅里叶变换的公式可得到o(r)对应的三维傅里叶变换，公式如下：O(w,β,r)＝∫o(r)e^{-j[wx-βy-rz]}dr。

S3，提取经过三维傅里叶变换后的二值函数在预设球面上的截面值。

S4，根据截面值获取散射声压的傅里叶变换。

S5，对散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到散射声压。

根据本发明的一个实施例，通过下述公式提取预设球面上的截面值：

其中，O(α-k₀,β,r)表示在预设球面

上的截面值，k₀表示散射体在目标中的波数。

进一步地，根据本发明的一个实施例，通过下述公式获取散射声压的傅里叶变换：

其中，P_s(x＝l₀,β,r)表示距离声源x轴l₀处的散射声压的傅里叶变换。

通过研究格林函数发现，格林函数满足方程：

三维声场中，格林函数具有平面波分解形式：

其中，

满足弱散射条件即：散射声压远小于入射声压，则忽略散射波在积分方程中的作用，将入射波代替总场一阶Born近似解为：

p^sca(r')＝∫o(r)p^inc(r)g(r,r′)dr (5)

其中，p^sca(r')表示入射声波和反射声波的关系，p^inc(r)表示平面入射波。

考虑平面入射波(忽略时间因子)：

将平面入射波公式(6)和三维格林函数公式(4)代入公式(5)可得：

发现式中：

为二值函数O(r)的三维傅里叶变换在

球面上的截面值，即：

因此，对公式(7)两边求傅里叶变换可得散射声压的傅里叶变换：

由上述分析可知，二值函数的傅里叶变换在

球面上的截面值，散射体在距离声源x轴上l₀的散射声压的三维傅里叶变换值与其具有比例关系，比例值为

上述公式(8)即为散射体在距离声源x轴上l₀的散射声压的三维傅里叶变换，对散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到散射体在距离声源x轴上l₀的散射声压。

综上所述，本发明可以用于任何介质中，不需要进行简化或者近似，求解速度快，且精度高。

综上所述，本发明首先对散射体进行数据采集，以获取二值函数，并对二值函数进行三维傅里叶变换，提取经过三维傅里叶变换后的二值函数在预设球面上的截面值，并根据截面值获取散射声压的傅里叶变换，对散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到散射声压，由此，散射声压的求解速度快，且结果精确，并且适用于任何形状的介质，不需要进行简化或者近似。

对应上述实施例的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法，本发明还提出一种基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取装置。

图2为本发明实施例的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取装置的方框示意图。

如图2所示，本发明实施例的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取装置可包括：第一获取模块10、第一变换模块20、提取模块30、第二获取模块40和第二变换模块50。

其中，第一获取模块10用于对散射体进行数据采集，以获取二值函数。第一变换模块20用于对二值函数进行三维傅里叶变换。提取模块30用于提取经过三维傅里叶变换后的二值函数在预设球面上的截面值。第二获取模块40用于根据截面值获取散射声压的傅里叶变换。第二变换模块50用于对散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到散射声压。

根据本发明的一个实施例，提取模块30通过下述公式提取预设球面上的截面值：

其中，O(α-k₀,β,r)表示在预设球面

上的截面值，k₀表示散射体在目标中的波数。

根据本发明的一个实施例，第二获取模块40通过下述公式获取散射声压的傅里叶变换：

其中，P_s(x＝l₀,β,r)表示距离声源x轴l₀处的散射声压的傅里叶变换。

根据本发明的一个实施例，第一获取模块10采用下述公式获取二值函数：

其中，o(r)表示二值函数，k表示散射体在介质中的波数，k₀表示散射体在目标中的波数，c表示介质中的声速，c₀表示目标中的声速。

需要说明的是，本发明实施例的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取装置中未披露的细节，请参照本发明实施例的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法中所披露的细节，具体这里不再赘述。

本发明的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取装置，第一获取模块对散射体进行数据采集，以获取二值函数，第一变换模块对二值函数进行三维傅里叶变换，提取模块提取经过三维傅里叶变换后的二值函数在预设球面上的截面值，第二获取模块根据截面值获取散射声压的傅里叶变换，第二变换模块对散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到散射声压。由此，散射声压的求解速度快，且结果精确，并且适用于任何形状的介质，不需要进行简化或者近似。

对应上述实施例，本发明还提出一种计算机设备。

本发明实施例的计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行该计算机程序时，可实现根据本发明上述实施例所述的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法。

根据本发明实施例的计算机设备，处理器执行存储在存储器上的计算机程序时，首先首先对散射体进行数据采集，以获取二值函数，并对二值函数进行三维傅里叶变换，提取经过三维傅里叶变换后的二值函数在预设球面上的截面值，并根据截面值获取散射声压的傅里叶变换，对散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到散射声压，由此，散射声压的求解速度快，且结果精确，并且适用于任何形状的介质，不需要进行简化或者近似。

对应上述实施例，本发明还提出一种非临时性计算机可读存储介质。

本发明实施例的非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可实现根据本发明上述实施例所述的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法。

根据本发明实施例的非临时性计算机可读存储介质，处理器执行存储在其上的计算机程序时，首先首先对散射体进行数据采集，以获取二值函数，并对二值函数进行三维傅里叶变换，提取经过三维傅里叶变换后的二值函数在预设球面上的截面值，并根据截面值获取散射声压的傅里叶变换，对散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到散射声压，由此，散射声压的求解速度快，且结果精确，并且适用于任何形状的介质，不需要进行简化或者近似。

在本发明的描述中，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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

对散射体进行数据采集，以获取二值函数；

对所述二值函数进行三维傅里叶变换；

提取经过三维傅里叶变换后的二值函数在预设球面上的截面值；

根据所述截面值获取散射声压的傅里叶变换；

对所述散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到所述散射声压。

2.根据权利要求1所述的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法，其特征在于，通过下述公式提取预设球面上的截面值：

其中，O(α-k₀,β,r)表示在预设球面

上的截面值，k₀表示散射体在目标中的波数。

3.根据权利要求2所述的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法，其特征在于，通过下述公式获取散射声压的傅里叶变换：

其中，P_s(x＝l₀,β,r)表示距离声源x轴l₀处的散射声压的傅里叶变换。

4.根据权利要求1所述的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法，其特征在于，采用下述公式获取二值函数：

其中，o(r)表示二值函数，k表示散射体在介质中的波数，k₀表示散射体在目标中的波数，c表示介质中的声速，c₀表示目标中的声速。

5.一种基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于对散射体进行数据采集，以获取二值函数；

第一变换模块，用于对所述二值函数进行三维傅里叶变换；

提取模块，用于提取经过三维傅里叶变换后的二值函数在预设球面上的截面值；

第二获取模块，用于根据所述截面值获取散射声压的傅里叶变换；

第二变换模块，用于对所述散射声压的傅里叶变换进行二维傅里叶反变换得到所述散射声压。

6.根据权利要求5所述的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取装置，其特征在于，所述提取模块通过下述公式提取预设球面上的截面值：

其中，O(α-k₀,β,r)表示在预设球面

上的截面值，k₀表示散射体在目标中的波数。

7.根据权利要求6所述的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法，其特征在于，所述第二获取模块通过下述公式获取散射声压的傅里叶变换：

其中，P_s(x＝l₀,β,r)表示距离声源x轴l₀处的散射声压的傅里叶变换。

8.根据权利要求5所述的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法，其特征在于，所述第一获取模块采用下述公式获取二值函数：

其中，o(r)表示二值函数，k表示散射体在介质中的波数，k₀表示散射体在目标中的波数，c表示介质中的声速，c₀表示目标中的声速。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时，实现根据权利要求1-4中任一项所述的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法。

10.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现根据权利要求1-4中任一项所述的基于三维扫描与傅里叶变换的散射声压的获取方法。

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