CN1296723C - 处理代表体结构的波信号以探测和分析该结构的方法和装置 - Google Patents

Abstract

为了探测和分析物体(O)的结构，根据本发明的方法包括向所述结构中至少发射一束入射波，由多个独立的探测元件(D1，D_n)接收由该结构重新发射的波；在对这些探测元件提供的数据进行数字转换之后存储在一场存储器(MC)中；对于物体(O)中的每一点(Pij)，计算由这些探测元件(D1，D_n)所探测的对应于来自上述点(Pij)的波的信号在该场存储器中占据的位置；然后读取场存储器，并累加对应于各点(Pij)的存储器位置中含有的所有值，该值(V_p)代表来自上述点(Pij)的波的重要性，是通过对累加结果乘以一校正因子(K)得到的。

Description

处理代表体结构的波信号 以探测和分析该结构的方法和装置

技术领域：

本发明涉及一种用于处理代表体结构反射、透射或折射波的信号以便探测和分析该结构的方法和装置。

它特别应用于，但非专门用于制造例如回响声设备、无损探测仪器、声纳甚或雷达设备等设备。

背景技术：

该类型的传统仪器通常采用向待检测介质或环境中发射一束入射波的发射装置，以及接收由该入射波所遇结构反射的入射波的接收装置，此接收装置可以利用全部或部分透射装置(零差式系统)。还设有另一装置以转换和处理由该接收装置接收的信号，并将其以用户可以利用的形式加以提供，例如以图象的形式使引起入射波反射的障碍物的位置能够测定。

此方法广泛用于获得这些结果，其要点在于根据在给定方向发射脉冲(发射)的方法采用脉冲波，探测返回的回声，测量发射和接收之间经过的时间，以及推算其距离并由此得出产生各回声的障碍物的位置。根据预定的扫描规则，对不同的方向重复此发射过程。

一旦进行此扫描，就有可能产生图像，例如在一传统显示系统上，从而显示由回声探测到的障碍物以及已知是谁的位置。

大量这种类型的仪器采用所谓的“顺序逼近法”，提供以由运动波束对结构的逐线检测，在每次发射之间移动探测线。

在这些情况下，检测速度随探测束截面及脉冲频率的增大而增大。但是碰巧，其波束截面受所需空间分辨率的限制，而其脉冲频率受全部反射回声返回探测器所需时间的限制。

举例来说，为了以3mm的分辨率检测一块我们试图在其中探测1mm直径缩孔的铝板，其波束截面几乎不能超过2mm，并且考虑到混响现象其脉冲频率必须低于1000Hz。

在这些条件下，其表面检测速度不超过每秒2mm×2mm×1000＝4000mm²，即4/1000平方米，这相当于每小时4/1000×3600＝14.4m²。在生产链的终点，此速度常常太低到这样的程度，降低了生产量，从而需要同时运行数个设备。

在大量其它应用(管道检测，在线铁轨，等等)中，这种局限甚至更显关键。

为了弥补这些局限，已有建议向待探测物体发出由一探测器产生的较大截面的大致平面波，该探测器由一网络构成，该网络包括多个小尺寸(最好小于一个波长)的发射/接收单元，以具有很大的辐射特性图；这些发射单元被同时并联触发(attack)。从接收角度看，各发射/接收单元独立工作，因而独自接收由阻挡位于其接收区域波束的障碍物反射的波。在数字转换之后，由这些发射单元提供的数据(反射波场)被存储在存储器中，对该存储器读取的方向与对其写操作方向相反。

然后将此读取信号提供给一个用于重建反射波场的装置，该装置包括多个按照类似于所述探测器的发射/接收单元结构分布的发射单元。对应于发射/接收单元对存储器写入信号的传输，将该读取信号提供给这些发射单元。

重建装置的目的在于，在一辅助环境中再现反射波场，以便再现物体图象，其分辨率取决于入射波波长和探测元件的尺寸。

在入射波为超声波的情况下，其最简单解决办法为在一光学透明环境中形成图象并且以施利仑法(Schlieren′s method)观看。

然而，此方法不易于工业应用。另外，它不是线性的并且不能对高频成分再现。

根据另一方法，图象由一第三探测器接收，并且对读取频率加以调制，使得结构图象在其相应信号抵达该探测器上时也得以聚焦。

实践证明，此系统复杂并且需要非常宽带的探测器。而且，信号在通过三个序列探测器之后发生恶化。另外，在发射波弯曲或环行时还会产生更多困难。

发明内容：

本发明的主要目的在于弥补上述缺陷。

为此目的，它基于如下观点，在例如上述方法中，待探测物体的各点增强了存储于场存储器地址中的波，该场存储器地址以双曲线弧的形式分布，其双曲线特性取决于该点相对于探测器的位置以及各元件的辐射特性图(该双曲线在点位于正对探测器处的情况下理论上被简化为两条渐近线)。

在探测器与待检测部分之间插入液体中继器的情况下(通过浸液控制)，所存储的波的分布曲线并不必然为双曲线，因为波的路径由于不同传播介质间的折射作用而更加复杂。在被探测材料从传播速度角度看为不均匀时，会发生类似现象。术语“双曲线”以下通指所有这些曲线。

因此，根据本发明的方法，一方面在于对待探测物体的各点计算场存储器中的读取地址，关于该点反射波的数据存储在场存储器中，这些地址根据取决于该点相对于探测器的位置的双曲分布规则分布于场存储器中；并且，另一方面在于根据各分布规则对场存储器重新读取，以便获得关于由该物体相应点反射的波的数据，并且在于使对这些数据进行计算的结果对应于该点。

所有场存储器中的行，即含有涉及分别由各接收区传送信号的数据的区域，都同时被重新读取，并对其值进行数学运算，例如加法操作(或者直接以数字形式，或者在数模转换之后以模拟形式)以得到值Vp。若信号已经过对数放大，则该加法操作与该信号的原始乘法相对应。

将值Vp引入一图象存储器中，该存储器包含多个点，每个点对应一场存储器读取规则(例如双曲线)，其参数取决于所述点的坐标。

考虑到对于各点实时计算其读取规则费时过久而难以进行的事实，可预先进行此计算并将此计算结果存入与场存储器各行相连的地址存储器中。

读取过程如下进行：

对于图象存储器的每一点，其对应坐标并联传送至所有地址存储器。后者立即并联提供各场存储器行的地址以便能够产生相应的读取规则(例如双曲线)。其对应值Vp然后被存入图象存储器中所述点的地址处。

当对应于待分析结构的某点的一些场存储器地址被并联读取时，本方法使得能够迅速获得优质图象。

然而，当该结构上易于反射波的点数远大于探测元件数时，由于该结构反射的场采样过疏的事实而在生成图象上出现赝象。

在理论上，超声脉冲通常包括几个振荡周期，其信号交替变为正的和负的，其结果是其连续分量为零。在这些情况下，易于证明，如果对应于被分析结构的一给定点的场存储器读取地址，与实际含有对应于该点重新发射波信号的双曲线分布地址并不完全一致，则这些读取地址依次包含正负数据，其总和为零。然而，这只有在满足如下条件时才严格正确：

1.探测元件数量足够多且彼此靠近(空间采样)，且

2.采样频率相对于超声频率较高，以便获得大量的采样声平(时间采样)。

在相反情况下，对于被分析结构空区中的点可获得非零值。

通过提高探测元件数量并使其靠近在一起的解决办法需要一个庞大而昂贵的装置，从而不可能采用需要极大量探测元件和很强功能的存储器的矩阵探测器。

为了弥补此缺点，本发明建议对根据对应于物体各点反射波的分布规则对场存储器中读取的数据进行计算的结果施加一校正因子。

该权重因子最好随场存储器中读取的非零值数目与这些非零值的理论最大数目之间的关系而改变。

另外，为保持良好的分辨率，各探测元件必须具有十分开放的辐射特性图，通常意味着这些元件必需具有很小的尺寸，最好小于一个波长。然而，若元件很少，则其整个接收面积也很小，从而损失了灵敏度，这与需进行的分析是不相宜的。

根据本发明的一个方面，这里提供一种用于探测和分析介质的结构的方法，利用一组多个彼此独立的探测元件来检测来自所述介质的各点的波，其特征在于，所述的方法具有一个测量阶段，该测量阶段包括以下步骤：向被分析的所述介质发射至少一束入射波；接收来自所述介质的结构内的由所述入射波遇到所述结构的并被所有探测元件检测到的波；将由所述探测元件提供的信号数字化成为数字化数据，并将该数字化数据存入一个场存储器中，所述的场存储器具有二维结构，并包括多个行和列，所述的数据与由每个所述探测元件所检测的波相对应，并存储在所述场存储器的相应列中；和为所述介质的各点读所述场存储器，并累加包含在所述场存储器中与所述点有关的地址处的所有数据，所述的地址已存储在一个寻址存储器中，并将累加的数据乘以一个校正因子从而得到一个数值，该数值代表从所述点来的波的重要性，所述的方法还具有一个初始化阶段，在所述的测量阶段之前执行，该初始化阶段包括以下步骤：为所述介质的每点将所述场存储器中含有与来自所述点的并被所述探测元件检测到的波相对应的数据的所有地址确定作为与所述探测元件的各自位置相对于所述的点的位置的一个函数；和将每点的所述地址存储在所述寻址存储器中。

根据本发明的另一个方面，这里提供一种用于探测和分析介质的结构的装置，其特征在于，包括：一个探测器，由多个独立的发射/接收单元组成，每个发射/接收单元经由两个头尾相接的导通阈限二极管连接到一个波产生器，并且每个发射/接收单元连接到一个模/数转换器，所述的模/数转换器的输出端连接到一个场存储器的写入端，对所述场存储器的读取是由一个寻址存储器控制的，所述的寻址存储器由一个时钟通过一个计数器来驱动的，所述场存储器的读输出端连接到一个加法器，该加法器的输出端经由一个校正装置连接到由所述计数器驱动的一个图象存储器的写输入端，所述的校正装置由用于计数从所述场存储器中读出的并超过一个预定阈值的数值的个数的装置来驱动的。

根据本发明，其探测元件尺寸可大于一个波长，并且都装有可提高其孔径的装置，该装置可以由微透镜或球冠构成。

由根据本发明所述装置的实施例会清楚本发明的其它特点和优点，该实施例是非限制性的，并参照了相应的附图。

附图说明：

图1为用于探测和分析一种体结构的装置的理论图；

图2为说明图1所示装置工作原理的简略图；

图3简略表示了场存储器以及该存储器中由探测元件接收的回声的双曲线分布；

图4表示图1所示装置的另一实施例；

图5表示的实例曲线，说明可被施加于根据本发明方法得到的测量值上的校正因子值，该因子是接收给定点回声的探测器数目的实际值与理论值之间关系的函数。

图6表示由一探测元件发射和接收的来自距探测器不同距离处两点的回声的采样值时间分布；

图7表示由图6所示两点混响的回声在存储器中的公布；

图8a和8b分别简略表示根据现有技术和根据本发明的探测器及探测元件的辐射特性图；

图9表示根据本发明的矩阵探测器。

具体实施方式：

图1所示的装置可用于采用脉冲反射的超声装置中，以便进行材料的无损监测或医学成象。

它采用一探测器1，由包含多个小尺寸(1mm)发射/接收单元D₁至D_n的直线条组成，这些发射/接收单元的数目例如可为128。于是，同一探测器1既可用于发射也可用于接收。

一方面，各单元D₁至D_n通过一前置放大器A和一模数转换器CAN连接至某一区域，此例中即为一场存储器MC的相应行L₁…L_n；而另一方面，通过两个头脚相接的二极管2，3连接至一发射器E，并且具有例如零点几伏的导通阈值。

这样，当发射器E发射而提供可高达约一百伏的AC电压时，二极管2、3及其相关的全部发射/接收单元D₁至D₉实际上高度导电，表现为短路，其结果是全部单元D₁至D₉由发射器E并联激发，因而产生一平面波。

相反地，在接收时，各单元D₁至D₉独立工作和启动与之相连的前置放大器A。实际上，由这些单元探测的信号是弱信号(几十毫伏)。

此结构通过将前置放大器与发射电路隔离，还具有降低输入噪声的优点。

各前置放大器A然后启动相应的模数转换器CAN，其数字信号被存储于场存储器MC的行L₁至L_n中，其写入地址由寻址存储器MA提供，寻址存储器MA本身则由受时钟CK驱动的一计数器CR寻址。该计数器CR和该时钟CK为寻址存储器MA和场存储器MC所共用。

在场存储器MC中进行写操作时，其行L₁至L_n由计数器CR直接并联寻址。也可独自对其寻址，以便允许采用例如特殊排列的探测元件或特殊的发射束形式。

在写操作中采用的存储器位置数N_o最好选自2的乘方，即512，1024等。

若N_o等于例如512，则此场存储器的位置0至511被写入。

紧随写操作之后，存储器L₁至L_n即通过受计数器CR第10位控制的触发器B切换至读取位置。

从地址512起，寻址存储器MA由计数器CR寻址从而同时应用其位置地址读入场存储器的行L₁至L_n中，以便确定待建立图象各点P′_ij的值。寻址存储器MA中含有的地址经过计算，使得被寻址的存储器位置符合一既定曲线(读取双曲线)。

同时，从地址512起，计数器CR访问一存储器Mi(图2)的位置P′_ij。该存储器Mi的各点P′₁₁至P′_nm对应于被检测物体O的位置P₁₁至P_nm，使得该“图象”存储器Mi能被随后画出，以提供物体O的图象。

对于这些点P′₁₁至P′_nm中的每一点进行计算，以确定由被反射的超声脉冲在场存储器的行L₁至L_n中占据的位置，并考虑到发射场的形状，数字转换频率，声速，以及物体相对探测器的位置。因此，对于对应于图象存储器Mi中点P′_ij的物体点P_ij来说，可根据由阴影线表示的双曲线设置其在场存储器MC中占据的位置。

如果探测器1与物体直接接触，则数字转换可与发射同时开始。当与一声音中继器一起工作时，数字转换的开始可延迟一段等于中继器中发出和返回路程的时间。

在不同存储器中读取的数值(例如在关于点P_ij位于双曲线H上存储器行的单元中含有的数值)在累加电路S中进行累加，并送往存储器Mi的选定位置(例如位置P′_ij)。

这样，图1中电路应用如下关系：

${P^{\′}}_{\mathrm{ij}}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{K,l},$ 其中l＝f_i，j(k)                                       (1)

A_k，l为存储于场存储器MC的行L_K的位置l处的采样值，且

f_ij(k)为场存储器的行L₁至L_n中的采样位置，位于双曲线上对应于点P_ij处。

如前面所述，存储器Mi中含有的数据可以以不同方式采用。

可用其在传统型观看屏幕V上形成图象。

这些数据还可通过例如逻辑电路加以处理，以便能够识别和记录在无损检测时探测到的缺陷类型。

寻址存储器MA可以是只读型的(ROM，PROM)，只进行一次编程。然而从操作的速度和灵活性角度看，最好采用在安装后能重新编程的存储器，例如EPROM或RAM类型。

然后程序可以在启动时执行。可由一微机进行预先计算，它是检测条件和所用探测器类型的函数。其数据还可被预先计算并存储于磁盘或PROM上。该结果随后以传统方法传送至存储器MA。该传送可以非常迅速(几秒)。

下面参照图2说明寻址存储器MA中计算地址的方法。

让我们取一点P_ij，位于距探测器单元Di垂直上方的探测器距离为d处，对于点P_ij使图象存储器Mi的位置P′_ij与之对应，并因而由计数器CR提供一地址。

令X为由所考虑单元例如D₂至点P_ij垂直上方的单元Di的隔开探测器1的距离，并且令c为物体介质中的音速。

如果我们假定探测器1发射的波为平面波并垂直于探测器1的表面传播，则一脉冲在经点P_ij反射后抵达探测单元D₂所用时间t(x)，等于发射波抵达P_ij所用时间即d/c，加上波在P_ij与单元D₂之间所用时间即〔(x²+d²)的平方根〕/c：

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

若写频率用f表示且写操作与发射同时开始，则反射信号将存储于场存储器MC的位于X轴上位置f.t(x)处的单元中。

正是f.t(x)值将输入存储器MA用于读取操作。

如果波不是垂直于探测器传播(以倾斜入射采样)或者如果波不是平面波(扇形采样时的圆波)，则该计算以非常类似方式进行，唯一的改变在于波抵达点P_ij所用的时间。该时间不仅取决于d，还取决于点P_ij相对于探测器1的横向位置。如果波是倾斜的，则该时间将作为其横向位置X_p的函数作线性变化，发射波抵达点P_ij所用时间等于：

$\frac{d\·\cos \mathrm{\θ}+X_p\sin \mathrm{\θ}}{c}---\left(3\right)$

θ为所发射波束相对于探测器1法线的角度。

如果探测器1产生的波为连续波或准连续波，或者这些波的波列形状具有覆盖整个物体的足够持续时间，则各点将提高反射波的持续时间，使得其实际上存储于存储器MC行的每一位置上，并且对应于不同点的数据将互相叠加。

从而认为一“片”这些存储器将含有对应于物体的全部数据，假设该片足够“厚”以容纳最大量双曲线。

因而该单片的读取理论上应足以重现物体的图象。

可通过逐渐修整读取双曲线的形状进行该读取操作，或者通过“聚焦”在位于给定距离的区域上。

然后必须对信号进行更高数量级的数字转换，以便能够很好地分辨所获得的不同数据。

为简化电子线路，还可设想存储器MC在写操作过程中被依次寻址，并且总是并行进行重读(在此情况下只需一个前置放大器和一个模数转换器)。

访问速度因而可显著提高，但其分辨率仍保持较高。在速度不是优先因素时可以考虑此解决办法。还有可能设想这两种方法的结合：按存储器组并行写入，并依次对这些组寻址。

在上述实例中，在探测前存储超声信号，因而是以高频率水平存储的。采样频率必须至少等于超声频率的三倍，例如对于3MHz的超声波应为10MHz。

因此，在希望探测钢中20cm的深度时，其发出和返回路程的最大持续时间，在6mm/μs的速度下大约等于60μs，即每线600点采样。

对于100线的图象，将需要计算600×100＝60,000点。此时，该计算仅仅是附带一加法的存储器读取操作。

通过使用现代电路系统，该操作可在1/100微秒内完成。因而其整个图象可在60,000/100＝600微秒内计算出来。

存储该场将需用60微秒，对一幅图象的整个访问时间因而等于660微秒，其图象频率可超过1000Hz。

如果此频率证明不够，可通过如下几种方法加以提高：

a)将场存储器分成并行读取的几个子存储器；

b)选择和只处理含有有用数据的存储区。

应当指出，超声波常为含有几个半周期的短暂脉冲形式。因而采用几条贯穿这些半周期的读取双曲线可能是有利的。如果脉冲较短，仅包含一个全周期，则可采用一双曲线以重读其正半周并在离开对应于一个半周期的距离处重读其负半周。若这些读取操作后获得的值为P_p和P_m，则值P＝Pp-P_m将被记录下来。此解决办法既可提高该系统的信噪比也可提高其分辨率。这两次读取可相继进行，但有损于速度，或者采用两个存储器组同时进行。

根据本发明的方法比顺序逼近法具有大量优点。

速度：与采用顺序逼近法每次发射可探测面积3×3mm相比，本发明每次发射可探测相当大的面积，例如100×5mm。

检测速度相对于顺序逼近法成50或100倍增加，实是非常显著的增加。

此系统的检测速度使其有可能采取大量应用，例如三维成象或多普勒成象。

尽管由于传统矩阵探测器包含大量元件使其电路系统非常繁琐，但如果采用矩阵探测器会容易地实现三维成象。然而，通过将这些元件随机分布在探测器表面上，可显著降低其元件数目，从而允许元件隔开更大的间距而不使虚假波瓣变得突出。采用直线形探测器，通过在每两次发射之间移动切割平面，可迅速地记录一系列平面。在100Hz频率时，1000个切割平面可在1/10秒内得以存储。然后可利用这些存储信息获得三维图象或沿任何平面的剖视图。

至于多普勒成象，其应用于多普勒成象缘于连续图象可以比较的事实。由于记录了其高频信号，因而两幅图象之间非常小的差异可以被检测出来(例如通过相减)并加以展现。

分辨率：此系统以很大的数值孔径工作。实际上，空间分辨率仅受两个值中较大者的限制，即波长或元件尺寸。从而，在一个引述的实施例中，此两值中较大者为波长，即2mm。在频率为10MHz时，此两值中较大者为元件尺寸，此例中为1mm。

再现性：该系统灵敏度随待探测障碍物位置的变化很小，其发射场为平面波形式。另外，灵敏度随位置的变化可以计算出来并因而得到校正，因为各障碍相对于探测器的确切位置是已知的。

该系统可以任何形状(平面的，倾斜平面的，圆柱面的)的发射波波前工作。在每一种情况下，读取双曲线的形式只需根据其位置计算。

然而，刚巧当物体O中反射点数目远大于探测元件Di的数目，因而远大于场存储器MC中行L_i数目时，由于反射场采样过疏会出现赝象，在对应于物体O空白区域的点上可获得非零值。

因而，如图3所示，物体O中的点P_ij反射一双曲面波，随后出现在位于场存储器MC不同行L_i中的位置Ai(i为1至n-1的变量)处。如果读取双曲线H1与写入场存储器中的双曲线Ai一致，则相应象点的值处于最大值，它等于该存储器中读取的值的总和。

如果我们考虑物体O中因为处于空区而不反射波的一点，则其相应的读取双曲线会截取对应于由物体中一点所反射波的另一读取双曲线的值。因而，在图3中，双曲线H2交双曲线H1于点Aj和Ak处。因而对于物体空区中对应于双曲线H2的点计算的值不为零。因而在图象存储器Mi中，我们将获得低幅度的虚假点，它降低了由此形成的图象的象质。

为弥补此缺陷，可使探测器1的接收单元数量更大并互相更加靠近，从而可提高其采样频率。然而，此方法非常昂贵，使得采用矩阵探测器不切实际。

根据本发明，所需做的是对累加电路S的输出端获得的值施加一较正因子，该较正因子作为等于N_r与N_t间关系的相关因子的函数随其变化，其中N_r为由相应读取双曲线在场存储器MC的行L_i上截取的非零值读出数目，N_t为由读取双曲线截取的场存储单元数目所对应的理论最大数。理论上，该相关因子值为1。然而实际上，小尺寸的或占据特定位置的某些障碍物能反射较弱的波，此时相关因子会低于1。

图4表示图1中所示电路的另一实施例，它能应用该原则。在该图中，比较器C₁，C₂，C_n分别连接至场存储器行L_i与累加电路S间的连接总线上，以确定其读取值是否为零。为此目的，可忽略其值的一个或多个不重要的位数。比较器的输出通过电阻R₁，R₂，R_n施加至模拟求和积分器。该求和积分器的输出电压成正比于场存储器MC含有非零数据或不接近零数据的行L_i数目N_r。该输出电压施加至另一比较器7的输入端，该比较器的另一输入端连接至可通过一电位器P调节的参考电压源V_r。该比较器7的输出控制一门6，该门6使累加电路S的输出对于用户电路(例如图1所示图象存储器Mi)可以有效或无效。因而，当配有电阻的求和积分器的输出电压超过参考电压V_r时，比较器7提供一电压释放此门6。

参考电压V_r可随物体O中相应点相对探测器1的位置而改变。因而例如通过对其编程，根据被分析点的位置调整此电压是有利的。因此，该电压可随对于物体O中各点应当含有非零值的场存储器行L_i的理论最大数目N_t而改变。

实际上，参考电压值V_r选择等于N_t的0.6至0.8倍是一个好的折衷办法。

作为另一最佳实施例，由比较器7和门6组成的全有或全无阈限装置可替换成根据比率N_r/N_t对累加电路S的输出施加更平缓校正的装置。

图5表示限定作为比率Nr/Nt的函数施加的校正因子值的几种可能曲线。曲线F1对应于图4所示电路。曲线F2表示校正因子正比于比率Nr/Nt的情况，而曲线F3对应于此因子K随比率Nr/Nt作指数变化的情况。

为获得这些校正，只需以考虑到值Nr和Nt的带有转换功能的电路来代替比较器7和门6。

上述模拟电路当然可替换为完全的数字电路。

应当指出，访问速度取决于在待分析物体O方向上由探测器1发生的采样脉冲频率，该频率本身受发射波发出和离物体O最远的障碍物反射波返回路程的持续时间的限制。

这样，在为探测远距离(几千米)目标进行的水下探测情况下，其发出和返回路程的持续时间可长为数秒。

图6和7表示此现象。在图6中，表示了包含一接收元件D1的探测器1，所述探测器朝向一显著包括两点P1和P2的物体发射，它们将回声反射向探测器1。与这些元件相一致，画出了由探测器1的元件Di发射和接收的脉冲的时间分布函数的曲线。与发射脉冲E1相对应的是分别由点P1和P2重新发射的被接收脉冲R11和R12。如果其后的脉冲E2在探测器接收到由点P2返回的脉冲R12之前由探测器发出，则该脉冲R12将与脉冲E2之后由物体特别是由点P1返回的脉冲相混，例如与R21相混。

因此有必要在发出下一脉冲之前，等待由物体所有点重发的波实际返回，否则就有来自几个相继脉冲的回波在接收元件Di的平面上混在一起的危险。

实际上，上述解决办法可克服此现象。如上所述，待分析物体上每个重新发射点返回一双曲形波，能在场存储器MC中随后找到。

图7表示场存储器MC中的行L_i，场存储器上重叠有分别由点P1和P2返回并分别对应于图6中脉冲R21和R12的双曲面波H1和H2。可以看到这些双曲线具有非常不同的曲线。本发明利用此现象以提高其发射频率，并注意到对于待分析物体O上的每一点都对应有场存储器中一条单一读取双曲线，而不管该点在物体中的位置。

当波传播时间长且所接收到的回波数有限时，例如在水下探测情况下，这种安排特别有利。

当然，在矩阵探测器情况下，包含有探测由物体点返回波用的元件接收到的值的场存储器地址，分布在一旋转双曲面上。

实施本发明的装置，因而能够以很高的访问频率进行结构的体分析。

为进一步改善此方法，应当指出，为了保持良好的分辨率，各元件必须具有非常开放的辐射波谱，通常指探测器1的探测元件Di尺寸很小，其尺寸最好小于波长。若有很少元件，则探测器1的整个接收面积也很小，从而损失了灵敏度，这是非常不利的。为弥补此缺陷，本发明提议采用超过一个波长尺寸的探测元件，与之关联有微透镜或球冠形元件，以提高元件的孔径而不改变其尺寸或灵敏度。

这样，如图8a所示，探测元件Di通常具有小于20°的孔径角α。如果其上加有透镜或球冠11，如图8b所示，其孔径角α′可显著增加(超过120°)。

本解决办法使得有可能以合理的成本制造矩阵探测器。图9表示根据本发明的这种探测器的一个样品实施例，其探测器1′具有矩形的发射表面，并且在其发射表面上随机分布有有限数量的发射和探测元件Di。

另外，当希望以可接受的分辨率和足够的探测灵敏度覆盖一扩展扇区(例如60°)时，必须在整个扇区内以高发射功率进行发射。则本方法将在发出连续发射时进行扫描。然而，在长距离水下探测的情况下，扫描会导致很长的访问时间，在试图探测高速运动目标时这是一个严重障碍。

但是，现代长距离探测器采用超声传感器矩阵来发射窄波束，并通过作用于探测器不同元件间的相移来引起波束的角位移。

根据本发明的解决方法，包括进行窄波束的连续发射，并在每次发射之间调整所述波束的方向，以覆盖整个待探测扇区。

在接收时，对分别由探测元件探测的所有信号进行数字转换并加以存储，如上所述，存储于场存储器的相应行中。

由于探测距离相对于探测器尺寸很长，故对应于障碍物的数据在场存储器中沿双曲线弧分布，该双曲线可以与直线近似。

应当指出，这些直线的倾斜度取决于用以探测相应障碍物的所发射波束的方向。因而在重新读取场存储器时，有可能精确确定所探测障碍物的方向。

传统探测器在发射和接收平面都是有方向性的。采用这种探测器，因而有必要在改变探测器方向之前等待给定方向发射的脉冲的所有回波都已返回。然而，上述探测器发射窄波束但能在很窄角度内接收回波。在这些情况下，可以以很高的频率重复发射，而与脉冲发出和返回路程所需无关。

让我们举一个千米测量距离的声呐例子，其工作在100KHz的频率上，带有一个3米宽、50cm高并具有200个传感元件的探测器。该探测器发出在水平面内为1/200弧度(即0.6°)和在垂直面内为3.6°的波束。如前面所指出的那样，可在各元件之前设置声学透镜以提高其发散性。

采用此声呐，通过对探测器元件发出的信号的电子相移，可使发射波束在相对于垂直探测器的轴从-Δθ到+Δθ变化的一角度上定向。如果每次1ms发射后对波束的方向调整0.5°，即扫描速度V_b＝0.5°/ms，则当Δθ等于例如45°时，待探测扇区可在180ms内被全部扫描完毕。

但是，在继续进行另一扫描之前必须等待直至所有回波都已接收到。这样，在海洋环境中对于d＝1km范围，该等待时间t具有最大值2×d/V_t，(其中V_t为声音在海洋环境中的传播速度，其值为1500m/s)，即1.33S。考虑到安全系数，扫描可每2S进行一次。

让我们假定已检测到两个障碍，第一个位于距离r1＝600m角度θ1＝-40°处，，而第二个位于距离r2＝500m角度θ2＝+40°。时间的零点对应于扫描开始，则第一障碍将在时刻t1＝(θ1+Δθ)/V_b＝10ms遇到被发射的脉冲，而第二障碍将在时刻t2＝(θ2+Δθ)/V_b＝170ms遇到被发射的脉冲。

反射脉冲抵达探测器中央所用时间将分别等于2×r1/V_t＝0.8S和2×r2/V_t＝0.666S。我们因而得到如下抵达时刻：

$t^{\′}1=\frac{(\mathrm{\θ}1+\mathrm{\Δ\θ})}{V_b}+2\×\frac{r1}{V_t}=0.81s---\left(4\right)$ 及

$t^{\′}2=\frac{(\mathrm{\θ}2+\mathrm{\Δ\θ})}{V_b}+2\×\frac{r2}{V_t}=0.83s---\left(5\right)$

在此特殊情况下可以看到，对应于最远处障碍物的回波在对应于最近处障碍物的回波之前抵达。

在由计算电路处理接收到的回波时，可以以一系列按与不同发射角相对应的角度倾斜的直线对场存储器进行搜索。当读取线与记录线一致时，其相应信息便写入图象存储器Mi。写入图象存储器中的点的坐标，因而随此线倾斜角(即障碍物的方向)以及在存储器中的位置改变而改变，该坐标通过对应于该方向上的发射时刻的时间改变而得以校正。

对应于该环境中被探测点Pr，θ的点P′r，θ的值可得到如下：

$P^{\′}r,\mathrm{\θ}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{K,l},$ 其中 $1=k\×\cos \mathrm{\θ}+C\×(\frac{2r}{V_t}+\frac{\mathrm{\θ}}{V_b})---\left(6\right)$

其中A_k，l为存储于场存储器MC的行L_K的位置l中的采样值，以及

C为常数，取决于转换器CA的采样频率。

由于事实上l与k之间的关系简单，存储在场存储器MC中的采样地址(待累加以得到图象存储器Mi中的点的值)，因其图象是在图象存储器Mi中构成，故可利用对于每个发射角θ和场存储器的每行l_k详细确定了k×cosθ值的常数表加以计算。

图象存储器中含有的图象可以扇形形式显示(即在极坐标中：r，θ)，或者进行转换处理以便用直角坐标显示。

本发明还能解决在短距离探测(例如100mm)时遇到的问题。

当探测器尺寸相当大时(100mm长条)，超声波场在发射表面附近受到很大干扰，并且其平均强度降低，从而使其探测灵敏度降低。此现象可通过对不同元件进行幅度加权加以校正，但这种解决办法仍不理想。

另外，当存在大量障碍物时，例如在医用回波扫描或回波描记术中，在所得图象中会出现赝象。

此问题的一种解决办法在于减小发射表面，通过在发射时开关探测元件和通过对于每次发射移动此表面的位置实现。这会产生动态探测波束的相同效果。但因而显著地降低其访问速率。此缺点可通过同时发射充分隔开而不互相干扰的若干波束得以缓和，其方式可为例如在较少次数发射中扫描整个物体。

例如，如果对于1000mm宽的探测器采用10mm宽的波束，将会需要20次连续的单束发射，其波束间伴有50％的重叠。如果同时发射间隔20mm的五束波束，则四次发射就足够了，尽管建立图象的速率要除以四。

本发明使得此结果能够得到改进。为此目的，它基于如下观点：

在例如医用回波描记术中，其发射频率可显著高于图象处理频率。因而，为检测深至100mm的结构，其脉冲的发出和返回路程的最大时间为2×0.1m/1500m/s，即0.13ms。在人体中，对超声波的吸收很高，所以实际上不存在混响。因而能以5000Hz的频率进行发射，而以现今技术重建图象的频率不会超过约1000Hz。

因此有可能通过采用大容量的场存储器MC来记录该存储器相应区域中几次连续发射(例如四次)之后获得的采样值，并且随后进行处理。这些场存储器区域中每个仅含有涉及待重建图象的1/4的数据。因此，可对其迅速得多地进行处理(在四次连续发射的情况下快四倍)。

在此实例中，一个搜索和处理周期可在2ms内进行，它对应于500Hz的频率，通常已足够了。

然而，通过采用两个场存储器MC或一个具有两倍容量的的场存储器，以便能使一个存储器或其一部分存储采样值，而使另一存储器或此存储器的另一部分用于处理电路，还可使此频率加倍。

Claims (23)

1、一种用于探测和分析介质的结构的方法，利用一组多个彼此独立的探测元件来检测来自所述介质的各点的波，其特征在于，所述的方法具有一个测量阶段，该测量阶段包括以下步骤：

向所述介质发射至少一束入射波；

接收来自所述介质的结构内的由所述入射波遇到所述结构的并被每个所述探测元件检测到的波；

将由所述探测元件提供的信号数字化成为数字化数据，并将该数字化数据存入一个场存储器中，所述的场存储器具有二维结构，并包括多个行和列，所述的数据与由每个所述探测元件所检测的波相对应，并存储在所述场存储器的相应列中；和

为所述介质的各点，读所述场存储器，并累加包含在所述场存储器中与所述点有关的地址处的所有数据，所述的地址已存储在一个寻址存储器中，并将累加的数据乘以一个校正因子从而得到一个数值，该数值代表从所述点来的波的重要性，

所述的方法还具有一个初始化阶段，用于将寻址数据存储在所述寻址存储器中，该初始化阶段在所述的测量阶段之前执行，并包括以下步骤：

当向所述介质发射入射波并且该入射波被所述探测元件检测到时，为所述介质的每点，确定所述场存储器中含有与来自所述点的波相对应的数据的所有地址，以作为与所述探测元件的各自位置相对于所述的点的位置的一个函数；和

根据寻址规律，将每点的所述地址存储在所述寻址存储器中。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为所述介质的各点(P_ij)，并行地读所述场存储器的所有行，将代表从所述点(P_ij)来的波的重要性的数值存储在一个图象存储器中，该图象存储器包含多个存储单元，每个所述的存储单元与所述场存储器的读取规则相对应，所述的读取规则的参数取决于所述图象存储器的所述存储单元的位置。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，用于一点的所述校正因子随着在所述场存储器中为所述点而读取的数据超过一个预定阈值时的数目与在所述场存储器中为所述点读取的数据的总数之比值的一个函数而变化。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当低于作为所述比值函数的一个阈值时，所述校正因子为零，当高于该阈值时，所述校正因子值为1。

5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的校正因子正比于所述比值。

6、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的校正因子作为所述比值的函数成指数变化。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射波是以脉冲形式发射的。

8、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对于由所述介质反射的波的接收是由同一装置执行的。

9、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对于所述介质反射的波的接收是由分立的装置执行的。

10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射波具有平面波前。

11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的入射波是由不重叠的、定向的和/或被聚焦的波束组成的，所述波束在相继发射期间被移动以覆盖所述介质的整个结构。

12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射波是通过独立的发射/接收单元的线性网络产生的。

13、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射波是由按照一个矩阵结构排列的发射/接收单元产生的。

14、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射波是由随机排列的发射/接收单元产生的。

15、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在对应于相应发射角的不同方向上，以与在所述探测元件与波遇到的所述介质之间的波的发出和返回路程的持续时间无关的一种高速率，相继发射入射波，易于被脉冲击中所述介质的各点对应于用于在所述场存储器中确定一组数据的一个独立组的地址，所述的代表来自所述点的所述波的重要性的数值是从所述的一组数据中导得的。

16、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述场存储器读取规则是双曲线。

17、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述入射波向着位于远大于所述探测元件组的尺寸的距离处的一个障碍物发射，以使所述寻址规则可以近似为一条直线，其斜率取决于该障碍物相对于所述探测元件组的倾角位置。

18、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测元件也是发射器，所述的方法还包括：将所述探测元件分配成为分立的组，这些组在一组相继发射期间逐个组被激励而进行发射，所有这些探测元件可用于主动接收，所述这些探测元件所接收的信息被存入所述场存储器的分立区域中。

19、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的探测单元包括独立的发射/接收单元，每个发射/接收单元经由两个头尾相接的导通阈限二极管连接到一个波产生器，还连接到一个模/数转换器，所述的模/数转换器的输出端连接到所述场存储器的一个写入端，对所述场存储器的读取是由所述寻址存储器控制的，所述的寻址存储器由一个时钟来驱动，所述场存储器的读输出端连接到一个加法器，该加法器的输出端经由一个校正装置连接到由一个计数器驱动的一个图象存储器的写输入端，所述的计数器用于计数从所述场存储器中读出的并超过一个预定阈值的数值的个数，并将它们累加在一起。

20、根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述的发射/接收单元的尺寸大于被发射的所述波的波长，并且每个发射/接收单元装有一个用于增加其孔径的装置。

21、根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述的用于增加发射/接收单元的孔径的装置包括：微透镜或球冠。

22、根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述的发射/接收单元按照一种矩阵结构排列，所述的接收单元随机分布在所述矩阵结构中。

23、根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述的场存储器包括两个交替写和读的场存储器区域，以使在所述图象存储器中图象的再现率加倍。

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