超聲層析成像檢測系統的研究與實現

1 引言
層析成像CT(Computed Tomography)是指通過物體外部檢測到的數據來重建物體內部(橫截面)信息的技術，又稱為計算機輔助斷層成像技術。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，從而得到物體內部圖像。它是一種由數據到圖像的重建技術，通過偽彩色圖像反映被測材料或制件內部質量，定性、定量分析其缺陷，從而提高檢測的可靠性。層析成像技術創新了探測物質內部結構。該技術可應用于多種能量波和粒子束，如X射線、電子質子、超聲波等。
CT應用超聲波能量稱為超聲層析成像U-CT(Ultrasonic-Computed Tomography)。早期研究假設超聲波在物體內部以直線傳播，利用發射器到接收器之間的時間延遲或振幅衰減，重建物體內部的聲速、吸收特性等參數。但實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的設計。

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

根據試件形狀，將探頭陣列按照一定次序捆綁在試件周圍，其原則是應均勻布置，這樣有利于數據處理過程中網格的劃分和射線追蹤。在脈沖信號的控制下，當其中一個作為發射探頭時，其余探頭作為接收探頭，各個探頭依次發射超聲波信號。探頭的個數由所測試件的大小、測量精度、網格劃分情況等因素決定。采取該布置方法的優點：可實現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成像系統的總體設計
該系統由超聲發射接收電路、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成像檢測系統由數據(聲時)采集、數據處理，以及圖像處理顯示3部分構成。所需設備和元件包括：若干超聲發射探頭和接收探頭；由單片機組成的脈沖控制電路；2個讀寫存儲器RAM；2個由DSP組成的數字信號處理電路(分別內置射線追蹤程序和反演迭代程序)，及DSP驅動的顯示陣列LCD。

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