超聲層析成像檢測系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

1 引言
層析成像CT(Computed Tomography)是指通過物體外部檢測到的數(shù)據(jù)來重建物體內(nèi)部(橫截面)信息的技術(shù)，又稱為計(jì)算機(jī)輔助斷層成像技術(shù)。它是把不可分割的對象假想切成一系列薄片，分別給出每一薄片上的物體圖像，然后再把該系列圖像疊加起來，從而得到物體內(nèi)部圖像。它是一種由數(shù)據(jù)到圖像的重建技術(shù)，通過偽彩色圖像反映被測材料或制件內(nèi)部質(zhì)量，定性、定量分析其缺陷，從而提高檢測的可靠性。層析成像技術(shù)創(chuàng)新了探測物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該技術(shù)可應(yīng)用于多種能量波和粒子束，如X射線、電子質(zhì)子、超聲波等。
CT應(yīng)用超聲波能量稱為超聲層析成像U-CT(Ultrasonic-Computed Tomography)。早期研究假設(shè)超聲波在物體內(nèi)部以直線傳播，利用發(fā)射器到接收器之間的時(shí)間延遲或振幅衰減，重建物體內(nèi)部的聲速、吸收特性等參數(shù)。但實(shí)際超聲波具有明顯的衍射特征，在界面上具有顯著的折射、衍射，因而傳播路徑復(fù)雜，這使得U-CT的理論研究和X射線層析成像(X-CT)有所不同。獲得更清晰的圖像檢測效果則成為首要問題，因此，這里提出一種超聲層析成像檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 超聲CT陣列檢測方法
針對超聲層析成像檢測中數(shù)據(jù)提取較困難的特點(diǎn)，為提高精度，在深入研究超聲場的特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)，這里并未采用目前主流的依次排列的一線式布置方法，而是采用環(huán)繞式陣列檢測方法，如圖1所示。

根據(jù)試件形狀，將探頭陣列按照一定次序捆綁在試件周圍，其原則是應(yīng)均勻布置，這樣有利于數(shù)據(jù)處理過程中網(wǎng)格的劃分和射線追蹤。在脈沖信號的控制下，當(dāng)其中一個作為發(fā)射探頭時(shí)，其余探頭作為接收探頭，各個探頭依次發(fā)射超聲波信號。探頭的個數(shù)由所測試件的大小、測量精度、網(wǎng)格劃分情況等因素決定。采取該布置方法的優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)任意形狀試件的檢測，具有良好的通用性；獲得較精確的檢測信息。

3 基于DSP的超聲CT成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)由超聲發(fā)射接收電路、信號采集、控制電路、信號處理與顯示部分組成，如圖2所示。整個超聲CT成像檢測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)(聲時(shí))采集、數(shù)據(jù)處理，以及圖像處理顯示3部分構(gòu)成。所需設(shè)備和元件包括：若干超聲發(fā)射探頭和接收探頭；由單片機(jī)組成的脈沖控制電路；2個讀寫存儲器RAM；2個由DSP組成的數(shù)字信號處理電路(分別內(nèi)置射線追蹤程序和反演迭代程序)，及DSP驅(qū)動的顯示陣列LCD。

超聲發(fā)射裝置是由脈沖控制電路以一定周期發(fā)射超聲波，接收探頭接收信號后，通過高精度計(jì)時(shí)器得到最小走時(shí)矩陣，并存儲于存儲器1，從而完成數(shù)據(jù)采集；由存儲器1中的最小走時(shí)矩陣初步建立(假定超聲直線傳播)介質(zhì)內(nèi)部的慢度矩陣，南慢度矩陣按照射線追蹤得到走時(shí)路徑，存儲于存儲器2，按照存儲器1，2中的信息，經(jīng)DSP處理，完成方程求解，得到最終精確的慢度矩陣，完成該系統(tǒng)的核心功能一數(shù)據(jù)處理；重建的慢度矩陣轉(zhuǎn)化為灰度值，由DSP控制LCD顯示陣列。最后由工程技術(shù)人員對照標(biāo)準(zhǔn)的無缺陷的介質(zhì)，分析試件，確定有無缺陷，缺陷的位置，大小以及嚴(yán)重情況。