CN1194377A

CN1194377A - 手动和机械扫描超声成像系统

Info

Publication number: CN1194377A
Application number: CN 97109177
Authority: CN
Inventors: 蓝从庆; 李珑; 刘振林; 黄剑
Original assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date: 1997-07-24
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 1998-09-30

Abstract

本发明手动和机械扫描成像系统,涉及超声无损检测技术。本发明除具有常规的手动扫描成像功能外,还具有采用步进马达进行机械扫描成像的功能。本发明由探头、扫描器、微机、显示器、扫描驱动电源组成。机械扫描器由步进马达、导轨、丝杆、活动块及探头组成。其微机扩展槽装有专用的探头电路卡、手动扫描工作卡、机械扫描驱动接口卡及A/D数据采集卡。在程序控制下,得到实时波形及超声图像显示。

Description

手动和机械扫描超声成像系统

本发明手动和机械扫描超声成像系统，涉及超声无损检测技术，国际专利分类号为：GOIH。

到目前为止，超声无损检测技术在工业上应用最广的仍是A型脉冲反射式超声波探伤仪。但是，随着工业和科学技术的发展，其应用已从最初的无损探伤发展到无损检测和无损评价的阶段，人们已不满足对被检材料缺陷的定性了解，而且希望有直观的图像显示和定量分析的结果。为此，近年来，国内外都在积极探索一种用于工业材料无损检测的超声成像设备。但国外该类设备造价昂贵；国内虽有一些单位开展了这方面的工作，但只限于手动扫描，只限于B扫、C扫或P扫，没有超声反射层析成像的功能，没有合成孔径成像的功能。

本发明的目的在于克服目前该类技术的不足而提供一种手动和机械扫描超声成像系统，除具有常规的手动扫描成像功能外，还具有采用步进马达进行机械扫描成像的功能、超声反射层析成像的功能及合成孔径成像的功能。

本发明的目的是这样实现的，即由探头、微机、显示器、扫描器、及其驱动电源组成该成像系统，其微机的扩展槽内装有若干专用电路卡，在程序控制下，进行实时波形的显示及所需模式的图象显示。

图1为成像系统原理图。

图2为机械扫描器结构原理图。

图3为主程序流程图。

其中：1—控制中心、2—486微机、3—手动扫描同步工作卡、4—机械扫描驱动接口卡、5—A/D高速数据采集卡、6—超声发射/接收电路卡、7—驱动动源、8—手动扫描器、9—机械扫描器、10—显示器、11—鼠标、12—步进马达、13、14—导轨、15—丝杆、16—活动块、17—探头、18—主菜单、19—AB扫描、20—CB扫描、21—UCT扫描、22—手动扫描、23—系统信息、24—退出、25—设置参数、26—查看波形、27—开始扫描成像、28—扫描方向选择、29—检波选择、30—扫描长度和步长、31—数码存储选择及文件名、32—数码大小、33—最后灰度级、34—退出、35——设置参数、36—查看波形、37—开始扫描成像、38—步进方向选择、39—步进总长度及单步长、40—扫描总长度及扫描步长、41—选门宽、42—图像文件名、43—退出、44—设置参数、45—查看波形、46—开始扫描成像、47—扫描总长度及扫描步长、48—数码长度、49—投影数目、50—检波选择、51—图像存储文件名、52—最后灰度级、53—退出、54—设置参数、55—查看波形、56—开始扫描成像、57—检波选择、58—数码长度、59—数码存储文件名、60—最后灰度级、61—退出、62—对存盘后的数据作进一步的信号处理、63—超声成像、64—主菜单。

由图1可知，本发明由控制中心1、手动扫描器8、机械扫描器9、显示器10、鼠标11、驱动电源7组成。控制中心1是由一台PC486微机2及装入其扩展槽内的手动扫描同步工作卡3、机械扫描驱动接口卡4、A/D高速数据采集卡5、超声发射/接收电路卡6组成。机械扫描驱动接口卡4通过驱动电源7与机械扫描器9相连接，手动扫描同步工作卡3和手动扫描器8相连接，由计算机程序控制进行手动扫描或进行机械扫描选择。

由图2可知，机械扫描器由步进马达12、两个导轨13和14、丝杆15、活动块16及探头17组成。步进马达12的中心轴和丝杆15相连接。活动块中间有丝杆孔，两端有导轨孔，分别套在丝杆15及两个导轨13和14上。活动块16上固定有探头17，当步进马达12转动时，即带动丝杆15转动，使活动块16及探头17沿着导轨13和14方向移动。

手动扫描是按下面步骤实现的：用手动扫描器8的扫描臂将探头手动扫描时，其探头接收到的回波信号，经过超声发射/接收电路卡6及A/D高速数据采集卡5进行模数转换，变为数字信号送至微机2内存，并将手动扫描的位置信息经手动扫描同步工作卡3也送至微机2，进行实时波形显示及所需模式的图象显示。

机械扫描是按下面步骤实现的：在程序控制下，微机2经过机械扫描驱动接口卡4，又通过驱动电源7向机械扫描器9的步进马达12发出指令，使步进马达12带动探头17进行机械扫描，每走一步后将探头17接收到的回波信号，经过超声发射/接收电路卡6及A/D高速数据采集卡5，进行模数转换，变为数字信号送至微机2内存，机械扫描的位置信息，是通过程序预置的，随着机械扫描，系统进行实时A扫波形显示及所需模式的图象显示。

由图3可知，主程序流程是：

1、主菜单18分AB扫描19、CB扫描20、UCT扫描21、手动扫描22、系统信息23、退出24六项子菜单，用鼠标11选择所需子菜单。

AB扫描19子菜单有设置参数25、查看波形26、开始扫描成像27三个小子菜单。其设置参数25小子菜单后有以下程序，即设置参数25—扫描方向选择28—检波选择29—扫描长度和步长30—数码存储选择及文件名31—数码大小32—最后灰度级33—退出34。

CB扫描20子菜单有设置参数35、查看波形36、开始扫描成像37三个小子菜单。其设置参数35小子菜单后有以下程序，即设置参数35—步进方向选择38—步进总长度及单步长39—扫描总长度及扫描步长40—选通门宽41—图象文件名42—退出43。

UCT扫描21子菜单有设置参数44、查看波形45、开始扫描成象46三个小子菜单。其设置参数44小子菜单后有以下程序，即设置参数44—扫描总长度及扫描步长47—数码长度48—投影数目49—检波选择50—图象存储文件名51—最后灰度级52—退出53。

手动扫描22子菜单有设置参数54、查看波形55、开始扫描成像56三个小子菜单。其设置参数54小子菜单后有以下程序，即设置参数54—检波选择57—数码长度58—数码存储文件名59—最后灰度数60—退出61。

系统信息23子菜单后以下程序，即系统信息23—对存盘后的数据作进一步的信号处理62—超声成像63。

下面结合实施例作进一步说明。

1、本发明主要性能和特点如下：

·综合增益：60dB(因为系统用数学检波，故A/D变换器输入只需±1V。)

·频带：(1-20)MHz

·测量范围：(6-600)mm

·操作方法：移动鼠标。

·系统软件：用C语言和汇编语言混合编制而成，采取直接调用汉字库的方式，屏幕画面全部汉化，软件主控部分例如预置参数等均采用菜单及对话框等形式。

·另外，还采取了直接视频存取灰度或伪彩色显示等手段，能在同一屏幕上得到。

·同时实现A扫和B成象的实时显示。

·同时实现A扫和C成象的实时显示。

·实现超声层析成象(URCT)功能。

·可以实现综合孔径聚焦成像(SAFT)功能。

·有解卷积(TDD)，小波变换(WT)等信号处理功能。

·可对选定的扫描方式事先进行参数设置，在扫描前作波形观察。

·能对检测结果及时存储和打印。

2、本发明人机界面简单，易于操作。其中：

·A扫全波RF记录保证最全的原始信息，可按用户的要求对A扫射频信号或将其进行数字检波后的检波信号，实现实时波形显示。

·B扫将手扫或机械扫描得到的A扫射频信号进行数字检波，以检波信号调制计算机屏幕上相应各点的灰度，就可得到B扫图象的实时显示。

·C扫按C扫要求，将点聚焦换能器聚焦在被检物体内需要检测的某一层面，对检波信号进行距离选通，并调制计算机屏幕上相应的象素灰度，通过控制实现二维扫描就可得到C扫图象的实时显示。

·P扫按P扫要求，让斜探头在被测焊缝两侧沿着焊缝扫描，对回波信号进行数字检波，并调制计算机屏幕的像灰度，即可得到P扫的实时显示。

·UCT成像，按UCT成像要求设置参数取得一组数据后利用滤波后投影法进行重建，加进提高图象分辩率及降低图像噪声的信号处理方法如时域解卷积(TDD)方法，小波去噪(WT)方法，迭代方法等，便可得到清晰的UCT成像显示。

3、本系统除成像功能外，在扫描成像的过程中，可根据需要将接收信号数据存盘(硬盘或者软盘)及将图象信号数据存盘，便于查阅，也可以将这些信号作进一步的超声成像信号处理。本系统已将各种成像算法和信号处理方法融为一体。

本发明具有以下优点：

①所设计的发射、接收电路性能好，频带宽，噪声低，不用模拟信号检波电路，无因硬件检波电路造成的波形失真。

②A/D数据采集器速度高(50MHZ)，系统将采集的数据进行数字检波因而对发射/接收及回路的增益要求也低，保证了系统的稳定性。该采集器还可将手动扫描架上探头位置的信息通过角位移传感器的信号数字化，从而实现实时定位。

③软硬件相结合，可快速在线在役进行无损检测，实时显示A扫波形和相应的超声成像图象，直观显示被测材料的缺陷和特征。

④配备的鼠标灵活，人机界面简单、友好，易于操作。

⑤引用新的信号处理手段，如解卷积，小波变换，对特殊的部位可作进一步的后处理，提高了检测功能和成像质量，实用性很强。

⑥能将合成孔径技术与P扫相结合，提高了成像系统的横向分辩率。

⑦具有超声反射CT成象的功能，提出了沿平面扫描的迭代方法，对照射角受限物体同样得到了好的重建图像。

⑧具有数字存储和由外接打印机全图面打印输出的功能。

Claims

1、手动和机械扫描超声成像系统，由探头、扫描器、微机、显示器、扫描驱动电源组成，其特征在于扫描器有手动扫描器(8)和机械扫描器(9)；该系统以一台PC486微机(2)作为控制中心，它的扩展槽装有专用的探头(超声信号发生器和接收器)电路卡(6)、手动扫描同步工作卡(3)、机械扫描驱动接口卡(4)及50MHZ的高速A/D数据采集卡(5)；机械扫描驱动接口卡(4)通过驱动电源(7)和机械扫描器(9)相连接，手动扫描同步工作卡(3)和手动扫描器(8)相连接，由人机界面以对话方式选择手动或机械扫描方式。

2、按权利要求1所述的手动和机械扫描超声成像系统，其特征在于机械扫描器由步进马达(12)、两个导轨(13、14)、丝杆(15)、活动块(16)及探头(17)组成；步进马达(12)的中心轴和丝杆(15)相连接；活动块中间有丝杆孔，两端有导轨孔，分别套在丝杆(15)及两个导轨(13、14)上，活动块(16)上固定有探头(17)，保证探头(17)沿着导轨(13、14)方向移动。

3、按权利要求1所述的手动和机械扫描超声成像系统，其特征在于手动扫描是：用手动扫描器(8)的扫描臂将探头手动扫描时，其探头接收到的模拟回波信号，经过超声发射/接收电路卡(6)及A/D高速数据采集卡(5)，进行模数转换，变为数字信号送至微机(2)内存，并将手动扫描的位置信号经手动扫描同步工作卡(5)也送至同一个A/D高速数据采集卡(5)，再送至微机(2)，进行实时波形显示及所需模式的图像显示。

4、按权利要求1所述的手动和机械扫描超声成像系统，其特征在于机械扫描是：在程序控制下，微机(2)经过机械扫描驱动接口卡(4)，向步进马达(12)发出指令，使步进马达(12)带动探头(17)进行步进机械扫描；在步进扫描的每一步都将探头(17)接收到的摸拟回波信号，经过超声发射/接收电路卡(6)及A/D高速数据采集卡(5)，进行模数转换，变为数字信号送至微机(2)内存，并与机械扫描的位置信息相对应，进行实时A扫波形显示及所需模式的图像显示。

5、按权利要求1所述的手动和机械扫描超声成像系统，其特征在于主程序流程是：

(1)主菜单分AB扫描(19)、CB扫描(20)、UCT扫描(21)、手动扫描(22)、系统信息(23)和退出(24)6项子菜单；用鼠标(11)选择所需子菜单；

(2)AB扫描(19)、CB扫描(20)、UCT扫描(21)、手动扫描(22)子菜单都有设置参数、查看波形和开始扫描三个小子菜单，用鼠标(11)选择所需小子菜单；

①首先选择设置参数，确定后即退出该小子菜单；

②进入查看波形，选择所需数码的大小及位置，确定后退出该小子菜单；

③进入开始扫描成像，得到所需实时波形的显示和超声图像的显示。