專利名稱：處理表示被體積構(gòu)件反射或發(fā)射的波的信號的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于處理表示被體積構(gòu)件反射或發(fā)射的波的信號的方法和裝置，目的在于探測和分析這一構(gòu)件。
本發(fā)明特別地(雖然不是唯一地)應(yīng)用于諸如回聲測探儀、非破壞性物體探測裝置，聲納乃至雷達一類設(shè)備項目的制造。
常規(guī)的這類設(shè)備通常使用一個發(fā)射裝置發(fā)射一個入射波到被檢查的媒體中，和一個接收裝置-可以使用全部或部分發(fā)射裝置(零拍系統(tǒng))-接收被入射波所碰到的構(gòu)件反射的波。裝置還提供對接收裝置所接收的信號進行變換和處理，并以能夠被用戶使用的形式例如以一種能夠指出產(chǎn)生入射波反射的障礙位置的圖象形式把這些信號表示出來。
用于獲得這些結(jié)果的最普通的方法要點是按程序使用脈沖波，所說程序包括以給定方向發(fā)射脈沖(射出)，檢測返回的回波，測量發(fā)射和接收之間的時間間隔量以及推導出距離并因而推出產(chǎn)生回波的障礙位置。然后根據(jù)一個預定的掃描規(guī)律對不同的方向重復這個發(fā)射過程。
一旦完成掃描工作，就有可能例如說在常規(guī)顯示系統(tǒng)上生成表示通過回波檢出的障礙的圖象，并且知道其位置。
大量的這類設(shè)備項目使用一種所謂“順序法”，根據(jù)這個方法，借助一個移動波束逐行檢查構(gòu)件，每次發(fā)射后更換探測行。
在這些條件下，檢查的速度隨著探測波束的橫斷面和脈沖速率而增加。但是，往往波束的橫斷面受限于所要求的空間分辨率，而脈沖速率則受限于所有各個不同的反射波回到探頭所需要的時間。
例如，為了用3mm的分辨率檢查一塊鋁板以檢出直徑1mm的疵病，則波束的橫斷面實際上不能超過2mm，并且考慮到交混回響現(xiàn)象，脈沖速率必須低于1000Hz。
在這些條件下，表面檢查的速度不能超過2mm×2mm×1000＝4000mm2/秒，即4/1000m2，亦即一小時4/1000×3600＝14.4m2。在生產(chǎn)的頂頭，這個速度常常是太慢了(因為它使生產(chǎn)減慢)因而有時需要幾臺設(shè)備同時工作。
對于大量的其他應(yīng)用(檢查管道、鐵軌等等)，這一限制甚至更為關(guān)鍵。
為了消除這些缺點，已經(jīng)有人建議向要被探測的物體發(fā)射一個由探頭生成的橫斷面相對較大的基本上平伸的波，探頭由一個包括有多個小尺寸(最好小于波長)發(fā)射/接收裝置的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，以便利用一個很大的輻射圖；這些發(fā)射裝置同時被并行驅(qū)動。在接收時，每個發(fā)射/接收裝置獨立工作因而單獨接收被位于有效作用區(qū)的隔斷波束的障礙所反射的波。數(shù)字化之后，由這些發(fā)射裝置供出的數(shù)據(jù)(反射波的場)被存儲在讀出順序和寫入順序相反的存儲器中。
然后，將讀出信號加到一個用于重建反射波場的裝置上，該裝置包括多個按照類似于上述探頭的發(fā)射/接收裝置的結(jié)構(gòu)分布的發(fā)射裝置。讀出信號加到這些發(fā)射裝置的實現(xiàn)與發(fā)射/接收裝置向?qū)懶盘柎鎯ζ鞯陌l(fā)送一致。
重建裝置的目的是在輔助媒體中復制一個反射波場，以便復制出分辨率依賴于入射波的波長和探頭元件尺寸的物體圖象。
如果入射波是超聲波，最簡單的解決辦法是在光學透明介質(zhì)中形成圖象，并利用紋影法觀察它。
但是，這個方法并不很適合于工業(yè)目的。而且，它不是線性的，也不能恢復高頻分量。
根據(jù)另一種方法，圖象被匯集到一個第三探頭上并且讀出頻率調(diào)整得總是在相應(yīng)的信號到達這個探頭上時檢驗出構(gòu)件的圖象。
這個系統(tǒng)往往很復雜并且要求探頭具有很大的頻帶。此外，信號在相繼通過三個探頭之后品質(zhì)會變差。而且，當發(fā)射波傾斜或者是圓型波時，還會出現(xiàn)另外的困難。
本發(fā)明的主要目的就是彌補前面的缺點。
因此，發(fā)明的基礎(chǔ)是觀察到在諸如上面所述的過程中，被探測物體的每一點均引起一個回波存儲在存儲器的以雙曲線弧形式分布的位置上，雙曲線弧的特性依賴于該點到探頭的距離和每個元件的輻射圖(這些雙曲線對位于探頭前方的點在理論上不多于兩條漸近線)。
于是，根據(jù)本發(fā)明的方法，一方面包括用這樣的方法算出讀地址，使這些地址準確對應(yīng)于在給定時刻為物體的一個點所存儲的信號，為的是使這些地址按照雙曲線的規(guī)律分布在包括所述區(qū)域的場存儲器中，另一方面，在根據(jù)所述規(guī)律重讀場存儲器時，使得被探測物體的每一個點對應(yīng)于就場存儲器(其中存有有關(guān)被物體的點所反射或修改的場的數(shù)據(jù))的多個特定點進行計算的結(jié)果。
場存儲器的所有各行均被并行重讀并將數(shù)值相加(或者直接以數(shù)字形式或者是以數(shù)/模轉(zhuǎn)換后的模擬形式)以產(chǎn)生一個電壓Vp，將其數(shù)值寫入包括有多個點的“圖象”存儲器中，每一點都對應(yīng)于一個閱讀規(guī)律例如雙曲線規(guī)律，閱讀規(guī)律的參數(shù)依賴這個點的坐標。
考慮到各個閱讀規(guī)律的計算太長以致于不能實時進行的事實，都是事先進行這一計算并將結(jié)果存在與“場”存儲器的每一行關(guān)聯(lián)的專用“地址”存儲器中。
讀出過程按下法進行在“圖象”存儲器每一點的情形，將這個點的坐標向所有“地址”存儲器并行發(fā)送?！暗刂贰贝鎯ζ髁⒓床⑿兴统瞿墚a(chǎn)生相應(yīng)閱讀規(guī)律(例如雙曲線)的每個“場”存儲器行的地址。然后，這個相應(yīng)的電壓Vp使存在“圖象”存儲器中所述點的地址處。
通過參照相應(yīng)的附圖，用一個非限制性的例子敘述本發(fā)明的一個實施例，本發(fā)明的進一步的特性和優(yōu)點將是顯而易見的，在附圖中

圖1是一個用于探測和分析體積構(gòu)件的裝置的原理圖；圖2是一個示意圖，說明圖1所表示的裝置的工作原理。
圖1所表示的裝置可用在使用脈沖反射的超聲設(shè)備中，用于非破壞性探測材料或醫(yī)學圖象形成。
裝置使用一個由直線型條帶構(gòu)成的探頭1，探頭1包括多個例如128個小尺寸(1mm)的發(fā)射/接收元件D1至Dn。因此，同一個探頭1被用于發(fā)射和接收。
每一個元件D1至Dn一方面經(jīng)過一個預放大器A和一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器CAN連接到“場”存儲器MC的一個區(qū)域(在本例中是相應(yīng)的行L1，L2，…，Ln)，另一方面通過兩個頭尾相連并且有一個例如幾分之一伏特數(shù)量級的導通閾值的二極管2、3連接到發(fā)射器E。
于是，當發(fā)射器E發(fā)射并供出一個可高達幾百伏交流電壓時，與所有發(fā)射/接收元件D1至Dn關(guān)聯(lián)的諸二極管2、3大量導電，就像短路一樣，從而使所有的元件D1至Dn被發(fā)射器E并行激勵并產(chǎn)生一個平面波。
反過來，在接收時，每一個元件D1至Dn獨立工作并驅(qū)動它所連接的預放大器A。事實上，各元件所檢出的信號都是很弱的(幾十毫伏)。
這一安排還具有通過將預放大器A與發(fā)射電路隔開而降低輸入噪聲的優(yōu)點。
然后，每一個預放大器A驅(qū)動一個相應(yīng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器CAN，并且數(shù)字信號被存儲在存儲器的行L1至Ln中由尋址存儲器MA(它本身則由時鐘CK驅(qū)動的計數(shù)器CR尋址)提供的寫地址處。這個計數(shù)器CR和這個時鐘CK是與存儲行L1至Ln關(guān)聯(lián)的所有尋址存儲器MA共用的。
當存儲行L1至Ln被寫入時，諸尋址存儲器的輸出表示地址。仿佛場存儲器行L1至Ln是由計數(shù)器CR并行尋址似的。
最好，在寫操作期間所用的存儲位置的編號數(shù)目由2的冪數(shù)例如512，1024等等中選出。
如果，例如說編號數(shù)目等于512，則場存儲器的位置0至511被寫入。
寫入后馬上通過受計數(shù)器CR的10位控制的觸發(fā)器B將存儲器L1至Ln切換到讀出位置。
從地址512起，場存儲器行L1至Ln的輸出不再是恒等的，而是用這樣一種方式即被尋出的存儲位置對應(yīng)于一個預定形狀(讀出雙曲線)計算出來的。
這個計算按下法進行由地址512起，計數(shù)器CR尋出存儲器Mi(圖2)的一個位置Pij’。對于這個存儲器Mi的每一點P11’至Pnm’作出與被檢查物體0的一個位置P11至Pnm對應(yīng)，以使這個“圖象”存儲器Mi能夠隨后用來提供物體0的圖象。
對于每一個這些點P11’，Pnm’，在場存儲器行L1至Ln中所占的位置均通過所反射的超聲脈沖，考慮到所發(fā)射場的形狀、數(shù)字化的頻率，聲音的速度、物體與探頭的相對位置而算出來。于是，對于和“圖象”存儲器Mi的點Pij’相對應(yīng)的物體的點Pij，它在場存儲器Mc中所占的位置按照陰影表示的雙曲線排列。
如果探頭1直接與物體接觸，則數(shù)字化可在發(fā)射的同一時刻開始。若使用聲控繼電器工作時，則數(shù)字化的開始點可延遲一個等于在繼電器中返回行程的時間。
不同存儲器中讀得的數(shù)值(例如在存儲行的位于雙曲線H上的單元中所含有關(guān)Pij點的數(shù)值)在一個加法電路S中相加并被送到存儲器Mi的被選位置(例如位置Pij’)。
如前所述，存儲器Mi中所含的數(shù)據(jù)可以不同的方式使用。
這些數(shù)據(jù)可用于在常規(guī)型式的觀察屏幕上形成圖象。
在非破壞性探測的情形，這些數(shù)據(jù)也可例如借助能夠鑒別和記錄所檢出的缺陷類型的邏輯的電路進行處理。
尋址存儲器MA也可以是一次編程的只讀存儲器(ROM，PROM，EPROM)。但是，從速度觀點和使用的靈活性來看，最好還是使用一旦安裝以后就可以被編程的存儲器例如RAMs。
于是，編程可以在開始時進行。先一步的計算可以根據(jù)檢驗條件和所用探頭型號通過一個小型計算機來完成。這個數(shù)據(jù)也可預先算出并存在磁盤或PROM中。然后，用常規(guī)方法將結(jié)果依次傳送到存儲器MA中。這個傳送可以很快(幾秒)。
下面，將參照圖2敘述計算尋址存儲器MA中的地址的一個方法。
設(shè)Pij為位于檢測元件Di垂直上方距離探頭d處的一個點。使這個點Pij對應(yīng)于“圖象”存儲器Mi中的一個位置Pij’，因而對應(yīng)于計數(shù)器CR提供的地址。
設(shè)X為隔開探頭1的元件D1和點Pij的垂直上方的元件Di的距離，C為物體介質(zhì)中的聲速。
如果我們預先假定探頭1發(fā)射的波是平面的平且垂直于探頭1的表面?zhèn)鞑?，則脈沖在Pij點反射后到達檢測裝置例如D3所用的時間t(x)等于d/c(發(fā)射的波到達Pij所用的時間)t(x2+d2)的平方根/Ct(x)=d+(X2+d2)c]]>如果用f表示寫入頻率并且如果在發(fā)射的同一時間開始寫入，則所反射的信號將被存入場存儲器MC位于X軸上的位置ft(x)處的單元中。
就是這個將存入存儲器MA中的數(shù)值ft(x)要被用于讀出操作。
如果波不是垂直于探頭(斜向入射探測)或者如果波不是平面型的(在斷面探測的情形是圓形波)，進行的計算很相似，唯一不同之處是波到達點Pij所用的時間。這個時間將不僅依賴于d，而且也依賴于點Pij相對于探頭1的橫向位置。如果波是斜向的，則時間將作為橫向位置Xp的函數(shù)線性變化，并且發(fā)射的波到達Pij點所用的時間等于(d·cosθ+Xp·sinθ)/C，θ為射束與探頭1的法線間的夾角。
在探頭1產(chǎn)生的波是連續(xù)或半連續(xù)的情形或者是這些到來的波以足夠長持續(xù)期的波序列的形式覆蓋整個物體的情形，每一個點都將出現(xiàn)持續(xù)的回波，使得它實際上被存儲在存儲行MC的所有位置上，并且不同點的相應(yīng)數(shù)據(jù)被疊加起來。
于是，可以認為這些存儲器的一個“斷面”將包含對應(yīng)于物體的所有數(shù)據(jù)，只要這個斷面“厚”到足以包含最大的雙曲線即可。
因此在理論上，讀取這一單斷面將足以再造出物體的圖象。
這個讀取可以在逐步修改閱讀雙曲線形狀的同時進行，或者通過在一個位于給定距離處的區(qū)域上“檢查輸出結(jié)果”。
其次，信號的數(shù)字化必須對一個較大數(shù)量的電平進行，以便能夠令人滿意地判決不同數(shù)據(jù)。
為了簡化電子線路，則可以設(shè)想存儲器MC在寫入期間順序?qū)ぶ罚刈x總是并行的(將僅需要單個的預放大器和單個的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)。
于是，采集速度將顯著降低，而分辨率仍然是高的。這一解決方案在不優(yōu)選考慮速度時是令人感興趣的。也可設(shè)想一個混合式解決方案用幾個存儲器組并行寫入，這些存儲器組則是順序?qū)ぶ返摹?br> 上述例子中，在檢測之前因而以高頻電平把超聲信號存儲起來。取樣頻率至少必須等于超聲頻率的三倍，亦即例如說對3MHz的超聲波，取樣頻率等于10MHz。
這樣一來，在需要測試鋼材中10cm的深度時，最大的回程時間等于約60微秒，即每行取樣600點。
因此，對于一個100行的圖象，將需要計算600×100＝60,000點。
在這個例子中，計算不多于一次簡單讀取后面跟有加法指令的存儲器。
利用現(xiàn)代電路，這個操作可在1/100微秒內(nèi)完成。因而整個圖象將在60,000/100＝600微秒內(nèi)計算出來。
場的存儲將持續(xù)60微秒，因而一幅圖象的總采集時間將等于660微秒，并且圖象速度可大于1000Hz。
倘若證明這個速度不夠，可用幾種方法增加它a)將場存儲器分成幾個并行讀取的子存儲器；b)選出并處理不多于包含有有用數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域。
應(yīng)當指出，超聲波往往以包括有幾個交變波形以短脈沖形式到來，在這種情形下，能感興趣的是使用幾個與這些交變波形相交的閱讀雙曲線。如果脈沖很短并且僅包括一個完整的交變波形，則一個雙曲線可用來重讀正半波并在相當于半個周期的距離處重讀負半波。如果Pp和Pm為這些讀取后所得到的數(shù)值，則將把數(shù)值P＝Pp-Pm記錄下來。這一解決方案可改善系統(tǒng)的信/噪比和分辨率。兩次讀取可以順序進行以降低速度，或者使用兩組存儲器并行完成。
根據(jù)本發(fā)明的方法與順序法相比具有許多優(yōu)點。
速度每次發(fā)射都探測一個大表面面積例如100×5mm，而不是使用順序法的3×3mm。
檢查速度與順序法相比可擴大50或100倍，這是一個有重大意義的增加。
系統(tǒng)的速度為大量的應(yīng)用例如三維成象和多普勒圖象形成鋪平了道路。
當使用矩陣式探頭時，三維圖象可很容易得到，只是電子部件由于常規(guī)矩陣式探頭包括很大數(shù)量的元件而很不方便。但是，元件的數(shù)目可以通過它在探頭表面上的隨機分布而顯著減少，這樣，就允許元件隔開較大的距離而不會使干涉波瓣變得太大。使用線性探頭，通過在每次發(fā)射后更換剖平面能很快記錄一系列的平面。用100Hz的速度，可在1/10秒內(nèi)存儲100個剖平面。因而，存儲器可被用來獲得三維視圖或者任何平面的局部剖視圖。
至于多普勒圖象成形，對多普勒成象的應(yīng)用產(chǎn)生于連續(xù)圖象可以互相比較這一事實。當存儲高頻信號時，兩個圖象之間的很少差別可以被分辨(例如借助減法)和突出出來。
分辨率系統(tǒng)使用很高數(shù)目的孔闌工作。實用中，空間分辨率僅受限于波長和元件尺寸這兩個數(shù)值的較大數(shù)值。這樣一來，在所述例子中，這兩個數(shù)值的較大者是波長，即2mm。
如用10MHz的頻率，則兩個數(shù)值的較大者將是元件的尺寸，即1mm。
可重現(xiàn)性系統(tǒng)的靈敏度作為探頭下方的障礙的位置函數(shù)變化很小并且場是以平面波形式發(fā)射的。而且，由于每個障礙相對于探頭的準確位置已知，因而作為位置函數(shù)的靈敏度變化可以計算并被校正過來。
系統(tǒng)可以使用任何形狀(平面、斜面、柱面的)的發(fā)射波陣面工作。在每一情形下，系統(tǒng)都是以計算作為其位置函數(shù)的閱讀雙曲線的形狀。
權(quán)利要求
1.一種用于處理表示被物體反射或發(fā)射的波的信號的方法，目的在于探測和分析這個物體的結(jié)構(gòu)，這個方法至少包括在所述物體中發(fā)射一個入射波，使用多個互相獨立的檢測元件接收被入射波在物體內(nèi)部碰到的結(jié)構(gòu)所反射或發(fā)射的波，在數(shù)字化之后將接收裝置供應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲在一個場存儲器中，根據(jù)從場存儲器讀取的數(shù)據(jù)重構(gòu)和/或分析物體的結(jié)構(gòu)，其中包括對物體的每一點計算出元件在給定的時刻檢出的信號在場存儲器中所占的位置，并與該點所反射或發(fā)射的波相對應(yīng)，然后重讀場存儲器，并利用含有有關(guān)每一點的數(shù)據(jù)的存儲器位置所包含的全部數(shù)據(jù)完成一系列的運算，其結(jié)果能使點所反射或發(fā)射的波的大小成為已知，然后將這個結(jié)果進行處理或存在一個特殊的存儲器中。
2.權(quán)利要求1要求的方法，其中含有有關(guān)每點數(shù)據(jù)的場存儲器的位置的計算是事先完成的，并且相應(yīng)的數(shù)值存儲在尋址存儲器中。
3.權(quán)利要求1要求的方法，其中場存儲器的所有各行系并行讀取，并且讀出的數(shù)值均經(jīng)受一次計算，目的是得到一個要存在圖象存儲器中的量值，圖象存儲器包括多個點，每個點對應(yīng)于一個讀取尋址規(guī)律，規(guī)律的參數(shù)隨這個點的坐標而定。
4.權(quán)利要求3要求的方法，其中所述尋址規(guī)律是一個雙曲線規(guī)律，并且用于場存儲器中讀出的數(shù)值的計算方法是一個加法。
5.權(quán)利要求3要求的方法，其中有多個閱讀尋址規(guī)律與圖象存儲器的每一點相關(guān)聯(lián)。
6.權(quán)利要求1要求的方法，其中所述入射波是以脈沖的形式發(fā)射的。
7.權(quán)利要求1要求的方法，其中入射波是以波列式連續(xù)發(fā)射的形式發(fā)射的，而且選用雙曲線規(guī)律以突出位于預定距離處的反射點。
8.權(quán)利要求1要求的方法，其中發(fā)射入射波和接收被反射或被發(fā)射的波系由同一裝置執(zhí)行。
9.權(quán)利要求1要求的方法，其中發(fā)射入射波和接收波反射或被發(fā)射的波系由獨立的裝置執(zhí)行。
10.權(quán)利要求1要求的方法，其中入射波陣面是平面。
11.權(quán)利要求1要求的方法，其中入射波由不重疊的定向和/或聚焦波束組成，這些波束在接連發(fā)射的過程中更替以覆蓋被探測的整個構(gòu)件。
12.權(quán)利要求1要求的方法，其中所述入射波系通過獨立發(fā)射/接收裝置的一個線性網(wǎng)絡(luò)生成。
13.權(quán)利要求1要求的方法，其中入射波系通過根據(jù)混合結(jié)構(gòu)安排的發(fā)射/接收裝置生成。
14.權(quán)利要求1要求的方法，其中入射波系通過隨機布置的發(fā)射/接收裝置生成。
15.一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求1要求的方法的裝置，其中包括一個由多個一方面各自經(jīng)由兩只頭尾相接的導電閾值二極管連接到一個發(fā)射機、另一方面連接到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)射/接收元件組成的探頭，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出連接到場存儲器的寫輸入端，場存儲器的讀取受時鐘驅(qū)動(經(jīng)由一個計數(shù)器)的尋址存儲器控制，場存儲器的讀輸出端連接到一個加法器，加法器的輸出連接到受所述計數(shù)器驅(qū)動的圖象存儲器的寫輸入端。
16.權(quán)利要求15要求的裝置，其中所述圖象存儲器通過一個顯示裝置工作。
17.權(quán)利要求15要求的裝置，其中至少一個尋址存儲器與場存儲器的每一行關(guān)聯(lián)。
全文摘要
用于處理表示被物體反射或發(fā)射的波的信號的方法,包括將入射波發(fā)射到所述結(jié)構(gòu)中,通過多個互相獨立的檢測元件接收被入射波在物體內(nèi)碰到的結(jié)構(gòu)所反射或發(fā)射的波,將所接收的數(shù)據(jù)數(shù)字化后存入一個場存儲器中,對于物體的每一點,通過各元件在給定時刻所檢出的信號計算出在場存儲器中所占的位置,并與該點所反射或發(fā)射的波相對應(yīng),然后,對場存儲器中所含有關(guān)每一點的全部數(shù)據(jù)施行運算,運算結(jié)果便表示該點所反射或發(fā)射的波的量值。
文檔編號A61B8/00GK1176386SQ97117640
公開日1998年3月18日 申請日期1997年8月13日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月14日
發(fā)明者多里·扎奎斯 申請人:多里·扎奎斯