CN1187612C - 处理表示被体积构件反射或发射的波的信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于处理表示被物体反射或发射的波的信号的方法，包括将入射波发射到所述结构中，通过多个互相独立的检测元件接收被入射波在物体内碰到的结构所反射或发射的波，将所接收的数据数字化后存入一个场存储器中，对于物体的每一点，通过各元件在给定时刻所检出的信号计算出在场存储器中所占的位置，并与该点所反射或发射的波相对应，然后，对场存储器中所含有关每一点的全部数据施行运算，运算结果便表示该点所反射或发射的波的量值。

Description

处理表示被体积构件反射 或发射的波的信号的方法和装置

技术领域：

本发明涉及一种用于处理表示由体积构件反射或发射的波的信号的方法和装置，目的在于探测和分析这一种结构。

背景技术：

本发明特别地(虽然不是唯一地)应用于诸如回声测探仪、非破坏性物体探测装置，声纳乃至雷达一类设备项目的制造。

常规的这类设备通常使用一个发射装置发射一个入射波到被检查的媒体中，和一个接收装置-可以使用全部或部分发射装置(零拍系统)-接收被入射波所碰到的构件反射的波。装置还提供对接收装置所接收的信号进行变换和处理，并以能够被用户使用的形式例如以一种能够指出产生入射波反射的障碍位置的图象形式把这些信号表示出来。

用于获得这些结果的最普通的方法要点是按程序使用脉冲波，所说程序包括以给定方向发射脉冲(射出)，检测返回的回波，测量发射和接收之间的时间间隔量以及推导出距离并因而推出产生回波的障碍位置。然后根据一个预定的扫描规律对不同的方向重复这个发射过程。

一旦完成扫描工作，就有可能例如说在常规显示系统上生成表示通过回波检出的障碍的图象，并且知道其位置。

大量的这类设备项目使用一种所谓“顺序法”，根据这个方法，借助一个移动波束逐行检查构件，每次发射后更换探测行。

在这些条件下，检查的速度随着探测波束的横断面和脉冲速率而增加。但是，往往波束的横断面受限于所要求的空间分辨率，而脉冲速率则受限于所有各个不同的反射波回到探头所需要的时间。

例如，为了用3mm的分辨率检查一块铝板以检出直径1mm的疵病，则波束的横断面实际上不能超过2mm，并且考虑到交混回响现象，脉冲速率必须低于1000Hz。

在这些条件下，表面检查的速度不能超过2mm×2mm×1000＝4000mm²/秒，即4/1000m²，亦即一小时4/1000×3600＝14.4m²。在生产的顶头，这个速度常常是太慢了(因为它使生产减慢)因而有时需要几台设备同时工作。

对于大量的其他应用(检查管道、铁轨等等)，这一限制甚至更为关键。

为了消除这些缺点，已经有人建议向要被探测的物体发射一个由探头生成的横断面相对较大的基本上平伸的波，探头由一个包括有多个小尺寸(最好小于波长)发射/接收装置的网络构成，以便利用一个很大的辐射图；这些发射装置同时被并行驱动。在接收时，每个发射/接收装置独立工作因而单独接收被位于有效作用区的隔断波束的障碍所反射的波。数字化之后，由这些发射装置供出的数据(反射波的场)被存储在读出顺序和写入顺序相反的存储器中。

然后，将读出信号加到一个用于重建反射波场的装置上，该装置包括多个按照类似于上述探头的发射/接收装置的结构分布的发射装置。读出信号加到这些发射装置的实现与发射/接收装置向写信号存储器的发送一致。

重建装置的目的是在辅助媒体中复制一个反射波场，以便复制出分辨率依赖于入射波的波长和探头元件尺寸的物体图象。

如果入射波是超声波，最简单的解决办法是在光学透明介质中形成图象，并利用纹影法观察它。

但是，这个方法并不很适合于工业目的。而且，它不是线性的，也不能恢复高频分量。

根据另一种方法，图象被汇集到一个第三探头上并且读出频率调整得总是在相应的信号到达这个探头上时检验出构件的图象。

这个系统往往很复杂并且要求探头具有很大的频带。此外，信号在相继通过三个探头之后品质会变差。而且，当发射波倾斜或者是圆型波时，还会出现另外的困难。

发明内容：

本发明的主要目的就是克服上述的缺点。

因此，发明的基础是观察到在诸如上面所述的过程中，被探测物体的每一点均引起一个回波存储在存储器的以双曲线弧形式分布的位置上，双曲线弧的特性依赖于该点到探头的距离和每个元件的辐射图(这些双曲线对位于探头前方的点在理论上不多于两条渐近线)。

于是，根据本发明的方法，一方面包括用这样的方法算出读地址，使这些地址准确对应于在给定时刻为物体的一个点所存储的信号，为的是使这些地址按照双曲线的规律分布在包括所述区域的场存储器中，另一方面，在根据所述规律重读场存储器时，使得被探测物体的每一个点对应于就场存储器(其中存有有关被物体的点所反射或修改的场的数据)的多个特定点进行计算的结果。

场存储器的所有各行均被并行重读并将数值相加(或者直接以数字形式或者是以数/模转换后的模拟形式)以产生一个电压Vp，将其数值写入包括有多个点的“图象”存储器中，每一点都对应于一个阅读规律例如双曲线规律，阅读规律的参数依赖这个点的坐标。

考虑到各个阅读规律的计算太长以致于不能实时进行的事实，都是事先进行这一计算并将结果存在与“场”存储器的每一行关联的专用“地址”存储器中。

读出过程按下法进行：

在“图象”存储器每一点的情形，将这个点的坐标向所有“地址”存储器并行发送。“地址”存储器立即并行送出能产生相应阅读规律(例如双曲线)的每个“场”存储器行的地址。然后，这个相应的电压Vp使存在“图象”存储器中所述点的地址处。

根据本发明的一个方面，这里提供一种用于处理信号的方法，该信号表示被一个物体反射或发射的波，其目的在于探测和分析这个物体的结构，该方法包括：在所述物体内发射一个入射波，利用多个互相独立的检测元件接收被所述入射波在该物体内部碰到所述结构时所反射或发射的波，在将接收装置提供的数据进行数字化之后将其存储在一个场存储器中，利用该场存储器读取的数据重构和/或分析该物体的结构，其特征在于，该方法包括：利用所述的多个检测元件在给定的时刻检测出来的并与一个点所反射或发射的波相对应的信号，对于所述物体的每一点计算出在所述场存储器中所占有的位置，然后重读所述的场存储器，并在所述存储器的存储位置含有的并与每一点相关的所有数据上执行一系列运算，该运算的结果能使这个点所反射或发射的波的大小成为已知，然后处理这个结果或将其存储在一个存储器中，所述的场存储器的所有行都并行地被读出，并且读出的数值均经受一次计算，以获得存储在一个图象存储器中的一个量值，该图象存储器包括多点，每点对应于一个读取寻址规律，该规律的参数随这个点的坐标而定，其中有多个阅读寻址规律与图象存储器的每一点相关联。

所述的对于含有与每点相关的数据的所述场存储器的存储位置的计算是事先执行的，并且所述的相应的数值存储在寻址存储器中。

所述的寻址规律是一种双曲线规律，对于所述场存储器中读出的数值的计算是加法运算。

所述的入射波是以脉冲形式发射的。

所述的入射波是以波链形式或以连续发射形式发射的，而且所选的双曲线规律以突出位于预定距离处的反射点。

所述入射波的发射和被反射或被发射的波的接收是由同一装置执行的。

所述入射波的发射和被反射或被发射的波的接收是由独立的装置执行的。

所述的入射波阵面是平面。

入射波由不重叠的定向和/或聚焦波束组成，这些波束在接连发射的过程中更替以覆盖被探测的整个结构。

所述的入射波是通过独立的发射/接收装置的一个线性网络产生的。

所述的入射波是利用按照一种矩阵结构所排列的发射/接收装置产生的。

所述的入射波是借助随机布置的发射/接收装置产生的。

根据本发明的另一个方面，这里提供一种用于实施权利要求1所述的方法的装置，其特征在于，包括：一个探头，由多个发射/接收元件组成，每个发射/接收元件一方面经由两只头尾相接的导电阈值二极管连接到一个发射机，另一方面连接到一个模/数转换器，该模/数转换器的输出连接到一个场存储器的写输入端，该场存储器的读取由一个寻址存储器控制，该寻址存储器由一个时钟经由一个计数器来驱动，该场存储器的读输出端连接到一个加法器，该加法器的输出连接到受所述计数器驱动的一个图象存储器的写输入端，所述的寻址存储器与所述场存储器的每行相关联。

所述图象存储器由一个显示装置来操作。

附图说明：

通过参照相应的附图，用一个非限制性的例子叙述本发明的一个实施例，本发明的进一步的特性和优点将是显而易见的，在附图中：

图1是一个用于探测和分析体积构件的装置的原理图；

图2是一个示意图，说明图1所表示的装置的工作原理。

图1所表示的装置可用在使用脉冲反射的超声设备中，用于非破坏性探测材料或医学图象形成。

具体实施方式：

装置使用一个由直线型条带构成的探头1，探头1包括多个例如128个小尺寸(1mm)的发射/接收元件D1至Dn。因此，同一个探头1被用于发射和接收。

每一个元件D1至Dn一方面经过一个预放大器A和一个模/数转换器CAN连接到“场”存储器MC的一个区域(在本例中是相应的行L₁，L₂，…，L_n)，另一方面通过两个头尾相连并且有一个例如几分之一伏特数量级的导通阈值的二极管2、3连接到发射器E。

于是，当发射器E发射并供出一个可高达几百伏交流电压时，与所有发射/接收元件D₁至D_n关联的诸二极管2、3大量导电，就像短路一样，从而使所有的元件D₁至D_n被发射器E并行激励并产生一个平面波。

反过来，在接收时，每一个元件D₁至D_n独立工作并驱动它所连接的预放大器A。事实上，各元件所检出的信号都是很弱的(几十毫伏)。

这一安排还具有通过将预放大器A与发射电路隔开而降低输入噪声的优点。

然后，每一个预放大器A驱动一个相应的模/数转换器CAN，并且数字信号被存储在存储器的行L₁至L_n中由寻址存储器MA(它本身则由时钟CK驱动的计数器CR寻址)提供的写地址处。这个计数器CR和这个时钟CK是与存储行L₁至L_n关联的所有寻址存储器MA共用的。

当存储行L₁至L_n被写入时，诸寻址存储器的输出表示地址。仿佛场存储器行L₁至L_n是由计数器CR并行寻址似的。

最好，在写操作期间所用的存储位置的编号数目由2的幂数例如512，1024等等中选出。

如果，例如说编号数目等于512，则场存储器的位置0至511被写入。

写入后马上通过受计数器CR的10位控制的触发器B将存储器L₁至L_n切换到读出位置。

从地址512起，场存储器行L₁至L_n的输出不再是恒等的，而是用这样一种方式即被寻出的存储位置对应于一个预定形状(读出双曲线)计算出来的。

这个计算按下法进行：由地址512起，计数器CR寻出存储器Mi(图2)的一个位置Pij’。对于这个存储器Mi的每一点P₁₁’至P_nm’作出与被检查物体0的一个位置P₁₁至P_nm对应，以使这个“图象”存储器Mi能够随后用来提供物体0的图象。

对于每一个这些点P₁₁’，P_nm’，在场存储器行L₁至L_n中所占的位置均通过所反射的超声脉冲，考虑到所发射场的形状、数字化的频率，声音的速度、物体与探头的相对位置而算出来。于是，对于和“图象”存储器Mi的点P_ij’相对应的物体的点P_ij，它在场存储器MC中所占的位置按照阴影表示的双曲线排列。

如果探头1直接与物体接触，则数字化可在发射的同一时刻开始。若使用声控继电器工作时，则数字化的开始点可延迟一个等于在继电器中返回行程的时间。

不同存储器中读得的数值(例如在存储行的位于双曲线H上的单元中所含有关P_ij点的数值)在一个加法电路S中相加并被送到存储器Mi的被选位置(例如位置P_ij’)。

如前所述，存储器Mi中所含的数据可以不同的方式使用。

这些数据可用于在常规型式的观察屏幕上形成图象。

在非破坏性探测的情形，这些数据也可例如借助能够鉴别和记录所检出的缺陷类型的逻辑的电路进行处理。

寻址存储器MA也可以是一次编程的只读存储器(ROM，PROM，EPROM)。但是，从速度观点和使用的灵活性来看，最好还是使用一旦安装以后就可以被编程的存储器例如RAMs。

于是，编程可以在开始时进行。先一步的计算可以根据检验条件和所用探头型号通过一个小型计算机来完成。这个数据也可预先算出并存在磁盘或PROM中。然后，用常规方法将结果依次传送到存储器MA中。这个传送可以很快(几秒)。

下面，将参照图2叙述计算寻址存储器MA中的地址的一个方法。

设P_ij为位于检测元件Di垂直上方距离探头d处的一个点。使这个点P_ij对应于“图象”存储器Mi中的一个位置P_ij’，因而对应于计数器CR提供的地址。

设X为隔开探头1的元件D₁和点Pij的垂直上方的元件Di的距离，C为物体介质中的声速。

如果我们预先假定探头1发射的波是平面的平且垂直于探头1的表面传播，则脉冲在P_ij点反射后到达检测装置例如D₃所用的时间t(x)等于d/c(发射的波到达P_ij所用的时间)t(x²+d²)的平方根/C：

$t\left(x\right)=\frac{d+\sqrt{(X^2+d^2)}}{c}$

如果用f表示写入频率并且如果在发射的同一时间开始写入，则所反射的信号将被存入场存储器MC位于X轴上的位置ft(x)处的单元中。

就是这个将存入存储器MA中的数值ft(x)要被用于读出操作。

如果波不是垂直于探头(斜向入射探测)或者如果波不是平面型的(在断面探测的情形是圆形波)，进行的计算很相似，唯一不同之处是波到达点P_ij所用的时间。这个时间将不仅依赖于d，而且也依赖于点P_ij相对于探头1的横向位置。如果波是斜向的，则时间将作为横向位置X_p的函数线性变化，并且发射的波到达P_ij点所用的时间等于(d·cosθ+X_p·sinθ)/C，θ为射束与探头1的法线间的夹角。

在探头1产生的波是连续或半连续的情形或者是这些到来的波以足够长持续期的波序列的形式覆盖整个物体的情形，每一个点都将出现持续的回波，使得它实际上被存储在存储行MC的所有位置上，并且不同点的相应数据被叠加起来。

于是，可以认为这些存储器的一个“断面”将包含对应于物体的所有数据，只要这个断面“厚”到足以包含最大的双曲线即可。

因此在理论上，读取这一单断面将足以再造出物体的图象。

这个读取可以在逐步修改阅读双曲线形状的同时进行，或者通过在一个位于给定距离处的区域上“检查输出结果”。

其次，信号的数字化必须对一个较大数量的电平进行，以便能够令人满意地判决不同数据。

为了简化电子线路，则可以设想存储器MC在写入期间顺序寻址，而重读总是并行的(将仅需要单个的预放大器和单个的模/数转换器)。

于是，采集速度将显著降低，而分辨率仍然是高的。这一解决方案在不优选考虑速度时是令人感兴趣的。也可设想一个混合式解决方案：用几个存储器组并行写入，这些存储器组则是顺序寻址的。

上述例子中，在检测之前因而以高频电平把超声信号存储起来。取样频率至少必须等于超声频率的三倍，亦即例如说对3MHz的超声波，取样频率等于10MHz。

这样一来，在需要测试钢材中10cm的深度时，最大的回程时间等于约60微秒，即每行取样600点。

因此，对于一个100行的图象，将需要计算600×100＝60,000点。

在这个例子中，计算不多于一次简单读取后面跟有加法指令的存储器。

利用现代电路，这个操作可在1/100微秒内完成。因而整个图象将在60,000/100＝600微秒内计算出来。

场的存储将持续60微秒，因而一幅图象的总采集时间将等于660微秒，并且图象速度可大于1000Hz。

倘若证明这个速度不够，可用几种方法增加它：

a)将场存储器分成几个并行读取的子存储器；

b)选出并处理不多于包含有有用数据的存储区域。

应当指出，超声波往往以包括有几个交变波形以短脉冲形式到来，在这种情形下，能感兴趣的是使用几个与这些交变波形相交的阅读双曲线。如果脉冲很短并且仅包括一个完整的交变波形，则一个双曲线可用来重读正半波并在相当于半个周期的距离处重读负半波。如果P_p和P_m为这些读取后所得到的数值，则将把数值P＝P_p-P_m记录下来。这一解决方案可改善系统的信/噪比和分辨率。两次读取可以顺序进行以降低速度，或者使用两组存储器并行完成。

根据本发明的方法与顺序法相比具有许多优点。

速度：每次发射都探测一个大表面面积例如100×5mm，而不是使用顺序法的3×3mm。

检查速度与顺序法相比可扩大50或100倍，这是一个有重大意义的增加。

系统的速度为大量的应用例如三维成象和多普勒图象形成铺平了道路。

当使用矩阵式探头时，三维图象可很容易得到，只是电子部件由于常规矩阵式探头包括很大数量的元件而很不方便。但是，元件的数目可以通过它在探头表面上的随机分布而显著减少，这样，就允许元件隔开较大的距离而不会使干涉波瓣变得太大。使用线性探头，通过在每次发射后更换剖平面能很快记录一系列的平面。用100Hz的速度，可在1/10秒内存储100个剖平面。因而，存储器可被用来获得三维视图或者任何平面的局部剖视图。

至于多普勒图象成形，对多普勒成象的应用产生于连续图象可以互相比较这一事实。当存储高频信号时，两个图象之间的很少差别可以被分辨(例如借助减法)和突出出来。

分辨率：系统使用很高数目的孔阑工作。实用中，空间分辨率仅受限于波长和元件尺寸这两个数值的较大数值。这样一来，在所述例子中，这两个数值的较大者是波长，即2mm。

如用10MHz的频率，则两个数值的较大者将是元件的尺寸，即1mm。

可重现性：系统的灵敏度作为探头下方的障碍的位置函数变化很小并且场是以平面波形式发射的。而且，由于每个障碍相对于探头的准确位置已知，因而作为位置函数的灵敏度变化可以计算并被校正过来。

系统可以使用任何形状(平面、斜面、柱面的)的发射波阵面工作。在每一情形下，系统都是以计算作为其位置函数的阅读双曲线的形状。

Claims (14)

1.一种用于处理信号的方法，该信号表示被一个物体反射或发射的波，其目的在于探测和分析这个物体的结构，该方法包括：在所述物体内发射一个入射波，利用多个互相独立的检测元件接收被所述入射波在该物体内部碰到所述结构时所反射或发射的波，在将接收装置提供的数据进行数字化之后将其存储在一个场存储器中，利用该场存储器读取的数据重构和/或分析该物体的结构，其特征在于，该方法包括：

利用所述的多个检测元件在给定的时刻检测出来的并与一个点所反射或发射的波相对应的信号，对于所述物体的每一点计算出在所述场存储器中所占有的位置，然后重读所述的场存储器，并在所述存储器的存储位置含有的并与每一点相关的所有数据上执行一系列运算，该运算的结果能使这个点所反射或发射的波的大小成为已知，然后处理这个结果或将其存储在一个存储器中，所述的场存储器的所有行都并行地被读出，并且读出的数值均经受一次计算，以获得存储在一个图象存储器中的一个量值，该图象存储器包括多点，每点对应于一个读取寻址规律，该规律的参数随这个点的坐标而定，其中有多个阅读寻址规律与图象存储器的每一点相关联。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对于含有与每点相关的数据的所述场存储器的存储位置的计算是事先执行的，并且所述的相应的数值存储在寻址存储器中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的寻址规律是一种双曲线规律，对于所述场存储器中读出的数值的计算是加法运算。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的入射波是以脉冲形式发射的。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的入射波是以波链形式或以连续发射形式发射的，而且所选的双曲线规律以突出位于预定距离处的反射点。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射波的发射和被反射或被发射的波的接收是由同一装置执行的。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射波的发射和被反射或被发射的波的接收是由独立的装置执行的。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的入射波阵面是平面。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，入射波由不重叠的定向和/或聚焦波束组成，这些波束在接连发射的过程中更替以覆盖被探测的整个结构。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的入射波是通过独立的发射/接收装置的一个线性网络产生的。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的入射波是利用按照一种矩阵结构所排列的发射/接收装置产生的。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的入射波是借助随机布置的发射/接收装置产生的。

13.一种用于实施权利要求1所述的方法的装置，其特征在于，包括：一个探头，由多个发射/接收元件组成，每个发射/接收元件一方面经由两只头尾相接的导电阈值二极管连接到一个发射机，另一方面连接到一个模/数转换器，该模/数转换器的输出连接到一个场存储器的写输入端，该场存储器的读取由一个寻址存储器控制，该寻址存储器由一个时钟经由一个计数器来驱动，该场存储器的读输出端连接到一个加法器，该加法器的输出连接到受所述计数器驱动的一个图象存储器的写输入端，所述的寻址存储器与所述场存储器的每行相关联。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述图象存储器由一个显示装置来操作。

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