專利名稱：表現(xiàn)超細(xì)結(jié)構(gòu)及連續(xù)性異變的超聲彩色成像方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于醫(yī)療及工業(yè)材料的非破壞性檢測，特別是應(yīng)用于生物組織及工業(yè)材料的檢測和定征的超聲波彩色成像。
背景技術(shù)：
由于超聲波能夠自由穿行于人類視力無法達(dá)到的非透明介質(zhì)內(nèi)部，超聲波被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷和工業(yè)材料的質(zhì)量檢測。當(dāng)行進(jìn)中的超聲波信號碰到兩種不同材料的交界面時，部分信號能量穿越界面進(jìn)入前方材料，其余能量受界面反射返回原來材料，產(chǎn)生一個可以探測到的回波，暴露出界面的存在。能夠反射超聲波而產(chǎn)生回波的聲學(xué)界面包括被測物的外部邊界及內(nèi)部的材質(zhì)突變，比如層狀結(jié)構(gòu)、空穴、裂隙，異物，及其它引起聲阻抗突變的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
市場上最流行的超聲波檢測設(shè)備可以分為三大類超聲測厚儀、超聲探傷儀及超聲成像系統(tǒng)。
超聲測厚儀準(zhǔn)確度量兩個界面，通常是被測物的前表面及后表面，反射超聲波信號而形成的兩個回波之間的時間間隔。被測物的厚度，也就是兩反射界面之間的距離，可以直接從所測得的時間間隔及被測物的聲速計算出來。計算出的厚度一般以數(shù)字形式顯示，比如0.12CM，或存儲于超聲測厚儀的內(nèi)存中。
超聲波探傷儀將攜帶被測物內(nèi)部信息的超聲波信號的振幅變化記錄下來并顯示在屏幕上。超聲波信號行進(jìn)路上的非連續(xù)性聲阻抗變化引起額外反射，在振幅記錄中形成額外回波?，F(xiàn)代超聲波探傷儀提供時段選擇，信號閾值選擇，及可操作的光標(biāo)等幫助捕捉特定深度范圍或特定延伸范圍的材料缺陷。
超聲成像系統(tǒng)通過沿被測物外表面掃射超聲波束來顯示被測物的內(nèi)部聲學(xué)結(jié)構(gòu)。以機(jī)械方式移動超聲探頭和以電子方式控制超聲探頭陣的相位分布，是實現(xiàn)超聲波束的掃描的基本方法。超聲圖像或者是與掃描面垂直的剖面圖，或者是與掃描面基本平行的內(nèi)部界面或底面圖。超聲圖像的每一像點的亮度決定于該像點所對應(yīng)的物點所反射的回波的強(qiáng)度。
在以上描述的三大類超聲檢測中，被檢測的實質(zhì)上是被測物的各內(nèi)外界面。許多沒有明顯幾何邊界的重要物理性狀不在傳統(tǒng)超聲檢測的適用范圍之內(nèi)。在現(xiàn)實中，任何材料的強(qiáng)度、密度、硬度、剛度、彈性、復(fù)合成分、金相學(xué)特性等在材料成型時就非絕對均勻分布，并且會因疾病、醫(yī)療處理、機(jī)械加工、材料疲勞、應(yīng)力不均、溫度梯度、外部撞擊、物理或化學(xué)環(huán)境的長期作用等繼續(xù)慢性惡化，影響材料的可靠性。在尚未演變?yōu)橹旅姆沁B續(xù)性缺陷(比如裂隙)之前及早發(fā)現(xiàn)這些潛在威脅本應(yīng)是無損檢測或醫(yī)療診斷的重要任務(wù)。遺憾的是，傳統(tǒng)超聲檢測只能應(yīng)用于非連續(xù)性缺陷，對連續(xù)性分布的物理性狀無能為力。
一些很薄的機(jī)械部件，比如高速運轉(zhuǎn)的電動機(jī)或飛機(jī)引擎的葉片，最經(jīng)受不起內(nèi)部缺陷的侵蝕，同時也最難用傳統(tǒng)超聲檢測實行質(zhì)量保證。原因很簡單，微小缺陷所造成的微小超聲回波總是淹沒在由薄件的兩個外表面的多次反射產(chǎn)生的一系列大幅度回波中無法辨識。連續(xù)性分布的缺陷對薄件的危害遠(yuǎn)比對厚件嚴(yán)重，但由于只造成聲波波形畸變，不反射聲波，更加難以探測。
任何檢測方法的實用價值在很大程度上是由其對檢測者的視覺作用決定的。首先，人類視覺與大腦溝通的效率最高。眼睛的一瞥送入大腦的信息，如果轉(zhuǎn)換成聲頻信號通過耳朵傳遞，需要經(jīng)年累月才能完成。用技術(shù)術(shù)語來說，視覺傳遞信息的帶寬比任何其它感官大得無可比擬。第二，視覺有無以倫比的空間感。在感知視野內(nèi)一切事物存在之際，視覺還能告知大腦這些事物的尺寸、形狀、相對位置等。這種空間感與生俱來，不需學(xué)習(xí)訓(xùn)練。
不同的超聲檢測方法在信息傳遞效率和空間感方面差別甚大。最先進(jìn)的信息傳遞方式是實時立體圖像，比如搏動的心臟，隨呼吸起伏的肺腔，母體中躁動的胎兒。不難理解，這種最高檔次的四維信息表現(xiàn)技術(shù)，要靠由市場上最昂貴的醫(yī)用超聲成像系統(tǒng)實現(xiàn)。
形成鮮明對比的是簡單的文字、數(shù)字符號。超聲測厚儀的厚度讀數(shù)，盡管能滿足一般測厚需要，卻不提供任何空間感或在視覺上引起尺寸、間隔這類空間屬性聯(lián)想。0.9999和1.0000的視覺形象差別很大，在實用意義上卻等同。相反，0.07與0.01在視覺意義上差距較小，實用意義上卻天差地別。許多數(shù)字測厚儀借助聲音警號來宣告符合預(yù)先設(shè)定條件的厚度讀數(shù)的出現(xiàn)，這從反面表明數(shù)字讀數(shù)的視覺形象不能滿足操作者的需要。長距離管線或大型容器腐蝕狀況的監(jiān)測需要篩選成千上萬個厚度讀數(shù)以找出腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。在這類極為常見但事關(guān)重大且操作繁復(fù)的無損檢測任務(wù)中，適當(dāng)?shù)膱D像表示顯然比堆積如山的數(shù)據(jù)更受操作者歡迎。
通過探頭所測得的聲振幅隨時間的變化，又稱振幅響應(yīng)，包含著數(shù)字讀數(shù)及傳統(tǒng)圖像無法顯示的有關(guān)被測物的大量信息。無論是否在應(yīng)用中直接顯示，振幅響應(yīng)是所有超聲測量技術(shù)的根本信息源。舉例來說，噪音或多重反射回波的重疊所造成的錯誤讀數(shù)或虛假圖像，許多可以從振幅響應(yīng)中辨認(rèn)出來。但在現(xiàn)實中，由于振幅響應(yīng)的視覺形象絕非悅?cè)?，許多檢測人員不愿或不能與振幅響應(yīng)打交道。從高出若干數(shù)量級的界面回波及惱人噪聲中辨別出微小缺陷產(chǎn)生的微小回波，即使對受過專門訓(xùn)練的專業(yè)檢測人員也極具挑戰(zhàn)性。除非萬不得已，一般操作者寧愿選擇未必可靠的數(shù)字讀數(shù)，也不愿面對雖含豐富原始信息卻讓人望而生畏的振幅響應(yīng)。
盡管在視覺顯示方面有著無可比擬的優(yōu)越性，超聲成像系統(tǒng)在大型設(shè)備的缺陷或腐蝕監(jiān)測中極少使用。這不僅由于超聲成像系統(tǒng)的費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般無損檢測的預(yù)算，更由于超聲成像系統(tǒng)在實用方面的固有限制。醫(yī)用超聲成像所使用的相控陣探頭的工作面較大且嬌貴，在柔軟的人體表面保持必需的聲學(xué)接觸或聲耦合相對容易，但在彎曲或面積狹小的剛性被測物上，或在高溫，高磨損及有操作障礙的場合則難以發(fā)揮作用。機(jī)械掃描需要在維持被測物與探頭之間相對幾何位置的前提下實現(xiàn)二者之間的充分聲耦合。最常用方法的是將被測物及機(jī)械掃描裝置同置于盛滿耦合劑(水或其它聲耦合性優(yōu)良的液態(tài)物)的容器中，或供應(yīng)一股持續(xù)的，與被測物及探頭同時充分接觸的耦合劑液流。這兩種方法在大多數(shù)工業(yè)檢測中可行性不高。
傳統(tǒng)的超聲圖像又稱B超。這里B是英文Brightness(亮度或輝度)的字頭。B超中的聲學(xué)界面，無論是被測物的外表面還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分界面都被表述為亮線。每個像點，又稱像素，由單個成像參量，常常是回波信號的峰值來描述。由于攜帶被測物內(nèi)部信息的回波統(tǒng)統(tǒng)被歸因于界面，而沒有為界面之間的連續(xù)聲介質(zhì)留下任何可用信息，那些呈連續(xù)性分布的物理或聲學(xué)特性，比如強(qiáng)度、密度、硬度、剛性、彈性、復(fù)合成分的分布、金相學(xué)性質(zhì)等等，得不到應(yīng)有的表述。中國專利申請2004100745612及美國專利申請11/369,603提出的改進(jìn)，用兩個相鄰界面上的兩個回波共同決定兩界面之間的連續(xù)聲學(xué)介質(zhì)的彩色圖像。
振幅響應(yīng)是超聲探頭在某特定位置所發(fā)射的超聲信號在被測物內(nèi)旅行時與所經(jīng)路徑發(fā)生相互作用的結(jié)果，對應(yīng)于該路徑的所有像點都靠同一振幅響應(yīng)提供成像的原始信息。理解傳統(tǒng)超聲成像需要記住一個重要事實信號路徑上的界面經(jīng)常產(chǎn)生多個回波信號，每個回波信號又由一系列振幅數(shù)據(jù)組成，因此代表界面的像點有大量數(shù)據(jù)為其提供成像信息。相比之下，那些不在界面上的為數(shù)眾多的像點，由于不反射所經(jīng)過的聲波信號，沒有任何數(shù)據(jù)為之提供成像信息。這就是為什么傳統(tǒng)的超聲檢測只能檢測被測物內(nèi)的界面，傳統(tǒng)黑白超聲圖像中只有各個界面被表述為亮度不等的亮線，其它部分均為亮度為零或近于零的黑色。
傳統(tǒng)超聲成像一般只使用一個成像參量，通常是物點產(chǎn)生的第一個回波信號的峰值(振幅的最大絕對值)，來表述一幅圖像中的所有像點。只要回波的峰值相等，產(chǎn)生相應(yīng)回波的物點就被表述為同樣的亮度，在圖像中完全相同。事實上，峰值相等的回波信號波形可能千差萬別。波形上的差異不但反映著產(chǎn)生相應(yīng)回波的反射點之間的差異，也反映著聲波達(dá)到這些反射點前后所走路徑的聲學(xué)特性之差異。遺憾的是，這些極為寶貴的信息資源在傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)中沒有得到有效利用。
對這一缺憾所作的重大改進(jìn)首先公開在本申請人于2004年9月8日同時提交中國專利局及國際專利組織PCT的發(fā)明專利申請“超聲波彩色成像裝置及方法”中，中國及PCT專利申請?zhí)柗謩e為2004100745612及PCT/CN2004/001030。之后又公開在本申請人于2006年3月7日向美國國家專利局提交的發(fā)明專利申請“Methods & Apparatus forUltrasonic Color Imaging″，美國發(fā)明專利申請?zhí)?1/369,603。這些申請均要求2003年9月8日所提交的中國專利申請03156547.6所賦予的優(yōu)先權(quán)日期。
根據(jù)以上文件所公開的超聲彩色成像技術(shù)，超聲圖像的每一像點不再僅由單一亮度參量(通常為回波峰值)，而是由回波信號的波形所決定三個顏色參量來共同表述。具有相同峰值但不同波形的回波信號被表述為顏色成分不同的彩色像點獲得有效區(qū)分。介于界面之間的連續(xù)介質(zhì)則由包圍該介質(zhì)的界面共同決定其顏色成分。仍需改進(jìn)的是，這種彩色圖像中兩界面之間同一路徑上眾多像點的顏色或者相同，或者沿路徑線性單調(diào)變化，而現(xiàn)實中鄰近界面處聲學(xué)特性的變化是非線性的，并且常常是非單調(diào)的。
以上的討論指出了現(xiàn)有超聲檢測方法當(dāng)前面臨的三個主要挑戰(zhàn)1)對連續(xù)性分布的物理/聲學(xué)性狀的檢測或有效視覺表述；2)對薄體材質(zhì)及超薄層狀結(jié)構(gòu)的檢測及有效視覺表述；3)適用于工作量繁重，工作場合復(fù)雜的檢測作業(yè)的低費用、高可行性、高視覺友善性的超聲檢測設(shè)備或方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種能表現(xiàn)超細(xì)結(jié)構(gòu)及連續(xù)性異變的超聲波彩色成像裝置及方法。發(fā)明的核心是利用超聲波信號受被測物外表面及內(nèi)部界面多次反射而反復(fù)往返被測物內(nèi)的相同路徑這一事實，對相同路徑上的任一部位，用振幅響應(yīng)或其數(shù)學(xué)演變中在不同的往返中受到該部位作用的多個數(shù)據(jù)成員推算出多個顏色參量，將該部位所對應(yīng)的像元表述為彩色像元。這一方法不但從根本上改變了對被測物內(nèi)超細(xì)結(jié)構(gòu)及連續(xù)聲學(xué)介質(zhì)的圖像表述，也改進(jìn)了對內(nèi)外界面的圖像表現(xiàn)力。本發(fā)明的實施例在超薄體被測物上產(chǎn)生的彩色剖面像，在捕捉到超薄層結(jié)構(gòu)的存在和影響的同時，還成功地再現(xiàn)了連續(xù)聲學(xué)介質(zhì)特性分布的非均勻性及非單調(diào)性的分布特征。本發(fā)明對發(fā)動機(jī)葉片和高速飛行體外壁這類要害薄體材料的檢測具有重大實用意義，并能提高超聲波醫(yī)學(xué)成像的鑒別力和讀圖效率。本發(fā)明公開的超聲彩色成像方法的特征在于，對于超聲波信號受被測物外表面及內(nèi)部界面的多次反射而重復(fù)往返的主路徑上的任何部位，從以相應(yīng)的振幅響應(yīng)為源的有序數(shù)據(jù)集中找出在不同的往返中受到該部位作用的多個數(shù)據(jù)成員，從多個數(shù)據(jù)成員計算出至少兩個顏色參量將該部位所對應(yīng)的像元表述為彩色像元。
本發(fā)明的超聲彩色成像方法的特征還在于，對一幅振幅響應(yīng)的主路徑上的各個部位重復(fù)以上介紹的方法，將該振幅響應(yīng)所對應(yīng)的主路徑表現(xiàn)為被測物的一個彩色剖面片斷。
本發(fā)明的超聲彩色成像方法的特征還在于，充分利用振幅響應(yīng)中包含的超聲波信號反復(fù)往返被測物內(nèi)一條主路徑的全過程，將振幅響應(yīng)中所含的超聲波反復(fù)往返主路徑所產(chǎn)生的信息被表現(xiàn)在對應(yīng)于該主路徑的同一剖面片斷中。
本發(fā)明的超聲彩色成像方法的特征還在于，每個彩色剖面片斷的兩條邊緣代表被測物在取像點的兩個外表面，兩邊緣間的距離代表被測物在取像點的厚度，每個剖面片斷內(nèi)的各彩色線條的顏色成分代表相應(yīng)幾何位置對歷次經(jīng)過的聲信號的信號改變作用的大小。
本發(fā)明的超聲彩色成像方法的特征還在于，通過任意調(diào)整各次反射回波在圖像中的相對權(quán)重以更好地服務(wù)于不同的被測物或側(cè)重性不同的檢測。
本發(fā)明的主要目標(biāo)之一是為界面之間，特別是鄰近界面處的連續(xù)或含超細(xì)薄層的聲學(xué)介質(zhì)，提供一種有效的探測及圖像表述技術(shù)。這一技術(shù)補(bǔ)充并強(qiáng)化，而不是損害或削弱傳統(tǒng)超聲技術(shù)對聲學(xué)界面或非連續(xù)性特性分布的檢測及表述。本發(fā)明的超聲彩色成像方法成功地實現(xiàn)了這一目標(biāo)。
被測物內(nèi)部的散射、阻尼衰減、衍射、側(cè)壁反射、界面的平整度、光潔度、信號對界面的入射角的作用，等等，都對振幅響應(yīng)中信號波形的改變(包括但不局限于信號峰值的改變)起到各自的作用。本發(fā)明的方法把振幅響應(yīng)中這些聲學(xué)作用的信息集中表現(xiàn)在單個彩色剖面片斷中，把視覺友善性很差，需要很大展示面積的一幅振幅響應(yīng)，濃縮為緊湊凝練，視覺形像和空間感極大改善的一個彩色剖面片斷。一旦取像點的內(nèi)部狀況因材料疲勞、應(yīng)力損害、溫度梯度、機(jī)械撞擊、長期遭受某種物理或化學(xué)作用等而發(fā)生變異，相應(yīng)彩色剖面段內(nèi)的顏色成分隨深度(即與被測物表面的距離)的分布會急劇改變，與鄰近的剖面段形成鮮明對照，暴露出異常的位置、深度和對所經(jīng)過的各次回波的不同作用。
較之傳統(tǒng)的，每個界面依賴一個回波，有界面處才有圖線的輝度(亦稱亮度)超聲圖像，本發(fā)明的超聲圖像建立在被測物遭受多次往返聲波的反復(fù)作用這一事實基礎(chǔ)上，因此能表現(xiàn)遠(yuǎn)為豐富的內(nèi)部聲學(xué)特性。對被測物內(nèi)微小的材質(zhì)變化，無論突變性的還是連續(xù)性的，無論是鄰近還是遠(yuǎn)離被測物外表面，無論各聲學(xué)效應(yīng)是互增性還是互減性相互作用，本發(fā)明的超聲圖像都具有強(qiáng)得多的鑒別力、敏感性、空間分辨率和直觀易懂、視覺友善的表現(xiàn)力。
本發(fā)明公開的超聲彩色成像裝置，包括超聲波信號發(fā)射裝置，用于向被測物發(fā)射超聲波信號；超聲波信號接收裝置，接收經(jīng)被測物作用后的超聲信號，包括受被測物內(nèi)部外部界面的多次反射而反復(fù)往返被測物相同路徑的超聲信號；信號轉(zhuǎn)換處理裝置，將接收到的超聲信號模-數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式的振幅響應(yīng)；彩色圖像裝置，通過a)對于超聲波信號受被測物外表面及內(nèi)部界面的多次反射而重復(fù)往返的主路徑上的任一部位，從以相應(yīng)的振幅響應(yīng)為源的有序數(shù)據(jù)集中找出在不同的往返中受到該部位作用的多個數(shù)據(jù)成員，b)從多個數(shù)據(jù)成員計算出至少兩個顏色參量將該部位所對應(yīng)的像元表述為彩色像元，c)對于振幅響應(yīng)主路徑上每一部位重復(fù)a)和b)，將該主路徑表現(xiàn)為被測物彩色剖面中的一個片斷。
本發(fā)明的超聲彩色成像裝置的特征還在于，每幅振幅響應(yīng)的主路徑被表示為被測物的一個剖面片斷，分別獲得的多幅振幅響應(yīng)被分別表示為被測物的多個的剖面片斷，這些剖面片斷根據(jù)操作順序或操作者指定的片斷位置，而不是根據(jù)獲得各個剖面片斷時的操作位置排列在一起，如此排列的目的在于通過各個剖面片斷的對比發(fā)現(xiàn)被測物的內(nèi)部異常，而不是形成傳統(tǒng)成像意義上的彩色剖面圖像。
本發(fā)明的超聲彩色成像裝置的特征還在于剖面片斷能夠水平或豎直顯示并相應(yīng)排列以形成水平或豎直走向剖面圖；根據(jù)已有片斷的數(shù)目動態(tài)調(diào)節(jié)水平顯示時的片斷寬度及豎直顯示時的片斷高度；根據(jù)已有片斷的最大厚度動態(tài)調(diào)節(jié)水平剖面的豎向分辨率及豎直剖面的水平分辨率。
本發(fā)明的另一主要目的是為最常見的超聲檢測任務(wù)提供一種有效的圖像顯示方法，避免傳統(tǒng)超聲成像系統(tǒng)的高昂費用及可運用場合的限制或不便。這一目標(biāo)也由本發(fā)明的實施例裝置成功實現(xiàn)。實施例裝置的主顯示模式為彩色剖面圖像，可以自由切換到超聲探傷儀的振幅響應(yīng)模式、超聲測厚儀的數(shù)字讀數(shù)模式、或傳統(tǒng)超聲成像的輝度圖像模式，并支持傳統(tǒng)超聲成像裝置的圖像儲存、顯示、打印、傳輸?shù)葓D像功能。實施例裝置的操作與傳統(tǒng)超聲探儀類似手持一普通單晶元超聲探頭沿被測物表面移動，保持適度的接觸及聲耦合，顯示窗可以根據(jù)操作者選擇的模式展示以上各種結(jié)果。
在大多數(shù)工業(yè)材料的非破壞性檢測中，檢測的真正目的往往不是取得忠實完整的被測物內(nèi)部圖像，而是發(fā)現(xiàn)被測物內(nèi)存在的異常和潛在危險。某一部位在結(jié)構(gòu)和物理特性方面與其它部位的差異往往比其真實圖像更為重要。本發(fā)明的超聲彩色成像裝置不追求成像過程的常規(guī)性和完整性，而將借助視覺手段發(fā)現(xiàn)不可視的性狀異常作為檢測的首要目的，獲得了傳統(tǒng)成像技術(shù)無法實現(xiàn)的，在廣泛的檢測任務(wù)中通過圖像技術(shù)更可靠，更方便地探測危險和異常的能力。
大型設(shè)備化學(xué)腐蝕的監(jiān)測是本發(fā)明展現(xiàn)優(yōu)勢的重要領(lǐng)域。假定一大型化工設(shè)備經(jīng)長期使用后器壁的厚度在大部分區(qū)域為0.95至1.05厘米之間。盡管變化的幅度不到10％，但傳統(tǒng)測厚儀的厚度讀數(shù)顯示窗始終目不暇接地更新厚度讀數(shù)，造成操作者視覺疲勞。一個真正危險的厚度，比如0.35，對視覺的沖擊與0.95并無兩樣。測厚儀的聲音報警要求設(shè)定正確的報警閾值，才能發(fā)出警告，以補(bǔ)視覺功能的不足。相比之下，本發(fā)明裝置的彩色剖面模式以一系列剖面片斷同時展示各個檢測點的狀況。各片斷的高度正比于對應(yīng)檢測點的厚度，一目了然地顯示出所有檢測位置的厚度及內(nèi)部層狀結(jié)構(gòu)。每一檢測點產(chǎn)生的視覺沖擊取決于該點與其它檢測點的圖像反差，而不是厚度讀數(shù)的數(shù)字形像。既不會引起視覺疲勞和虛驚，也不會漏過真正嚴(yán)重的事態(tài)。即使對被測物的厚度范圍及報警閾值一無所知，仍能以彩色圖像的高效率和空間感表達(dá)出事件的嚴(yán)重性和緊迫性。聲音報警不靠報警閾值啟動，而是由圖像反差率啟動。
本發(fā)明公開的超聲彩色成像裝置及方法，與現(xiàn)有超聲技術(shù)相比具有以下優(yōu)越性在結(jié)果的顯示方面，具有圖像的信息效率、直觀性和空間感，數(shù)字讀數(shù)的直截了當(dāng)和精確傳達(dá)，振幅響應(yīng)的信息豐富性和本源性；在硬件費用及生產(chǎn)復(fù)雜性方面，接近于超聲探傷儀，而不是價格數(shù)倍以上的超聲成像系統(tǒng)；在可應(yīng)用性方面，適用于任何傳統(tǒng)探傷儀及腐蝕監(jiān)測作業(yè)可以實施的檢測場合，不受超聲成像系統(tǒng)的應(yīng)用條件限制；在功能方面，兼有超聲測厚儀、超聲探傷儀、及大部分超聲成像系統(tǒng)的功能。在傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)的技術(shù)瓶頸----超薄材質(zhì)的缺陷檢測功能上遠(yuǎn)為優(yōu)異；在操作方面，其直觀而易于意會的視覺表示以及顯著減小的檢測盲區(qū)和誤測率，使超聲檢測操作更加方便、準(zhǔn)確、可靠，更具吸引力。


圖1為一個5MHZ單晶元超聲探頭在一5毫米厚度量規(guī)(被測物)上的振幅響應(yīng)；圖2為一個5MHZ單晶元超聲探頭在一個1毫米厚度量規(guī)上的振幅響應(yīng)；
圖3為從圖2的振幅響應(yīng)所計算出的聲沖擊響應(yīng)；圖4為用實施例裝置在厚度分別為1毫米、0.75毫米、0.5毫米、0.4毫米的四個被測物上得到的剖面圖；圖5為經(jīng)過放大及加注RGB(R，G，B)數(shù)值的剖面片斷。
具體實施例方式
術(shù)語與詞匯振幅響應(yīng)在超聲檢測業(yè)又稱A掃描或振幅掃描。A為英文Amplitude(振幅)的字頭。電子工業(yè)中指用儀器探測到的信號幅度隨時間的變化。超聲檢測業(yè)中指超聲波振幅隨時間的變化，是超聲檢測中可以最直接、最可靠獲得的第一手信息，也是絕大多數(shù)超聲檢測技術(shù)所依賴的最基本信息。
聲激發(fā)信號由超聲探頭產(chǎn)生，從被測物表面向被測物內(nèi)發(fā)射的超聲波探測信號。最理想的聲激發(fā)信號相當(dāng)電子學(xué)中的理想電脈沖，即單波瓣且波瓣寬度無限小，數(shù)學(xué)表達(dá)式為數(shù)學(xué)分析中的δ函數(shù)。理想聲激發(fā)信號在現(xiàn)實中是不可能實現(xiàn)的。實際聲激發(fā)信號一般有四到十個波瓣，通常靠兩端的波瓣幅度最小，前半部的波瓣幅度大于后半部的波瓣幅度，例如圖1中的第一個回波信號。
有序數(shù)據(jù)集(合)一系列各有其固定序列位置的大量單個數(shù)據(jù)的集合。許多有實用意義的有序數(shù)據(jù)集(合)是對連續(xù)函數(shù)或連續(xù)變量進(jìn)行等間隔采樣的結(jié)果?，F(xiàn)代數(shù)字設(shè)備所遇到的數(shù)字信號絕大多數(shù)為有序數(shù)據(jù)集(合)，例如經(jīng)過數(shù)字化的振幅響應(yīng)和聲激發(fā)信號，以數(shù)字化的振幅響應(yīng)為源函數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，例如數(shù)字信號分析及處理中常用的付利葉變換和Z變換，所產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)集合，以及下面討論的聲沖擊響應(yīng)。
聲沖擊響應(yīng)類似于電子學(xué)中的脈沖響應(yīng)，早年亦稱聲脈沖響應(yīng)，也可簡稱沖擊響應(yīng)。聲沖擊響應(yīng)是(聲)振幅響應(yīng)的特例，是以理想聲激發(fā)信號入射被測物而獲得的(聲)振幅響應(yīng)。由此可見，聲沖擊響應(yīng)不可能直接測得(由于理想聲激發(fā)信號實際上不可得)，只能通過(聲)振幅響應(yīng)和實際使用的聲激發(fā)信號，利用逆卷積，付利葉變換等方法間接算出。
卷積以兩個長度不必相等的連續(xù)函數(shù)或有序數(shù)據(jù)集(合)為源函數(shù)，有嚴(yán)格積分表達(dá)式的數(shù)學(xué)預(yù)算，所產(chǎn)生的第三個連續(xù)函數(shù)或有序數(shù)據(jù)集(合)稱為兩個源函數(shù)的卷積。根據(jù)線性理論，對某被測物施加一聲激發(fā)信號而產(chǎn)生的振幅響應(yīng)等于該聲激發(fā)信號與被測物的聲沖擊響應(yīng)的卷積。理論上，從卷積的結(jié)果函數(shù)和一個源函數(shù)倒算出另一個源函數(shù)是可行的。但由于實際測得的振幅響應(yīng)中含有隨機(jī)噪聲和其它干擾，聲激發(fā)信號也不易獨立準(zhǔn)確地測得，從振幅響應(yīng)和聲激發(fā)信號通過逆卷積運算倒算出被測物的聲沖擊響應(yīng)，結(jié)果并不總是可靠，是一個意義重大的熱門研究課題。
振幅響應(yīng)的主路徑每幅振幅響應(yīng)都在一定的探測點獲得。探測點一般指獲得振幅響應(yīng)時探頭的中軸與被測物表面的交點。從探測點垂直進(jìn)入被測物的直線是振幅響應(yīng)所對應(yīng)的主路徑。一般地說，聲激發(fā)信號進(jìn)入被測物后，不論在行進(jìn)中還是受到界面反射，都有小部分信號成分改變方向，偏離主路徑，故籠統(tǒng)地講信號路徑有欠精確。振幅響應(yīng)所記錄下來的基本上是沿主路徑不斷往返的信號主體，偏離主路徑的信號越走越偏，在振幅響應(yīng)中逐漸消失。
剖面沿探頭的檢測軌跡垂直切開被測物所產(chǎn)生的斷面。超聲波無損檢測(英文直譯應(yīng)為非破壞性檢測)中的剖面圖是以超聲波為媒介間接獲得的虛擬剖面。
剖面片斷原則上，每個檢測點(取像點)所獲得，基于一幅振幅響應(yīng)的圖像應(yīng)為單像素寬，垂直于剖面走向的一條線。在實際應(yīng)用中，單像素寬的圖線視覺效果不好，不利于圖像分析，因此被人為地擴(kuò)寬為多條相同圖線并列而成的片斷。片斷的寬度可以預(yù)先設(shè)定。本發(fā)明的實施例根據(jù)片斷數(shù)目動態(tài)設(shè)定片斷寬度以改善視覺效果。
顯示分辨率垂直剖面走向方向的分辨率，即每單位厚度的像素數(shù)，例如每毫米10像素。如采用圖4所示的水平剖面走向，顯示的豎直分辨率與被測物厚度共同決定片斷的厚度。如采用豎直剖面走向，顯示的水平分辨率與被測物厚度共同決定片斷的厚度。顯示分辨率需要預(yù)先或動態(tài)設(shè)定。本發(fā)明的實施例根據(jù)已有片斷的最大厚度動態(tài)設(shè)定顯示分辨率以改善圖像的視覺效果。
成像參量相當(dāng)于數(shù)字儀器工業(yè)軟硬件技術(shù)文獻(xiàn)中常出現(xiàn)的過程參量、中間參量或操作參量。由于本文所討論的“過程”及“操作”都圍繞“成像”，故用“成像參量”來統(tǒng)稱成像過程中使用的物理參量、數(shù)學(xué)參量、信號參量及其它各種參量。
顏色參量典型的彩色圖像中各個像點的顏色由三個基色的量值唯一確定。比如當(dāng)前最通用的紅綠藍(lán)三基色系統(tǒng)，用三個無量綱的系數(shù)來表示紅綠藍(lán)所占比例，這三個量就是顏色參量。除了最流行的紅綠藍(lán)三基色系統(tǒng)，有些老設(shè)備還使用過紅黃藍(lán)三基色系統(tǒng)及紅黃綠藍(lán)四基色系統(tǒng)。目前某彩色電視廠家仍在推行六基色系統(tǒng)。這些基色的系數(shù)也是顏色參量。
直接基于振幅響應(yīng)的實施例圖1所示為一個5MHZ單晶元超聲探頭在一5毫米厚度量規(guī)(被測物)上的振幅響應(yīng)。下面以圖1為例介紹從振幅響應(yīng)直接產(chǎn)生彩色剖面像的方法。振幅響應(yīng)的最顯而易見的長處是不需要付利葉分析或聲沖擊響應(yīng)的額外的復(fù)雜運算，容易實施。傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)中的測厚、探傷即輝度成像都以振幅響應(yīng)為基礎(chǔ)。圖1中的橫軸劃分為十個時間段。第三時段中部起至第四時段右端止的是背表面反射的第一個回波信號。第五時段中部起至第六時段右端止的是第二背表面回波。第三背表面回波跨越第七、八、九三個時段。位于第一第二兩時段內(nèi)的是聲激發(fā)信號、電激發(fā)信號(聲激發(fā)信號的激發(fā)源)和前表面回波這三個信號重疊在一起，完全無從辨認(rèn)。從第一和第二個背表面回波之間的時間間隔計算出背表面與前表面之間的距離d約等于5毫米后之后，這同一幅振幅響應(yīng)可以用三種不同技術(shù)產(chǎn)生三種不同的剖面片斷。
A)傳統(tǒng)輝度成像(B超)在黑色背景下產(chǎn)生一個由兩條亮線構(gòu)成的剖面片斷，一條亮線代表前表面，亮度為一預(yù)設(shè)的固定值(比如255)，另一條亮線代表背表面，亮度正比于第一個背表面回波的信號峰值，兩條線之間的間隔正比于d。假設(shè)顯示分辨率為每毫米5像素，則兩亮線間的間隔約為25像素(d約等于5毫米)。
B)本發(fā)明之前的彩色成像法在白色背景下產(chǎn)生一個彩色剖面片斷，片斷的兩條邊界的位置與前例相同，所有界面的顏色用對應(yīng)回波中預(yù)先定義的三個特征值(例如第二、第三、第四個波瓣的幅值)決定。由于在圖一的振幅響應(yīng)中得不到前表面回波，更談不到其特征值，其顏色權(quán)且固定為RGB(255，255，255)。前表面之外的唯一另一界面是背表面。假定背表面第一個回波的三個特征值為A1、B1、C1，則對應(yīng)背表面的邊界顏色為RGB(A1，B1，C1)，兩邊界之間的顏色則為兩邊界上的顏色之差，RGB((255-A1)，(255-B1)，(255-C1))。
注1RGB(R，G，B)為硬件平臺支持的，以紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三個顏色參量定義顏色的系統(tǒng)函數(shù)。
注2此處陳述的只是該發(fā)明的眾多實施方案中最簡單的一個。
C)本發(fā)明的彩色成像也在白色背景下產(chǎn)生一個彩色剖面片斷，片斷的兩條邊界的位置與前例相同，片斷的所有界面均用相應(yīng)界面產(chǎn)生的多個回波表述。由于在圖一的振幅響應(yīng)中得不到前表面回波，權(quán)且將前表面固定表述為RGB(255，255，255)。作為振幅響應(yīng)實施例1，我們從背表面的前三個回波中各取三個特征值(例如最大的三個波瓣的幅值)，分別記作A1、B1、C1，A2、B2、C2，A3、B3、C3。這里下標(biāo)代表回波的序號。由于有了更豐富的信息，我們可以對背表面作內(nèi)函遠(yuǎn)為深刻的圖像表述。根據(jù)理論，只有完美界面的垂直反射才能保持信號波形在反射前后完全相同(不計180度相差)。反射后信號波形的改變直接反映反射的非完美性或偏離完美反射的程度。基于此觀點，將背表面表述為RGB(X，Y，Z)，其中X＝255*(A2/A1)；Y＝255*a*(2*(A3/A1)-(B3/B1)-(C3/C1))；Z＝255*b*(2*(A3/A2)-(B3/B2)-(C3/C2))；Y、Z表達(dá)式中的常數(shù)因子a、b為加權(quán)因子。如果背表面的反射是完美的，三個回波保持完全相同的波形，則對應(yīng)信號特征值的比例完全相等，即Y＝Z＝0，背表面的顏色成分為純紅色，紅色的強(qiáng)度為第二個回波與第一個回波的幅度比。反射越偏離完美，回波間對應(yīng)信號特征值的比例之間差別越大，Y、Z的數(shù)值越大，背表面的顏色成分偏離純紅色越遠(yuǎn)。通過改變Y、Z表達(dá)式中的加權(quán)因子a、b的數(shù)值，可以改變圖像色彩對回波變形的敏感度。
以上只是利用振幅響應(yīng)中多個回波的信息實現(xiàn)彩色成像的眾多可能實施方案中的一個。由于振幅響應(yīng)在薄體被測物的檢測中的局限性，本發(fā)明在基于聲沖擊響應(yīng)的成像中有遠(yuǎn)為突出的優(yōu)越性。
基于聲沖擊響應(yīng)的實施例振幅響應(yīng)是一切超聲檢測中能夠最直接，最可靠獲得的第一手信息，由超聲探頭和被測物的聲學(xué)特性共同決定。由于超聲檢測的目的是研究被測物而非超聲探頭，如果能將超聲探頭的作用從振幅響應(yīng)中分離出來，將大大提高對被測物的認(rèn)識和表現(xiàn)精度。實現(xiàn)這種分離的有效方法之一是從振幅響應(yīng)推算出被測物的聲沖擊響應(yīng)。
聲沖擊響應(yīng)是對一個聲學(xué)系統(tǒng)的特性最具理論和實踐意義的表述，是現(xiàn)代超聲檢測理論的中心角色。從物理角度看，被測物的聲沖擊響應(yīng)是該物受到理想沖擊聲源作用時產(chǎn)生的振幅響應(yīng)。所謂理想沖擊聲源指主瓣無限窄且沒有任何旁瓣的聲激發(fā)信號，其數(shù)學(xué)表達(dá)即為數(shù)學(xué)分析中的Delta函數(shù)。若能在超聲檢測中統(tǒng)一使用理想沖擊聲源，那么在任何被測物上得到的振幅響應(yīng)就等同于被測物的聲沖擊響應(yīng)。遺憾的是，理想沖擊聲源只存在于理論中，現(xiàn)實中不要說理想沖擊聲源，就連完全相同的超聲聲源都是奢望。不同超聲探頭總是產(chǎn)生不同波形的聲激發(fā)信號，在相同的被測物上產(chǎn)生差別難于忽略的振幅響應(yīng)。根據(jù)線性系統(tǒng)分析理論，振幅響應(yīng)在數(shù)學(xué)上是聲激發(fā)信號與被測物的聲沖擊響應(yīng)的卷積。利用這一數(shù)學(xué)關(guān)系可以從實測振幅響應(yīng)及相應(yīng)的聲激發(fā)信號推算出被測物的聲沖擊響應(yīng)。
較之含有超聲探頭效應(yīng)的振幅響應(yīng)，聲沖擊響應(yīng)遠(yuǎn)為忠實和準(zhǔn)確地代表被測物的聲學(xué)特性。許多學(xué)術(shù)刊物中探討過在不同情況下通過逆卷積運算獲得聲學(xué)系統(tǒng)的聲沖擊響應(yīng)。由于實際應(yīng)用中的各種具體因素，市場上仍未見到成功使用聲沖擊響應(yīng)的超聲檢測設(shè)備。本發(fā)明不提供通過振幅響應(yīng)計算聲沖擊響應(yīng)的新方法。本發(fā)明所提供的是以振幅響應(yīng)或以振幅響應(yīng)為源函數(shù)演變而成的有序數(shù)據(jù)集合作為出發(fā)點，產(chǎn)生能更好地體現(xiàn)被測物內(nèi)部聲學(xué)特性分布的彩色剖面圖像的方法。
下面通過實施例裝置詳細(xì)說明以被測物的聲沖擊響應(yīng)為基礎(chǔ)產(chǎn)生超聲彩色剖面像的過程。
圖2所示為一個5MHZ單晶元超聲探頭在一個1毫米厚度量規(guī)上的振幅響應(yīng)。圖中的信號波形與圖一中的信號波形之間的顯著差異，不但源于量規(guī)厚度從5毫米減小為1毫米而導(dǎo)致的各次回波信號之間的強(qiáng)烈重疊，而且源于各個回波自身波形的畸變。由于兩個主要界面，即量規(guī)的前后兩外表面之間的距離很小(相對于超聲波波長)，兩界面之間介質(zhì)的聲學(xué)特性的分布受表面效應(yīng)的強(qiáng)烈影響，造成介質(zhì)的聲學(xué)特性的非均勻，非線性且非單調(diào)分布。即使不存在非連續(xù)性結(jié)構(gòu)，薄層中的聲學(xué)特性的強(qiáng)烈分布也能根本性地改變在薄層間不斷往返的超聲信號的波形。本發(fā)明將薄體材料顯著改變超聲信號波形這一特殊性反映在彩色剖面像中，不但有效地表現(xiàn)出連續(xù)性介質(zhì)的聲學(xué)作用，而且將聲學(xué)作用的幾何分布成功地表現(xiàn)出來。
圖3所示為一幅從振幅響應(yīng)所計算出的聲沖擊響應(yīng)。如果計算得當(dāng)，完整的聲沖擊響應(yīng)不但精確反映每一次反射發(fā)生的時刻(從而反映出造成反射的界面的位置)，還能顯示各次反射造成的信號波形的改變。理論意義上的完美反射產(chǎn)生與入射信號完全相同的反射信號。完美反射的聲沖擊響應(yīng)是位于時間橫軸上對應(yīng)于反射時刻座標(biāo)點，高度為一的獨立豎直線。由于現(xiàn)實中不存在完美反射，實際超聲檢測中遇到的典型反射在聲沖擊響應(yīng)中表現(xiàn)為一條較高的豎線立在若干矮線中間，正如圖3所展示。高低不等的多條豎線聚在一起表示多個反射以不同的反射比在短時間內(nèi)非同步發(fā)生，合成一個非完美的反射。代表主反射的高線周圍那些矮線的幅度與多寡反映反射的不完美或不純粹程度。聲信號穿過被測物體內(nèi)時經(jīng)歷的散射、阻尼衰減、衍射、側(cè)壁反射、界面平整度、光潔度和信號對界面入射角的影響，等等，都對信號波形的改變(包括但不局限于信號峰值的改變)起到各自的作用，在振幅響應(yīng)中留下自己的印跡。由于振幅響應(yīng)包含著超聲探頭的嚴(yán)重影響，而聲沖擊響應(yīng)則排除了，至少極大地減弱了超聲探頭的影響，因此聲沖擊響應(yīng)能夠更好地代表被測物內(nèi)各種各樣的聲學(xué)特性及其幾何分布。實施例裝置的層次分析、缺陷分析及彩色剖面成像均通過聲沖擊響應(yīng)進(jìn)行。現(xiàn)實地說，超聲探頭的質(zhì)量和性能對于聲沖擊響應(yīng)的計算仍然有不可避免的影響，但這種影響遠(yuǎn)小于超聲探頭對振幅響應(yīng)的影響。
圖4所示為用實施例裝置在厚度分別為1毫米、0.75毫米、0.5毫米、0.4毫米的四個被測物上得到的剖面圖。每個剖面圖由50個被豎直空白分開的片斷構(gòu)成，代表著相應(yīng)厚度量規(guī)上50個不同取像點處的剖面像。每個剖面片斷從一個類似圖3所示的聲沖擊響應(yīng)產(chǎn)生，而聲沖擊響應(yīng)則從一個類似圖2所示的振幅響應(yīng)及相應(yīng)的聲激發(fā)信號計算出。每個剖面片斷的高度代表被測物在對應(yīng)取像點的厚度。操作者可以將光標(biāo)移動到任何分段上，在顯示窗中讀到所選剖面片斷的厚度讀數(shù)。圖4中的四幅剖面圖的厚度都非常穩(wěn)定，正確反映出四個被測物都是質(zhì)優(yōu)價高，未受過磨損的厚度量規(guī)這一事實。各剖面片斷內(nèi)的彩色線條與色譜儀產(chǎn)生的譜線有些相象，所表現(xiàn)的卻是成像點處的被測物內(nèi)部聲學(xué)特性。同一剖面上各個剖面片斷的彩色線條粗看十分相近，其實各線條的顏色成分都不盡相同，既顯示出各被測物相當(dāng)不錯的材質(zhì)均勻性，也展現(xiàn)了實施例裝置對被測物內(nèi)部聲學(xué)特性微小變化的敏感度及表現(xiàn)力。任何異常的材質(zhì)變化，無論連續(xù)還是非連續(xù)性的，都會造成相應(yīng)剖面片斷的彩色圖像在線條位置及顏色成分上的劇烈變化，引起檢測人員的警覺。
每一剖面片斷的厚度是該片斷的最關(guān)鍵信息，必須在形成片斷內(nèi)各線條的位置及顏色成分之前首先予以確定。聲沖擊響應(yīng)中的黑色豎線代表被測物前表面的反射。最高的藍(lán)色豎線代表被測物背表面的第一次反射。如果用T表示黑色豎線與最高的藍(lán)色豎線之間的水平距離，則T也代表超聲波信號在被測物的前后兩個外表面之間往返一次所需的時間。一旦得到T，被測點的厚度d，也就是前后兩個外表面之間的距離，可以用簡單的公式d＝0.5T*v計算，這里v是聲在被測物中傳播的速度，因子0.5則是因為考慮到T是一往一返旅行雙倍距離所需的時間。
在傳統(tǒng)超聲檢測中，旅行時間T從類似于圖2所示的振幅響應(yīng)得出。從類似于圖3所示的聲沖擊響應(yīng)得出的T更準(zhǔn)確可靠。事實上，只有當(dāng)被測物厚度大到其前后表面所反射的回波信號互不重疊時才能通過振幅響應(yīng)有效確定各次反射發(fā)生的精確時刻，從而計算出旅行時間及被測物厚度，例如圖1所示的情景。隨著被測物厚度逐步減小，各反射信號間的距離相應(yīng)減小，直至信號間的重疊發(fā)生，直接依賴振幅響應(yīng)的超聲檢測失去其準(zhǔn)確性及可靠性。在這種情況下，某種更復(fù)雜，更先進(jìn)的方法，比如聲沖擊響應(yīng)或付利葉頻譜分析等，可以幫助更好地確定相互重疊的反射信號之間的時間間隔。本文在前面已經(jīng)聲明，本發(fā)明不提供從振幅響應(yīng)推算聲沖擊響應(yīng)的方法。本發(fā)明所提供的是從已知的振幅響應(yīng)或聲沖擊響應(yīng)得出能更好表現(xiàn)被測物內(nèi)部聲學(xué)特性分布的彩色剖面像。由于聲沖擊響應(yīng)中排除了或極大地減低了超聲探頭特性的干擾，基于聲沖擊響應(yīng)的彩色剖面像能應(yīng)用于更薄及層次更復(fù)雜的被測物，對聲學(xué)特性的表現(xiàn)更準(zhǔn)確，更可靠，更全面。
一旦正確地確定了旅行時間T，各個回波發(fā)生的時刻可以算出。如果用T0表示前表面回波發(fā)生的時刻，T1，T2，...Tn分別表示背表面所反射的第一，第二，第n個回波發(fā)生的時刻，這些時刻之間有簡單的關(guān)系T1＝T0+i*T i＝1，2，...n Eq.(1)在軟件實施中，T0和T1為儲存聲沖擊響應(yīng)的一維矩陣的陣元序號。舉例來說，如果黑線和最高藍(lán)線的幅度分別存儲于第20和45個陣元中，則T0等于20，T1等于45。
薄體被測物的振幅響應(yīng)中記錄下的多次反射蘊含著被測物內(nèi)部結(jié)構(gòu)及聲學(xué)特性分布的豐富信息。許多常用的以振幅響應(yīng)為源函數(shù)的數(shù)學(xué)變換，比如聲沖擊響應(yīng)，付利葉變換等，可以毫不遺漏地將有關(guān)被測物的寶貴信息繼承下來。聲沖擊響應(yīng)更具有排除或極大地減少探頭干擾的效能。實施例裝置采用從振幅響應(yīng)推算出的聲沖擊響應(yīng)。其超聲彩色成像方法也適用于振幅響應(yīng)或源于振幅響應(yīng)的其它數(shù)學(xué)變換。
聲沖擊響應(yīng)如果計算得當(dāng)，只取決于被測物的結(jié)構(gòu)及聲學(xué)特性分布，而振幅響應(yīng)則極大地受探頭性能左右。用不同探頭在同一被測物上獲得的振幅響應(yīng)可能有顯著區(qū)別，而通過不同振幅響應(yīng)及充分表現(xiàn)于聲激發(fā)信號中的探頭特性推算出的聲沖擊響應(yīng)則在減少或去除探頭影響后而趨向一致，殊途同歸。聲沖擊響應(yīng)其實是振幅響應(yīng)的特例----是以理想聲沖擊信號(瓣寬無限窄的單瓣信號)產(chǎn)生的振幅響應(yīng)。探頭產(chǎn)生的實際激發(fā)信號越是接近理想聲沖擊信號，即信號主瓣高而窄，前導(dǎo)及后續(xù)旁瓣少而小，從振幅響應(yīng)推算出的聲沖擊響應(yīng)就越是準(zhǔn)確。
每個剖面片斷的厚度(頂邊與底邊之間的距離)代表成像點(獲得振幅響應(yīng)處)的被測物厚度。更具體地說，片斷的厚度正比于超聲信號在被測物內(nèi)旅行一個來回所用的時間T。假定T0與T1相距N個信號采樣間隔(陣元序號相差N)，則該分段含有N+1個水平彩色線段。最高和最低的彩線(頂邊和底邊)分別代表被測物的前表面和背表面，線段的彩色成分則決定于T0至Tn處的聲沖擊響應(yīng)值，即圖3中T0至Tn處豎線的幅度。讓我們以yT0至yTn來表示T0至Tn處的數(shù)值或豎線的幅度(聲沖擊響應(yīng)值或振幅響應(yīng)值)。
使用傳統(tǒng)超聲探傷儀，探頭在每一探測位置的操作產(chǎn)生一幅對應(yīng)的振幅響應(yīng)，而實施例裝置的彩色剖面模式將一幅振幅響應(yīng)表現(xiàn)為彩色剖面的一個片斷，并將多個位置取得的多個片斷組合成剖面圖。實施例對探頭的操作點的選取沒有限制。新獲得的剖面段通常被加置于顯示窗中已有的各片斷的最右端，以便于對所有檢測過部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或性狀進(jìn)行視覺比較，發(fā)現(xiàn)可能存在的內(nèi)部異常。
傳統(tǒng)超聲成像保持所有像元與其所代表的物元在排序，比例和完全性這三方面的一致性。舉例來說，像元甲、像元乙和像元丙分別代表物元A、物元B和物元C。如果物元B位于物元A與物元C之間，則像元乙必須位于像元甲與像元丙之間。甲乙之間距離與AB之間距離的比值必須等于甲丙之間距離與AC之間距離的比值。AC之間的所有物元由甲乙之間的所有像元完全而無遺漏地代表。這就是成像中的所謂排序、比例和完全性原則。當(dāng)相控陣探頭或程控機(jī)械掃描用于超聲波束的掃描時，掃描的路線、步長等控制參量自動運用于像元的重組過程從而保證三原則自動得到滿足。準(zhǔn)確可控的掃描機(jī)制是傳統(tǒng)超聲成像必不可少的要素。
本發(fā)明的實施例裝置打破傳統(tǒng)成像中不言而喻的排序、比例和完全性這三大原則，允許操作者在成像過程中按任何順序任何間隔造訪被測物表面的任何位置。實施例裝置不要求操作點的選取像相控陣探頭或程控機(jī)械那樣循規(guī)導(dǎo)矩，從而打破了傳統(tǒng)超聲成像在應(yīng)用方面的絕大多數(shù)限制。不論探頭向哪一方向以多大和間隔運動，不論操作點之間完全分離，部分重疊還是原地重復(fù)，不論是在同一平面，在同一物體的不同表面，還是在完全獨立的不同物體上，任何普通測厚儀或探傷儀能工作的場所都能實現(xiàn)本發(fā)明的剖面彩色成像。以如此方法獲得，沒有規(guī)則章法的獨立像元所構(gòu)成的圖像，盡管非傳統(tǒng)或反傳統(tǒng)，在非破壞性工業(yè)檢測中卻更有用、更有效、更合情、更合理。
RGB()函數(shù)是廣泛用于各種硬件平臺，以紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三個顏色參量定義色彩，可供調(diào)用的系統(tǒng)函數(shù)。微軟Visual C++編程語言中就提供PC平臺所支持的RGB(R，G，B)函數(shù)。有些RBG()函數(shù)需要使用RGB(255-R，255-G，255-B)的形式。這只是格式問題，不影響討論的原則。借用RGB()表達(dá)，圖四所示的彩色剖面像中每個片斷內(nèi)頂邊的顏色成分由下式表示
RGB(yT0，yT0-yT1，yT0-yT2)Eq.(2)而底邊的顏色成分則由式(3)表示RGB(yT1，yT2，yT3)Eq.(3)值得特別指出的是，雖然yT1、yT2及yT3描述三個在時間上截然分開的反射，卻起源于被測物內(nèi)同一幾何點----檢測點處的被測物背表面。根據(jù)公式(2)和(3)，剖面片斷的頂邊主要取決于yT0所代表的前表面回波，而底邊則取決于yT1、yT2及yT3所代表的三個背表面回波。公式(2)和(3)可以改寫成以yT0至yTn為變量的任何函數(shù)表達(dá)式以服務(wù)于側(cè)重不同回波的不同檢測方案。
公式(2)看起來比公式(3)復(fù)雜許多，其中包含著特殊原因。在實際超聲檢測中，振幅響應(yīng)不僅取決于探頭和被測物，還在很大程度上依賴于探頭與被測物之間的聲耦合。換句話說，操作者如何用探頭抵住被測物，耦合劑的多少及粘稠度，持探頭的手用力的平穩(wěn)度和一致性，都可能極大地影響檢測的結(jié)果。實施例裝置刻意在公式(2)中加重yT0所代表的，對聲耦合狀況最敏感的前表面回波的作用，使剖面頂邊的圖像對聲耦合狀況高度敏感，為操作者保持聲耦合穩(wěn)定一致提供一個便利的參考。如果頂邊的圖像發(fā)生強(qiáng)烈變化，操作者可以有意識地改變探頭與被測物的聲耦合，據(jù)以判斷頂邊圖像的變化是來自聲耦合不一致，還是源于被測物內(nèi)部狀況的不一致。
剖面中與底邊相距i的水平線段的顏色由公式(4)決定RGB(yT1-i，yT2-i，yT3-i)，i＝1，2，...N-1. Eq.(4)令i取值從1到N-1，分段內(nèi)所有彩色線段各自通過三個不同時刻T1-i、T2-i、T3-i的聲沖擊響應(yīng)值yT1-i、yT2-i、yT3-i獨立地獲得其色彩及強(qiáng)度。同理，yT1-i、yT2-i、yT3-i盡管代表三個相繼反射中的三個截然不同時刻，由于T1-i、T2-i、T3-i分別與T1、T2、T3相距同樣距離i，而T1、T2、T3對應(yīng)于被測物上同一位置的背表面，因此聲沖擊響應(yīng)值yT1-i、yT2-i、yT3-i所描述的是與同點相距同距i的同一個幾何點。設(shè)想被測物內(nèi)與背表面相距i處有一裂隙。裂隙在時刻T1-i、T2-i、T3-i產(chǎn)生額外反射信號，使聲沖擊響應(yīng)值yT1-i、yT2-i、yT3-i顯著增加。反映在相應(yīng)的剖面片斷中，底邊上方第i條線段彩色顯著加重，彩色中紅色、綠色及藍(lán)色的比例與裂隙的第一、第二及第三次反射直接相關(guān)。這樣一來，第i條線段用三次反射的信息，不但準(zhǔn)確表現(xiàn)了裂隙的幾何位置，還表現(xiàn)了各次反射的相對強(qiáng)度及波形改變。從相反角度看，聲沖擊響應(yīng)或振幅響應(yīng)中攜帶的不同時刻的信息，只應(yīng)被使用于對應(yīng)于正確物點的正確像點。如果yT1-i、yT2-i、yT3-i被應(yīng)用于底邊上方第i條線段以外的其它線段，就會錯誤地顯示本不存在的虛假裂隙。
本發(fā)明實施例裝置所采用的公式(2)-(4)，成功地將多次反射的信息以彩色表現(xiàn)在剖面圖中。不但更好地表現(xiàn)了只對界面敏感的聲反射作用，而且對只能通過改變信號波形體現(xiàn)其存在的連續(xù)性聲學(xué)特性，也能給予豐富的表現(xiàn)。還準(zhǔn)確地反映出突變性和連續(xù)性聲學(xué)作用的幾何位置或幾何分布。
超聲信號在被測物內(nèi)旅行的整個過程中，從始至終經(jīng)受著信號幅度的衰減和信號波形的改變。越是高次的反射信號，比如第二次、第三次反射信號，由于在被測物內(nèi)旅行更久，與被測物內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互作用更充分，攜帶的有用信息也越多。高次反射信號的不利因素是所含噪聲及其它干擾也更多。各次反射顯然有各自的長處和短處。本發(fā)明不但提出了在超聲波檢測中同時利用多次反射所含信息的有效途徑，還支持任意調(diào)整各次反射的相對權(quán)重以更好地服務(wù)于不同的被測物或側(cè)重性不同的應(yīng)用目的。公式(4)可以被進(jìn)一步推廣為RGB(F1(yT1-i，yT2-i，yT3-i，......)，F(xiàn)2(yT1-i，yT2-i，yT3-i，......)，F(xiàn)3(yT1-i，yT2-i，yT3-i，......)) i＝1，2，...T-1. Eq.(5)式中F1O、F2O和F3O為三個不同形式的多變量函數(shù)，分別計算RGB()函數(shù)中紅、綠、藍(lán)的量值。通過改變?nèi)齻€函數(shù)的定義，可以實現(xiàn)以不同形式突出被測物內(nèi)不同聲學(xué)特性的彩色剖面圖像。
圖5所示為一放大的剖面片斷。由于專利申請文件中只支持黑白圖文，圖五中特意為各個線段標(biāo)明了顏色的RGB()表示。RGB()參量的數(shù)值作了歸一化處理。
本發(fā)明的超聲彩色剖面像成像過程中還有其它一些技術(shù)細(xì)節(jié)?，F(xiàn)將實施例中采用的方法介紹如下
片斷寬度由顯示窗的寬度和窗內(nèi)已經(jīng)展示的片斷的數(shù)量決定。片斷的最大和最小寬度需預(yù)先設(shè)定。舉例來說，如果顯示窗為200像素寬，最小寬度和最大寬度分別定為顯示窗寬度的五十分之一和十分之一，則最小寬度為4像素寬，最大寬度為20像素寬，顯示窗最多同時展示50個片斷。檢測開始時的第一個片斷被置于窗口最左端，寬度為最大寬度20像素。下一個片斷排在已有剖面的右端。隨著檢測的進(jìn)展，更多片斷進(jìn)入顯示窗。每當(dāng)窗口右端剩余的寬度容不下新產(chǎn)生的片斷時，片斷寬度就自動減小一個像素。當(dāng)片斷寬度減至最小寬度4像素，展示的片斷總數(shù)達(dá)到50時，片斷寬度不再減小。每產(chǎn)生一個新片斷，整個剖面向左移動一個片斷寬度，將最左端的片斷推出窗口，最右端的位置讓給最新的片斷，片斷總數(shù)維持在50。顯示窗下緣備有水平滑動栓。用光標(biāo)控制滑動栓水平滑動可以將窗口外的剖面片斷拉回顯示窗中。
顯示分辨率由顯示窗的高度和被測物的最大厚度決定。例如顯示窗為100像素高，被測物最大厚度預(yù)設(shè)為2厘米，則豎向分辨率為每厘米50像素。2毫米厚薄板將被顯示為5像素高。實施例中還有多種與豎向分辨率有關(guān)的執(zhí)行機(jī)制a)用光標(biāo)訪問顯示窗中任何剖面片斷，可讀取該片斷的頂邊和底邊之間距離所代表的被測物厚度讀數(shù)。b)操作者可在任意時刻重設(shè)豎向分辨率以獲得更佳細(xì)節(jié)顯示。如果新設(shè)的分辨率使某些片斷的圖像溢出，可用光標(biāo)控制顯示窗的豎直滑動栓豎向移動整個顯示畫面，顯示上方或下方溢出的圖像。c)豎向分辨率動態(tài)調(diào)整選項，啟動后自動根據(jù)已有剖面片斷的最大厚度改變豎向分辨率，在不發(fā)生圖像溢出的前提下使用預(yù)設(shè)的最大豎向分辨率以得到最佳細(xì)節(jié)顯示。豎向分辨率改變時，顯示窗中的<單位厚度像素數(shù)>自動更新。
新片斷的置放實施例裝置中片斷置放方式在片斷寬度一節(jié)已做了初步說明。如果操作者不介入，光標(biāo)自行移動到已展示的剖面右方空白位置。光標(biāo)寬度等同于當(dāng)前的片斷寬度。當(dāng)操作者將光標(biāo)移動到任何已有片斷時，下一個新片斷將被插入光標(biāo)所覆蓋片斷的右側(cè)，原來位于光標(biāo)右方的圖像整體向右移動一個片斷寬度。如果剖面的右端已達(dá)窗口右邊界，最右端的片斷將被推出窗外?？偠灾鈽?biāo)的功能與常用文字編排軟件非常相似。此外，光標(biāo)還可用來顯示任何片斷的其它有關(guān)信息。
片斷的排列準(zhǔn)線排列準(zhǔn)線是剖面像的設(shè)置參量之一。片斷置放時既可用被測物前表面，也可用被測物背表面為準(zhǔn)線。一般說來，在容器的腐蝕監(jiān)測應(yīng)用中，將各個片斷的外表面(前表面)對齊，不但因為外表面平整光滑，更因為被腐蝕改變了相對位置的是容器的內(nèi)表面(背表面)。同理，如果被測物有平整的背表面，例如用于儀器校準(zhǔn)的階梯形厚度量規(guī)，以被表面作片斷排列的準(zhǔn)線是明顯的選擇。
剖面的走向剖面走向是實施例裝置中的一個設(shè)置參量。圖四所示為水平剖面走向。同樣的片斷集合可以被顯示為豎直走向的剖面，以對應(yīng)豎直設(shè)備，特別是豎直管線的檢測。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參考實施例進(jìn)行了詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，在不脫離由權(quán)利要求確定的本發(fā)明的精神與范圍的情況下，本發(fā)明可以有多種形式和細(xì)節(jié)的改變。
權(quán)利要求
1.一種能表現(xiàn)超細(xì)結(jié)構(gòu)及連續(xù)性異變的超聲彩色成像方法，其特征在于對于超聲波信號受被測物外表面及內(nèi)部界面的多次反射而重復(fù)往返的主路徑上的任何部位，從以相應(yīng)的振幅響應(yīng)為源的有序數(shù)據(jù)集中找出在不同的往返中受到該部位作用的多個數(shù)據(jù)成員，從多個數(shù)據(jù)成員計算出至少兩個顏色參量將該部位所對應(yīng)的像元表述為彩色像元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲彩色成像方法，其特征在于對一幅振幅響應(yīng)的主路徑上的各個部位重復(fù)權(quán)利要求1所述的方法，將該振幅響應(yīng)所對應(yīng)的主路徑表現(xiàn)為被測物的一個彩色剖面片斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲彩色成像方法，其特征在于可以任意調(diào)整各次反射在圖像中的相對權(quán)重以更好地服務(wù)于不同的被測物或側(cè)重性不同的檢測。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲彩色成像方法，其特征在于所述振幅響應(yīng)包含超聲波信號反復(fù)往返被測物內(nèi)一條主路徑的過程，該振幅響應(yīng)中所含的反復(fù)往返主路徑所產(chǎn)生的信息被表現(xiàn)在對應(yīng)于該主路徑的同一剖面片斷中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲彩色成像方法，其特征在于每個彩色剖面片斷的兩條邊緣代表被測物在取像點的兩個外表面，兩邊緣間的距離代表被測物在取像點的厚度，每個剖面片斷內(nèi)的各彩色線條的顏色成分代表相應(yīng)幾何位置對歷次經(jīng)過的聲信號的改變作用的大小。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲彩色成像方法，其特征在于彩色剖面圖像中每個片斷內(nèi)對應(yīng)于被測物前表面的片斷邊緣的顏色由下式?jīng)Q定RGB(F01(yT0，yT1，yT2，......)，F(xiàn)02(yT0，yT1，yT2，......)，F(xiàn)03(yT0，yT1，yT2，......))每個片斷內(nèi)的其余水平線段的顏色由下式?jīng)Q定RGB(F1(yT1-i，yT2-i，yT3-i，......)，F(xiàn)2(yT1-i，yT2-i，yT3-i，......)，F(xiàn)3(yT1-i，yT2-i，yT3-i，......))i＝0，1，...N-1式中RGB()代表硬件平臺所支持的，以紅、綠、藍(lán)三個顏色參量決定顯示顏色的可供調(diào)用的系統(tǒng)函數(shù)，F(xiàn)01()及F1()、F02()及F2()、F03()及F3()為不同形式的多變量函數(shù)，分別計算RGB()函數(shù)中紅、綠、藍(lán)的量值；i代表聲波從線段所代表的位置傳播到被測物背表面所需的時間，N是片斷所含的彩色線段總數(shù)，T0為被測物前表面反射的第一個回波發(fā)生的時刻；T1至Tn分別表示背表面所反射的第一至第n個回波發(fā)生的時刻；yTn、yT1-i、yT2-i......代表所述以振幅響應(yīng)為源的有序數(shù)據(jù)集中對應(yīng)于Tn、T1-i、T2-i，......的量值。
7.一種超聲彩色成像裝置，包括超聲波信號發(fā)射裝置，用于向被測物發(fā)射超聲波信號；超聲波信號接收裝置，接收經(jīng)被測物作用后的超聲信號，包括受被測物內(nèi)部外部界面的多次反射而反復(fù)往返被測物相同路徑的超聲信號；信號轉(zhuǎn)換處理裝置，將接收到的超聲信號模-數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式的振幅響應(yīng)；彩色圖像裝置，通過a)對于超聲波信號受被測物外表面及內(nèi)部界面的多次反射而重復(fù)往返的主路徑上的任一部位，從以相應(yīng)的振幅響應(yīng)為源的有序數(shù)據(jù)集中找出在不同的往返中受到該部位作用的多個數(shù)據(jù)成員，b)從多個數(shù)據(jù)成員計算出至少兩個顏色參量將該部位所對應(yīng)的像元表述為彩色像元，c)對于振幅響應(yīng)主路徑上每一部位重復(fù)a)和b)，將該主路徑表現(xiàn)為被測物彩色剖面中的一個片斷。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲彩色成像裝置，其特征在于每幅振幅響應(yīng)的主路徑被表示為被測物的一個剖面片斷，分別獲得的多幅振幅響應(yīng)被分別表示為被測物的多個的剖面片斷，這些剖面片斷根據(jù)操作順序或操作者指定的片斷位置，而不是根據(jù)獲得各個剖面片斷時的操作位置排列在一起，形成以發(fā)現(xiàn)被測物內(nèi)部異常為目的，而不是傳統(tǒng)成像意義上的彩色剖面圖像。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲彩色成像裝置，其特征在于該裝置還支持以下一種或多種傳統(tǒng)超聲技術(shù)傳統(tǒng)超聲測厚儀的功能；傳統(tǒng)超聲探傷儀的功能；傳統(tǒng)超聲成像裝置的圖像儲存、顯示、打印、傳輸?shù)葓D像功能。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲彩色成像裝置，其特征在于具有以下一種或多種功能剖面片斷水平或豎直顯示并相應(yīng)排列以形成水平或豎直走向剖面圖；根據(jù)已有片斷的數(shù)目動態(tài)調(diào)節(jié)水平顯示時的片斷寬度及豎直顯示時的片斷高度；根據(jù)已有片斷的最大厚度動態(tài)調(diào)節(jié)水平剖面的豎向分辨率及豎直剖面的水平分辨率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能表現(xiàn)超細(xì)結(jié)構(gòu)及連續(xù)性異變的超聲波彩色成像裝置及方法。利用超聲波信號受被測物外表面及內(nèi)部界面多次反射而反復(fù)往返被測物內(nèi)的相同路徑這一事實，對相同路徑上的任一部位，用振幅響應(yīng)或其數(shù)學(xué)演變中在不同的往返中受到該部位作用的多個數(shù)據(jù)成員推算出多個顏色參量，將該部位所對應(yīng)的像元表述為彩色像元。這一方法不但從根本上改變了對被測物內(nèi)超細(xì)結(jié)構(gòu)及連續(xù)聲學(xué)介質(zhì)的圖像表述，也改進(jìn)了對內(nèi)外界面的圖像表現(xiàn)力。本發(fā)明對發(fā)動機(jī)葉片和高速飛行體外壁這類要害薄體材料的檢測具有重大實用意義，并能提高超聲波醫(yī)學(xué)成像的鑒別力和讀圖效率。
文檔編號A61B8/00GK101038270SQ20061010943
公開日2007年9月19日 申請日期2006年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月15日
發(fā)明者文荊江 申請人:文荊江