CN111060600B - 一种用于管道内超声相控阵成像的声束聚焦时延控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于管道内超声相控阵成像的声束聚焦时延控制方法，包括下列步骤：步骤一：超声相控阵传感器布置。步骤二：超声相控阵传感器激励及接收。步骤三：考虑在以圆形管道为边界的场域内进行任意角度偏转，计算根据各通道时延。步骤四：将步骤三中计算得到的时延分配给超声相控阵探头的各个阵元激励通道，将同一激励电信号进行不同时间的延时，产生幅值相等、相位各不相同的激励电信号并施加在相控阵探头的各阵元上，产生幅值相等、相位相差的超声波激励，通过其叠加、相消及干涉作用，产生不同聚焦距离的超声聚焦波，达到管道内任意点声束聚焦有效控制。

Description

一种用于管道内超声相控阵成像的声束聚焦时延控制方法

技术领域

本发明属于超声层析成像技术领域，涉及一种用于声束聚焦时延控制方法，用于解决超声相控阵声束聚焦过程中由于曲面管壁折射产生的误差及控制失效问题，实现工业过程中封闭管道内高精度声场配置及多相介质分布的可视化测试。

背景技术

超声层析成像技术(Ultrasonic Tomography,UT)是一种结构性成像技术，其通过在被测场域外布置超声传感器阵列并施加一定的激励以得到边界电压测量数据，以此来重建被测场域内部的折射系数、衰减系数或声阻抗分布情况。相比其他软场成像技术例如电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)和电磁层析成像(MagneticImpedance Tomography,MIT)，UT具有非侵入、分辨率高的优点，相比精度较高的硬场成像技术如X射线层析成像(X-ray Computed Tomography,X-CT)及光学层析成像方法(OpticalCoherence Tomography,OCT)，UT使用安全、结构简单、可以实现实时成像。此外UT还有着非接触、方向性好、成本低等优势，是一种较为理想的过程可视化检测监视手段。UT作为一种层析成像技术手段，在多相流可视化检测、化工石油输送、航空发动机探查以及生物医学诊断中均有广泛的应用。

完整的超声层析成像技术包含三个部分：超声换能器阵列设计、制造与安装；信号激励与采集系统；超声成像图像重建算法。其中，超声换能器阵列由多个单晶元探头组成，激励探头将电压信号通过逆压电效应转换为声信号形成激励声波，接收探头将感应到的声信号通过压电效应转化为电信号发送给检测系统；信号激励与采集系统向超声换能器发送电压激励信号，记录、转换、解调超声换能器产生的电压检测信号，通过时序控制对不同位置超声换能器进行循环激励；图像重建算法将解调得到的提取测量幅值或渡越时间，得到某个确定激励下的全部换能器的有效测量数据，通过图像重建方法得到场域内含物介质分布的合理估计。

传统的基于单晶元探头的超声层析成像技术具有一定的局限性：单晶元探头发射声波为扇形(锥形)，扫描范围窄，宽发射角条件下的旁瓣衰减较大，且单晶元探头安装位置、指向固定，不能实现激励声场动态配置及方向可变扫描。另外：超声层析成像严重依赖于场域边界换能器的数量，其图像重建过程在低换能器数目下具有严重的病态性(对测量值的微小扰动会导致重建结果的大幅度变化)和欠定性(所需求解的方程数远小于未知量数目)。固定的激励声场形式和有限的换能器数量严重制约超声层析成像技术的发展。为实现高精度、非扰动的超声层析成像可视化测试，天津大学谭超等人在专利《超声平面波扫描式多相流可视化测量装置》中提出一种基于超声平面波的扫描式层析成像方法，通过控制超声相控阵探头中各阵元时延进行声束控制，在传统单晶元探头无法探测的区域灵活配置声场，在不增加超声换能器的情况下大幅提升投影数据数量，进行提升图像重建质量。

在超声相控阵声束聚焦控制算法中，通常将各阵元等效成点声源，对每个通道的激励信号加入时延以产生相位差，通过惠更斯定理将各阵元激励声波阵面进行配置，形成可变孔径的聚焦声束。该方法在医学超声相控阵成像、工业材料无损检测的研究中均取得了广泛的应用。但工业过程超声层析成像通常面对有明确物理边界(如管道、容器等)的封闭测试场域，边界两侧的介质声学特性迥异，往往存在较强的声阻抗差异。声波由探头阵元发射传播至场域内需经过该物理边界并产生幅值衰减、方向改变等非线性效应，致使声束聚焦时延控制效果产生较大误差以至控制失效。针对工业过程中常见的圆形管道物理边界，急需一种针对其曲面构型的声束聚焦时延控制方法，以期在不同材质、厚度及直径的圆形管道中，均能实现声束的动态聚焦，达到动态高精度配置激励声场的目的。

发明内容

本发明的目的是针对以圆形管道为代表的曲面物理边界致使声束聚焦时延控制产生较大误差以至控制失效的问题，提出一种基于走时相等的超声相控阵声束聚焦时延控制方法，利用斯涅耳定律推导不同位置点声源在曲面界面处的折射角，进而根据惠更斯定理计算不同阵元达到选定聚焦点时的渡越时间，并据此反推各阵元激励通道所需的时延信息。在不同材质、厚度及直径的圆形管道中，实现声束的动态聚焦，达到动态高精度配置激励声场的目的。技术方案如下：

一种用于圆形管道内超声相控阵成像的声束聚焦时延控制方法，包括下列的步骤：

步骤一：超声相控阵传感器布置：由多个超声相控阵探头组成超声传感器阵列，每个超声相控阵探头是由固定数目阵元组成的线阵，各阵元具有相同的性能参数且均可独立激励或接收，所有超声相控阵探头沿圆形管道逆时针方向等间距布置，嵌入式安装在圆形管道外壁，超声相控阵探头表面均平行于圆形管道外壁切线方向，并与圆形管道外壁由耦合剂进行耦合；

步骤二：超声相控阵传感器激励及接收：按循环激励的方案，依次选定超声相控阵探头进行激励；对激励相控阵探头的M个阵元通道进行时延控制，使其声束在场域内任意距离聚焦；与此同时，其他相控阵探头的所有阵元对圆形管道中传播的超声信号进行接收，并进行信号分析和处理；基于几何位置及声场配置形式计算投影路径，记录并储存对应路径的时变波形数据；

步骤三：考虑在以圆形管道为边界的场域内进行轴向任意距离聚焦，选定超声相控阵探头阵元数为M，阵元节距为s，圆形管道厚度即相控阵探头距离被测场域物理边界切线的距离为DT₀,需要控制的声束轴向聚焦距离为DF，圆形管道内径为R，圆形管道声速为c₁，被测场域内背景介质声速为c₂，计算第i个阵元的渡越时间Δt_{i_focus}，表示如下：

根据渡越时间Δt_{i_focus}计算各阵元时延t_{di_focus}，表示如下：

t_{di_focus}＝max(Δt_{i_focus})-Δt_{i_focus}

步骤四：将步骤三中计算得到的时延分配给超声相控阵探头的各个阵元激励通道，将同一激励电信号进行不同时间的延时，产生幅值相等、相位各不相同的激励电信号并施加在相控阵探头的各阵元上，产生幅值相等、相位相差的超声波激励，通过其叠加、相消及干涉作用，产生不同聚焦距离的超声聚焦波，达到圆形管道内任意点声束聚焦有效控制。

本发明的针对以圆形管道为代表的曲面物理边界致使声束聚焦时延控制产生较大误差以至控制失效的问题，提出一种基于走时相等的超声相控阵声束聚焦时延控制方法，利用斯涅耳定律推导不同位置点声源在曲面界面处的折射角，进而根据惠更斯定理计算不同阵元达到选定聚焦点时的渡越时间，并据此反推各阵元激励通道所需的时延信息。使用所提方法可以在不同材质、厚度及直径的圆形管道中，实现声束的动态聚焦，动态高精度配置激励声场，在满足工业流动过程实时性要求的基础上显著提高了重建结果的求解精度和图像分辨率。

附图说明

图1为超声相控阵层析成像技术的基本测试方案及传感器布置结构示意图；

图2为本发明中提出的存在圆形管道时超声相控阵探头声束聚焦控制方法示意图；

图3为不同管道内径下，使用本发明中所提方法与使用一般控制方法的声束聚焦效果对比图；

具体实施方式

本发明的用于管道内超声相控阵成像的声束聚焦时延控制方法，步骤如下：

步骤一：超声相控阵传感器布置。由多个超声相控阵探头组成超声传感器阵列，每个超声相控阵探头是由固定数目阵元组成的线阵，各阵元具有相同的性能参数且均可独立激励或接收，所有传感器沿逆时针方向等间距布置,嵌入式安装在管道外壁，传感器表面均平行于管道外壁切线方向，并与管道外壁由耦合剂进行耦合。

步骤二：超声相控阵传感器激励及接收。按循环激励的方案，依次选定超声相控阵探头进行激励。对激励相控阵探头的M个阵元通道进行时延控制，使其声束在场域内任意距离聚焦。与此同时，其他相控阵探头的所有阵元对管道中传播的超声信号进行接收，并进行信号分析和处理；基于其几何位置及声场配置形式计算投影路径，记录并储存对应路径的时变波形数据。

步骤三：考虑在以圆形管道为边界的场域内进行轴向任意距离聚焦，选定超声相控阵探头阵元数为M，阵元节距为s，管道厚度(相控阵探头距离被测场域物理边界切线)距离为DT₀,需要控制的声束轴向聚焦距离(管道内聚焦距离)为DF,管道内径为R，管道声速为c₁，被测场域内背景介质声速为c₂。计算第i个阵元的渡越时间Δt_{i_focus}，表示如下：

根据各通道时延计算各阵元时延t_{di_focus}，表示如下：

t_{di_focus}＝max(Δt_{i_focus})-Δt_{i_focus}

步骤四：将步骤三中计算得到的时延分配给超声相控阵探头的各个阵元激励通道，将同一激励电信号进行不同时间的延时，产生幅值相等、相位各不相同的激励电信号并施加在相控阵探头的各阵元上，产生幅值相等、相位相差的超声波激励，通过其叠加、相消及干涉作用，产生不同聚焦距离的超声聚焦波，达到管道内任意点声束聚焦有效控制。

本发明的用于圆形管道内超声相控阵成像的声束聚焦时延控制方法，实施例中针对工业管道中的油气水三相流成像这一超声层析成像技术常见应用形式使用本发明所提方法进行超声相控阵探头声束聚焦时延控制。以下以8个16阵元相控阵组成的超声相控阵换能器阵列为例，详细描述超声相控阵层析成像基本原理及本发明中所提方法的操作步骤及提升效果。下例旨在作为本发明的实施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也包括在本发明的范围内。

图1描述了应用本发明方法的超声相控阵层析成像基本原理图，描述了以水为连续相，气泡与油泡为离散相的超声平面波测试机理。当激励相控阵探头和接收相控阵探头之间形成超声平面波时，在发射相控阵探头与接收相控阵探头的对应阵元间形成测试通路，位于其中的油气水三相介质由于各自的密度不同，会产生不同的超声传播调制效应。由于气泡对超声的强反射作用，入射波基本全部被反射，而气泡尺寸变化会直接影响到达接收探头不同位置阵元的超声强度，最终导致各阵元接收幅值不同，据此获得超声通路内对应气液分布的衰减信息。此外，由于超声波在油相介质和水相介质中的传播速度不同，从激励相控阵探头发射的超声平面波到达接收端的过程中，收发对应阵元间的油水比例不会直接影响该通路内超声的传播时间，因此可利用各个阵元间的延时差异，获得对应超声通路内对应油水分布的时延信息。综合利用超声通路内衰减信息与时延信息，可实现三相介质的相分布重建。

图2描述了超声相控阵探头嵌入式安装在管道上时声束聚焦控制方法示意图。通过控制相控阵探头每个阵元的发射延时时间τ，即可在被测场域内形成方向可变的超声平面波，在精确计算阵元延迟后，可在激励超声相控阵探头和其他相控阵探头之间形成超声聚焦波测量空间。选定超声相控阵探头阵元数为M＝16，阵元节距为s＝1.2mm，管道厚度(相控阵探头距离被测场域物理边界切线)距离为DT₀＝5mm,需要控制的声束轴向聚焦距离(管道内聚焦距离)为DF＝20mm。管道内径为R分别为200mm和100mm，管道声速为c₁＝2730m/s，被测场域内背景介质声速为c₂＝1480m/s。

图3给出了在不同管道内径下，采用本发明所提方法和传统方法进行声束聚焦时延控制效果差异。传统时延控制方法聚焦区域面积较大，聚焦区域距离与设定轴向聚焦距离误差较大，控制失效。所提方法可在不同管径管道存在时有效实现场域内探头轴向任意距离聚焦，聚焦区域面积小，距离误差小；在不同内径管道下声束栅瓣得到有效抑制。

以上所述实施例为本发明的几个示例模型，本发明不局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都在本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种用于圆形管道内超声相控阵成像的声束聚焦时延控制方法，包括下列的步骤：

步骤一：超声相控阵传感器布置：由多个超声相控阵探头组成超声传感器阵列，每个超声相控阵探头是由固定数目阵元组成的线阵，各阵元具有相同的性能参数且均可独立激励或接收，所有超声相控阵探头沿圆形管道逆时针方向等间距布置，嵌入式安装在圆形管道外壁，超声相控阵探头表面均平行于圆形管道外壁切线方向，并与圆形管道外壁由耦合剂进行耦合；

步骤二：超声相控阵传感器激励及接收：按循环激励的方案，依次选定超声相控阵探头进行激励；对激励相控阵探头的M个阵元通道进行时延控制，使其声束在场域内任意距离聚焦；与此同时，其他相控阵探头的所有阵元对圆形管道中传播的超声信号进行接收，并进行信号分析和处理；基于几何位置及声场配置形式计算投影路径，记录并储存对应路径的时变波形数据；

步骤三：考虑在以圆形管道为边界的场域内进行轴向任意距离聚焦，选定超声相控阵探头阵元数为M，阵元节距为s，圆形管道厚度即相控阵探头距离被测场域物理边界切线的距离为DT₀,需要控制的声束轴向聚焦距离为DF，圆形管道内径为R，圆形管道声速为c₁，被测场域内背景介质声速为c₂，计算第i个阵元的渡越时间Δt_{i_focus}，表示如下：

根据渡越时间Δt_{i_focus}计算各阵元时延t_{di_focus}，表示如下：

t_{di_focus}＝max(Δt_{i_focus})-Δt_{i_focus}

步骤四：将步骤三中计算得到的时延分配给超声相控阵探头的各个阵元激励通道，将同一激励电信号进行不同时间的延时，产生幅值相等、相位各不相同的激励电信号并施加在相控阵探头的各阵元上，产生幅值相等、相位相差的超声波激励，通过其叠加、相消及干涉作用，产生不同聚焦距离的超声聚焦波，达到圆形管道内任意点声束聚焦有效控制。

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