用於超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法和裝置與流程
2023-05-13 14:52:11 1
本發明涉及一種超聲相控陣檢測技術，特別是一種適用於等聲程、等深度、等跨度三種聚焦形式，也同樣適用於線性掃描及任意聚焦點組合的基於斜探頭的扇形掃描成像的掃描檢測方法和裝置。
背景技術：
：相控陣超聲檢測技術是通過控制陣列探頭各個陣元的接收與發射的延遲時間，形成合成聲束的聚焦、掃描等，從而實現超聲波束的偏轉、聚焦等各種掃描效果，最終在掃描範圍內實現高解析度的超聲缺陷成像。在相控陣超聲發射狀態下，陣列換能器中各陣元按一定延遲規律順序激發，產生的超聲發射子波束在空間合成，形成聚焦點和指向性。改變各陣元激發的延遲規律，可以改變焦點位置的波束指向，形成在一定空間範圍內的掃描聚焦。和常規的掃描成像相比，相控陣超聲成像技術採用陣列式的探頭，只需改變探頭中各個陣元激勵的延遲時序，無需移動探頭就可以方便地實現全方位和多角度掃查。在相控陣超聲接收狀態下，列陣換能器的各個陣元接收回波信號，按不同延時值進行延時，然後加權求和作為輸出。通過設定一定的延時規律，可以實現對聲場中的指定物點進行聚焦接收，採用不同的延時規律，即可實現對不同點和不同方向上的接收聚焦和掃描。例如申請號為「200580020418.8」，名稱為「陣列式超聲換能器」的中國發明專利申請，申請號為「200580028604.6」，名稱為「二維超聲換能器陣列」的中國發明專利申請，申請號為「200680029122.7」，名稱為「超聲換能器陣列」的中國發明專利申請所公開的各種換能器，均為應用超聲成像，進行非侵入地探查固、液、氣體以進行相應檢測。現有技術的超聲檢測過程需要用楔塊調整檢測的範圍，一般情況下超聲相控陣可以通過改變延遲時間的方法來改變檢測角度，但是實際測試中由於超聲旁瓣等的幹擾，當相控陣偏轉角度過大時就會影響檢測結果，因此常常在超聲 檢測中使用楔塊，通過加楔塊增加超聲相控陣的掃查範圍。參見圖1，圖1為超聲掃描原理圖。如圖所示，設要掃描的範圍是β1～βn，間隔角度為Δβ°，則共有N＝(βn-β1)/Δβ條掃描線。根據Snell定律(公式1)，反射角不相等，對應的入射角也不相等，而這N條掃描線都是從陣列中心點發射出來的，因此，這N條掃描線在楔塊1與待測工件2的交界處會產生N個不同的折射點。這種現象即為入射點漂移。c1c2=sinαsinβ]]>公式(1)在相控陣超聲發射狀態下，陣列換能器中各陣元按一定延遲規律順序激發，產生的超聲發射子波束在空間合成，形成聚焦點和指向性。由於入射點漂移，N條掃描線不是以同一點進入工件中，所以成像後的扇掃圖形也不是以一點為圓心的扇形，對檢測精度造成一定影響。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的上述問題，提供一種適用於等聲程、等深度、等跨度三種聚焦形式，也適用於線性掃描及任意聚焦點組合的用於超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法和裝置。為了實現上述目的，本發明提供了一種用於超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法，其中，包括如下步驟：S100、坐標變換，對掃描區域內多個採樣點的極坐標數據進行坐標變換，得到成像坐標系上對應像素點的每個該採樣點的直角坐標數據，並存儲該直角坐標數據；S200、對坐標轉換後的掃描線進行插值，通過判斷待插值點與其周圍的採樣點的直線位置關係，找到與該待插值點距離最近的四個回波信號採樣點，根據該待插值點與該四個回波信號採樣點的距離關係，按權重進行插值；以及S300、存儲該插值結果。上述的超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法，其中，所述步驟S100進一步包括：S101、生成第一數據存儲表，根據掃描範圍內N條掃描線角度、聲程方向採樣點個數M和直角坐標系上的圖像解析度，計算出M*N個採樣點的極坐標對 應該直角坐標系的直角坐標，並存儲在第一數據存儲表中；S102、生成第二數據存儲表，根據該聲程方向的每個該採樣點的直角坐標，計算出每條掃描線相鄰兩點的直線方程，並將該直線方程對應的直線的斜率和該直線在Y軸上的截距存儲在第二數據存儲表中；S103、生成第三數據存儲表，根據在同一聲程上的N個採樣點坐標，計算相鄰兩個掃描點的直線方程，將該直線方程對應的直線的斜率和該直線在Y軸上的截距存儲在第三數據存儲表中。上述的超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法，其中，所述步驟S101進一步包括：設聲波在楔塊中傳播速度為c1，在工件中傳播速度為c2，陣列中心點的高度為h，聲波入射角依次為α1～αn，折射角依次為β1～βn，則極坐標系中各入射點位置為：x=h×c1sinβc22-c12×sin2β]]>(β為β1～βn)將以不同入射點為起始點的採樣點轉換到直角坐標上，轉換公式如下：x=r×sinθy=r×cosθ]]>上述的超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法，其中，所述步驟S200進一步包括：S201、鄰近點查找，通過判斷待插值點與臨近採樣點確定的直線方程的位置關係，確定待插值點的四個鄰近採樣點坐標值；S202，插值，利用該四個鄰近採樣點對該待插值點進行線性插值。上述的超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法，其中，所述步驟S201進一步包括：S2011、確定該四個鄰近採樣點的縱坐標，遍歷直角坐標系上各個待插值點P，從第一條聲程方向的掃描線開始，判斷點P與掃描線上採樣點確定的直線的位置關係，如果點P在掃描線上方，繼續判斷下一條掃描線，直到點P位於當前掃描線的下方為止，則確定點P位於當前掃描線與前一掃描線之間，由此獲得點P的最鄰近四個採樣點的縱坐標；S2012、確定該四個鄰近採樣點的橫坐標，從已找到的第n條線和第n+1 條掃描線中，判斷點P與聲程方向的採樣點確定的直線位置關係，如果點P在第一條直線下方，繼續判斷下一條直線，直到點P位於當前直線的上方位置，則確定點P位於當前直線與前一條直線之間，由此獲得點P的最鄰近四個採樣點的橫坐標。上述的超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法，其中，在步驟S2011中，如果點P位於第一條掃描線下方或最後一條掃描線上方，則不予以插值。上述的超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法，其中，在步驟S2012中，如果點P位於第一條直線的上方或最後一條直線的下方，則不予以插值。上述的超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法，其中，所述步驟S202進一步包括：S2021、找到該待插值點兩側線段上滿足於一設定比例關係且與該待插值點在同一直線上的兩點，並對該兩點進行線性插值；S2022、利用該兩點的灰度值對該待插值點進行線性插值，或者在角度方向按探頭指向性函數對該待插值點進行插值。為了更好地實現上述目的，本發明還提供了一種用於超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測裝置，其中，包括：計算模塊，用於對掃描區域內多個採樣點的極坐標數據進行坐標變換，得到成像坐標系上對應像素點的每個該採樣點的直角坐標數據，並存儲該直角坐標數據；並且，對坐標轉換後的掃描線進行插值，通過判斷待插值點與其周圍的採樣點的直線位置關係，找到與該待插值點距離最近的四個回波信號採樣點，根據該待插值點與該四個回波信號採樣點的距離關係，按權重進行插值；存儲模塊，與所述計算模塊連接，用於存儲所述計算模塊的坐標變換結果及插值結果；輸出顯示模塊，與所述存儲模塊連接，用於輸出並顯示計算或檢測結果；以及數據輸入模塊，與所述計算模塊連接，用於掃描檢測待測物體並將掃描數據傳輸給所述計算模塊。為了更好地實現上述目的，本發明還提供了一種上述超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測裝置的使用方法。本發明的技術效果在於：本發明用於斜探頭超聲相控陣成像的掃描轉換，能把以極坐標方式存儲的圖像數據即回波信號採樣點，以直角坐標的方式準確、直觀地顯示在顯示設備上。以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。附圖說明圖1為超聲掃描原理圖；圖2為本發明的檢測原理示意圖；圖3為本發明一實施例的方法流程圖；圖4為本發明另一實施例的方法流程圖；圖5為本發明一實施例的裝置結構框圖。其中，附圖標記1楔塊2待測工件3陣列換能器4計算模塊5存儲模塊6輸出顯示模塊7數據輸入模塊A折射點S100-S300步驟具體實施方式下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作具體的描述：扇形掃描顯示是一種灰度調製顯示，它將A掃描(Amplitudescan)顯示的回波幅度進行灰度調製。通過改變探頭的角度，從而使超聲指向快速變化，使每隔一定小角度，被探測方向不同深度所有界面的反射回波，都以灰度點的形式顯示在對應的掃描線上，形成一條A掃，所有A掃可形成一幅由探頭探測角度和聲程決定的二維超聲斷層圖像，成為扇形掃描圖像。在相控陣超聲發射狀態下，陣列換能器3中各陣元按一定延遲規律順序激發，產生的超聲發射子波束在空間合成，形成聚焦點和指向性。改變各陣元激發的延遲規律，可以改變焦點位置的波束指向，形成在一定空間範圍內的掃描聚焦。在相控陣超聲接收狀態下，列陣換能器的各個陣元接收回波信號，按不同延時值進行延時，然後加權求和作為輸出。通過設定一定的延時規律，可以實現對聲場中的指定物點進行聚焦接收，採用不同的延時規律，即可實現對不同點和不同方向上的接收聚焦和掃描。超聲檢測過程需要用楔塊1調整檢測的範圍，一般情況下超聲相控陣可以通過改變延遲時間的方法來改變檢測角度，但是實際測試中由於超聲旁瓣等的幹擾，當相控陣偏轉角度過大時就會影響檢測結果，因此常常在超聲檢測中使用楔塊1。通過楔塊1增加超聲相控陣的掃查範圍。相控陣超聲通過斜探頭掃描形成的區域為扇形，相應的成像區域也為扇形。由於檢測時探頭是以極坐標方式掃查的，回波信號的存儲也是以極坐標的方式存儲，然而在顯示器端，圖像是以直角坐標方式顯示的，這樣就需要將以極坐標方式存儲的數據通過坐標轉換以直角坐標的方式存儲。參見圖2，圖2為本發明的檢測原理示意圖。該圖顯示為全部在待測工件2中，A為折射點，上邊緣即為待測工件2上表面，即圖1待測工件2中的部分，也就是所謂的「二維超聲斷層」。圖中的每條斜線即為聲程方向，該聲程上的信號通過AD轉換，導入計算機就是A掃。其中，θ角具體取值為折射角，α角具體取值為折射角，圖中每個豎線與橫線交叉點為灰度點。如圖2所示，在坐標轉換過程中，由於轉換後的掃描線落在直角坐標時，在臨近的兩條掃描線之間的距離隨著聲程方向的增大而逐漸增大，不可能覆蓋到直角坐標系的所有像素點上；並且，經過坐標轉換後的採樣點在直角坐標系的橫坐標與縱坐標也不一定是整數，相鄰的兩個採樣點的距離也會因為圖像比例改變的原因，在它們之間會有沒有覆蓋到的像素點，這樣就需要對坐標轉換後的掃描線進行插值。參見圖3，圖3為本發明一實施例的方法流程圖。本發明的用於超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法，包括如下步驟：步驟S100、坐標變換，對掃描區域內多個採樣點的極坐標數據進行坐標變換，得到成像坐標系上對應像素點的每個該採樣點的直角坐標數據，並存儲 該直角坐標數據；步驟S200、對坐標轉換後的掃描線進行插值，通過判斷待插值點與其周圍的採樣點的直線位置關係，找到與該待插值點距離最近的四個回波信號採樣點，根據該待插值點與該四個回波信號採樣點的距離關係，按權重進行插值；步驟S300、存儲該插值結果。參見圖4，圖4為本發明另一實施例的方法流程圖。其中，所述步驟S100還進一步求同聲程角度方向上的採樣點確定的直線方程，或求聲程方向上採樣點確定的直線方程，具體可包括：步驟S101、生成第一數據存儲表，根據掃描範圍內N條掃描線角度、聲程方向採樣點個數M和直角坐標系上的圖像解析度，計算出M*N個採樣點的極坐標對應該直角坐標系的直角坐標，並存儲在第一數據存儲表中；步驟S102、生成第二數據存儲表，根據該聲程方向的每個該採樣點的直角坐標，計算出每條掃描線相鄰兩點的直線方程，並將該直線方程對應的直線的斜率和該直線在Y軸上的截距存儲在第二數據存儲表中；步驟S103、生成第三數據存儲表，根據在同一聲程上的N個採樣點坐標，計算相鄰兩個掃描點的直線方程，將該直線方程對應的直線的斜率和該直線在Y軸上的截距存儲在第三數據存儲表中。其中，所述步驟S101進一步包括：參見圖2，設聲波在楔塊1中傳播速度為c1，在工件2中傳播速度為c2，陣列中心點的高度為h，聲波入射角依次為α1～αn，折射角依次為β1～βn，則極坐標系中各入射點位置為：x=h×c1sinβc22-c12×sin2β]]>(β為β1～βn)其中，x為每條掃描線在工件2上入射點的x坐標。將以不同入射點為起始點的採樣點轉換到直角坐標上，轉換公式如下：x=r×sinθy=r×cosθ]]>其中，x，y為每條掃描線上的採樣點的直角坐標，r，θ為相應採樣點的極坐標。其中，所述步驟S200進一步包括對於直角坐標系上任意一個待插值點， 判斷該點是否需要插值，若判斷結果為否，則直接對該點的灰度值賦值為0；若判斷結果為是，則判斷該點位於哪兩條掃描線之間，然後判斷該點位於聲程方向的哪兩條直線之間，並根據確定的四個點的坐標在兩側的掃描線上找到符合條件的兩個點，分別給符合條件的兩個點插值，最後根據待插值點與找到的兩個點的距離進行插值。具體可包括：步驟S201、鄰近點查找，通過判斷待插值點與臨近採樣點確定的直線方程的位置關係，確定待插值點的四個鄰近採樣點坐標值；步驟S202，插值，利用該四個鄰近採樣點對該待插值點進行線性插值。其中，所述步驟S201進一步包括：步驟S2011、確定該四個鄰近採樣點的縱坐標，遍歷直角坐標系上各個待插值點P，從第一條聲程方向的掃描線開始，判斷點P與掃描線上採樣點確定的直線的位置關係，如果點P在掃描線上方，繼續判斷下一條掃描線，直到點P位於當前掃描線的下方為止，則確定點P位於當前掃描線與前一掃描線之間，由此獲得點P的最鄰近四個採樣點的縱坐標；步驟S2012、確定該四個鄰近採樣點的橫坐標，從已找到的第n條線和第n+1條掃描線中，判斷點P與聲程方向的採樣點確定的直線位置關係，如果點P在第一條直線下方，繼續判斷下一條直線，直到點P位於當前直線的上方位置，則確定點P位於當前直線與前一條直線之間，由此獲得點P的最鄰近四個採樣點的橫坐標。其中，在步驟S2011中，如果點P位於第一條掃描線下方或最後一條掃描線上方，則不予以插值。在步驟S2012中，如果點P位於第一條直線的上方或最後一條直線的下方，則不予以插值。其中，所述步驟S202進一步包括：S2021、找到該待插值點兩側線段上滿足於一設定比例關係且與該待插值點在同一直線上的兩點，並對該兩點進行線性插值；S2022、利用該兩點的灰度值對該待插值點進行線性插值，或者在角度方向按探頭指向性函數對該待插值點進行插值。參見圖5，圖5為本發明一實施例的裝置結構框圖。本發明的用於超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測裝置，包括：計算模塊4，用於對掃描區域內多個採樣點的極坐標數據進行坐標變換， 得到成像坐標系上對應像素點的每個該採樣點的直角坐標數據，並存儲該直角坐標數據；並且，對坐標轉換後的掃描線進行插值，通過判斷待插值點與其周圍的採樣點的直線位置關係，找到與該待插值點距離最近的四個回波信號採樣點，根據該待插值點與該四個回波信號採樣點的距離關係，按權重進行插值；存儲模塊5，與所述計算模塊4連接，用於存儲所述計算模塊4的坐標變換結果及插值結果；輸出顯示模塊6，與所述存儲模塊5連接，用於輸出並顯示計算或檢測結果；以及數據輸入模塊7，與所述計算模塊4連接，用於掃描檢測待測物體並將掃描數據傳輸給所述計算模塊4。本發明還提供了上述超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法或裝置的使用方法。具體包括，第一步，針對具體的待測工件2，檢測人員設定好掃描線的角度和檢測深度，計算模塊4計算所有採樣點的極坐標和直角坐標，並存入存儲模塊5；第二步，計算模塊4計算顯示器像素點與採樣點之間的關係，算出像素點與採樣點信號之間的插值權重關係，並存入存儲模塊5。第三步，數據輸入模塊7得到各採樣點的採樣數據存入存儲模塊5。第四步，計算模塊4根據各採樣點的採樣數據插值得到像素點顯示數據，存入存儲模塊5，同時輸出到輸出顯示模塊6，輸出顯示模塊6顯示檢測結果，至此完成檢測過程。下面以具體數據對本發明的超聲相控陣的扇形掃描成像的掃描檢測方法予以進一步說明：首先，根據掃描範圍內N條掃描線角度、聲程方向採樣點個數M、建立在直角坐標系上的圖像解析度，計算出M*N個點在直角坐標系上對應的坐標，存儲在第一數據存儲表中。計算公式如下：1)如圖2，聲波在楔塊1中傳播速度為c1，在工件2中傳播速度為c2，陣列中心點的高度為h，聲波入射角依次為α1～βn，折射角依次為β1～βn，則極坐標系中各入射點位置是：x=h×c1sinβc22-c12×sin2β]]>(β為β1～βn)公式(2)其中，x為每條掃描線在待測工件2上入射點的x坐標。2)通過公式(3)將以不同入射點為起始點的採樣點轉換到直角坐標系：x=r×sinθy=r×cosθ]]>公式(3)其中，x，y為每條掃描線上的採樣點的直角坐標，r，θ為相應採樣點的極坐標。其次，根據聲程方向的採樣點坐標，計算出每條掃描線的相鄰兩點確定的直線的方程，將直線的斜率，和直線在Y軸上的截距存儲在第二數據存儲表中。由於一條掃描線上的所有採樣點在一條直線上，所以每條直線只需用前兩個點的坐標就可以求出這條掃描線上所有相鄰點確定的直線方程，共N個方程；然後，根據在同一聲程上的N個採樣點坐標，計算相鄰兩個掃描點確定的直線的方程，將直線的斜率，和直線在Y軸上的截距存儲在第三數據存儲表中。同一聲程上的採樣點，共(N-1)*M個方程；本發明的插值方法是找到距待插值點最近的四個點，採用線性插值的思想，根據待插值點與周圍四個點的位置大小關係分配權重，將周圍四個點的灰度值按權重分配到待插值點中。具體插值步驟如下：遍歷直角坐標系上各個待插值點，並進行如下步驟，參見圖2，對圖2中的點P(j，i)(假設該點P(10，13))進行插值。1、從第一條聲程方向的掃描線開始，判斷點P與掃描線上採樣點確定的直線的位置關係，如果點P在掃描線上方，繼續判斷下一條掃描線，直到點P位於當前掃描線的下方為止，則確定點P位於當前掃描線與前一掃描線之間。由此獲得點P的最鄰近四個點的縱坐標。如果點P位於第一條掃描線下方或最後一條掃描線上方，則不予以插值。設直線方程為y＝k×x+b判斷公式如下：公式(4)圖2中，n條直線方程為：y＝x+1；n+1條直線方程為：y＝1.3×x+1.7，帶入i＝13，j＝10；i(13)≥1×j(10)+1且i(13)<1.3×j(10)+1.7，所以判斷P在直線n與n+1之間。2、從已找到的第n條線和第n+1條掃描線中，判斷點P與聲程方向的採 樣點確定的直線的位置關係，如果點P在第一條直線下方，繼續判斷下一條直線，直到點P位於當前直線的上方位置，則確定點P位於當前直線與前一條直線之間。由此獲得點P的最鄰近四個點的橫坐標。如果點P位於第一條直線的上方或最後一條直線的下方，則不予以插值。判斷公式參見公式(4)。如此找到a點(9.8,10.8)，b點(11.7,12.7)，c點(8.5，12.75)，d點(10.3，15.09)，其灰度值分別設為1,2,3,4；3、找到待插值點P兩側掃描線方向上且滿足如下兩個條件的兩個點，如圖2中的點e(x1，y1)和點f(x2，y2)：1)點a和點e的距離與點b和點e的距離之比等於點c和點f的距離與點d和點f的距離之比；(x1-9.8)/(10.7-x1)＝(x2-8.5)/(10.3-x2)；2)點e、點f、點P在同一直線上。則：(10-x1)/(13-y1)＝(x2-10)/(y2-13)求得e點(10.76,11.76)，f點(9.42,13.94)4、點P的灰度值可基於以下原則獲得：1)點a和點e的距離除以點a和點b的距離之比(0.51)再乘以點b的灰度值(2)，點b和點e的距離除以點a和點b的距離之比(0.49)乘以點a的灰度值(1)，將兩項值相加，求得點e的灰度值0.51×2+0.49×1＝1.51；2)點c和點f的距離除以點c和點d的距離之比(0.51)再乘以點d的灰度值(4)，點d和點f的距離除以點c和點d的距離之比(0.49)乘以點c的灰度值(3)，將兩項值相加，求得點f的灰度值0.51×4+0.49×3＝3.51；3)點e和點P的距離除以點e和點f的距離之比(0.57)再乘以點f的灰度值(3.51)，點f和點P的距離除以點e和點f的距離之比(0.43)乘以點e的灰度值(1.51)，將兩項值相加，求得點P的灰度值0.57×3.51+0.43×1.51＝2.65。本發明用於斜探頭超聲相控陣成像的掃描轉換，具體包括坐標變換、採樣點坐標及相關數據存儲、插值等步驟。先將掃描坐標系(極坐標系)的採樣點進行坐標變換，得到成像坐標系(直角坐標系)上的坐標值，能把以極坐標方式存儲的圖像數據即回波信號採樣點，以直角坐標的方式準確、直觀地顯示在顯示設備上。當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。當前第1頁1 2 3