基于压缩采样理论的超声CT检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于压缩采样理论的超声CT检测方法，该方法采用压缩采样方法进行优化，改进了传统的超声CT检测方法，可减少数据的采集量。其实施方法为：首先用计算机生成一个随机的测量矩阵，根据测量矩阵确定测量路径，并将发射探头和接收探头分别放置在试件两侧，一端发射一端接收，得到各路径的传播时间，将各个路径的传播时间按照对应的顺序带入到l1优化算法中，最终对混凝土试件内部损伤情况进行重构。本发明专利技术所设计的基于压缩采样的超声CT方法，只需要少量的测量就可以高精度地重构出试件内部的结构，找到损伤位置并且确定损伤的大小，能够大大地加快损伤定位的速度，提高了监测效率，减少了工作量，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于压缩采样理论的超声CT检测方法
本专利技术专利涉及一种基于压缩采样理论的超声CT方法。
技术介绍
压缩采样是由E.J.Candès、J.Romberg、T.Tao和D.L.Donoho等科学家于2004年提出的，其主要应用于图像数据的获取和压缩，压缩采样就是在数据采样时直接采集压缩格式的数据，而不是先采集全部的数据然后再进行压缩处理。这样可以减少数据获取的成本，有利于数据的传输与保存。压缩采样与Nyquist采样定理相比较，采样定理是在模态/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号最高频率的2倍时候，采样之后的数字信号才能完整地保留原始信号的信息。如果信号频率较高的话，那么采样得到的数据量也是巨大的。而压缩采样和采样频率无关，只和信号的稀疏性有关，如果信号是稀疏的或者经过某种变换之后是稀疏的，那么只需要随机采样即可以保留原始信号中的信息，进而通过算法对原始信号进行恢复。在土木结构健康监测中，传统的超声CT法尽管具有人为误差小，监测准确等优点，但是这种传统的方法会耗费极大的人力物力，效率低下，实际应用性差。因此，在建筑行业飞速发展的今天，更多重要的枢纽性建筑如主梁，柱，大坝等迫切需要一种高效的监测方法来保证其在运营期间的安全。
技术实现思路
基于以上不足之处，本专利技术公开一种基于压缩采样理论的超声CT方法，应用于监测高铁无砟轨道，具体步骤如下：第一步：确定测量精度，将要监测的试件在监测平面划分成数个单元；第二步：用计算机生成一个随机的测量矩阵Φ，用于确定测量路线，并用Matlab计算出由各测量路线穿过试件所经过的各单元长度构成字典矩阵A；第三步：根据上步得到的测量矩阵，从传统的超声CT方法的全测量路径中随机地挑选出本次测量路径；第四步：按照第三步得出的测量路径在试件两侧放置发射器和接收器，得到测量路径的传播时间第五步：重复第四步，得到所有选择路径的传播时间，进而构成此次检测的测量向量T′m；第六步：建立试件重构模型如下式：ΔT′m＝T′m-T0＝Φ(A·S-A·S0)＝Φ·A·ΔS(1)其中，ΔT′m为实际检测的传播时间向量T′m与相应路径构成的无损伤状态下的标准传播时间向量T0的差向量，被检测试件的慢度向量s，其与无损伤状态下的标准慢度向量的差为慢度差向量ΔS，由于损伤在试件中是稀疏分布的，因此该慢度向量ΔS也是稀疏的向量；第七步：采用基于压缩采样的凸优化方法进行求解，表达式如下进而有根据重构出的慢度向量还原试件内部损伤情况。本专利技术还具有如下技术特征：进行网格划分时，将监测区划分为p×q＝w个规则网格，w是网格的总数，其中p、q为划分的矩形单元网格数，监测区共有N条射线通过，Li为第i条射线，Ti是第i条射线的旅行时间，定义速度的倒数为慢度s＝1/μ，由Radon公式：其中：tij——是第i条射线在第j个单元中传播的时间Vj(x，y)——第j个单元中波的传播速度sj(x，y)——第j个单元中波的传播的慢度Li——第i条射线的长度设网格足够细，成像单元足够小，每一个单元中的速度Vj(x，y)和慢度sj(x，y)均视为为一个常数，将上式的积分写成如下累计求和的形式：探测中，总共发出的N条超声波射线，每一条射线到达对面的行进时间构成了一个时间向量T＝(T1T2…Tn)T，形成如下方程组的形式：改写成慢度的形式：改写成矩阵的形式：T＝AS(8)其中：T——是所有N次检测超声传播的时间向量；A——是所有N次检测在w个单元中的长度矩阵；aij——超声波在第i个路径上经过第j个单元的长度；S——所有w个单元的慢度向量。随机测量路径的选择由测量矩阵Φ来决定，随机测量矩阵Φ中的所有元素都为0或1，并且每一行只有一个元素为1其余元素均为0，如果第r行第j列的元素为1，意味着选取第j条路径作为第r次随机观测的观测路径，根据测量矩阵Φ从传统的N条全测量路线中随机选取m条测量路线，其中m满足压缩采样的关系m＞μ·K·log(N/K)，μ因问题不同取值不同，μ≈4，这样试件的内部情况就能够被精确重构。在测量中，每个路径读三个传播时间，取平均值作为该路径信号的传播时间。本专利技术的特点和优点：本专利技术克服了传统超声CT检测方法具有的弊端即需要对试件进行大量冗余检测的缺点。该方法只需要少量的测量就能以较高精度重构出试件内部的结构，找到损伤位置和大小，大大地加快了损伤定位的速度，极大地提高监测效率。附图说明图1为灌装柱的超声CT成像结果和示意图；图2为有孔洞损伤结构的超声波的绕行路径；图3为超声波传播路径经过裂缝缺陷的一种典型情况；图4为由计算机生成的一次随机测量矩阵Φ；图5为压缩采样表达式图解；图6为基于压缩采样的超声CT法流程图；图7为试件设计主视图；图8为试件设计侧视图；图9为激励信号波形；图10为超声波经过不同路径传播的波形；图11为由测量矩阵得到的测量路线；图12为压缩采样方法的重构结果；图13为试件情况及网格划分；图14为测量矩阵和随机选取的测量路径；图15为情况1无损情况下的试件的识别情况；图16为情况2试件损伤情况；图17为情况2试件的实际慢度矩阵与无损慢度矩阵的差；图18为情况2有损与无损试件慢度矩阵差的识别结果；图19为情况3试件损伤情况；图20为情况3有损与无损试件慢度矩阵差的识别结果。具体实施方式实施例1当超声波或声波通过物体传播时，物体内部的单元会与波动信号相互作用，对声波的速度产生影响。如果物体内部某处比较致密且坚硬则波动信号传播的速度就会很快，反之，则会减慢，某条测线的波速实际上是构成该条测线各部份波速的综合值，可以计算出声波在物体中传播的速度，来确定物体内部损伤的情况。将物体层(断)面划分成一定数量的网格(亦称成像单元)，一侧激发，另一侧所有点接收，各成像单元被测线多次穿过。采用迭代方法反演各成像单元的波速值，重建物体内部波速图像，这就是声波层析成象的原理及实施技术。图1a)所示是在一段灌注桩中进行CT扫描测量。图1b)是由扫描获得的断面波速等值线色谱图，图中的低波速区正是被包裹在混凝土中的泥砂团。将监测区划分为p×q＝w个规则网格(其中p、q为划分的矩形单元网格数，w是网格的总数)，假设测区共有N条射线(超声波行进路径)通过，Li为第i条射线，Ti是第i条射线的旅行时间，定义速度的倒数为慢度s＝1/V，由Radon公式：其中：tij——是第i条射线在第j个单元中传播的时间Vj(x，y)——第j个单元中波的传播速度sj(x，y)——第j个单元中波的传播的慢度Li——第i条射线的长度假设网格足够细，成像单元足够小，每一个单元中的速度Vj(x，y)和慢度sj(x，y)均视为为一个常数。则可将上式的积分写成如下累计求和的形式：探测中，总共发出的N条超声波射线，每一条射线到达对面的行进时间构成了一个时间向量T＝(T1T2…Tn)T，可以写成如下方程组的形式。改写成慢度的形式：改写成矩阵的形式：T＝AS(5)其中：T——是所有N次检测超声传播的时间向量A——是所有N次检测在w个单元中的长度矩阵(元素各不相同，变化很大)aij——超声波在第i个路径上经过第j个单元的长度S——所有w个单元的慢度向量(速度的倒数)目前工程CT大多采用迭代方法，在层析成像问题中，用得较多的迭代方法有代数重建技术(ART)、最优化准则、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压缩采样理论的超声CT检测方法，其特征在于，步骤如下：第一步：确定测量精度，将要监测的试件在监测平面划分成数个单元；第二步：用计算机生成一个随机的测量矩阵Φ，用于确定测量路线，并用Matlab计算出由各测量路线穿过试件所经过的各单元长度构成字典矩阵A；第三步：根据上步得到的测量矩阵，从传统的超声CT方法的全测量路径中随机地挑选出本次测量路径；第四步：按照第三步得出的测量路径在试件两侧放置发射器和接收器，得到测量路径的传播时间第五步：重复第四步，得到所有选择路径的传播时间，进而构成此次检测的测量向量T′m；第六步：建立试件重构模型如下式：ΔT′m＝T′m‑T0＝Φ(A·S‑A·S0)＝Φ·A·ΔS    (1)其中，ΔT′m为实际检测的传播时间向量T′m与相应路径构成的无损伤状态下的标准传播时间向量T的差向量，被检测试件的慢度向量s，其与无损伤状态下的标准慢度向量的差为慢度差向量ΔS，由于损伤在试件中是稀疏分布的，因此该慢度向量ΔS也是稀疏的向量；第七步：采用基于压缩采样的凸优化方法进行求解，表达式如下ΔS^=argmin(||Θ·ΔS-ΔT||2+λ||ΔS||1)---(2)]]>进而有S^=S0+ΔS^---(3)]]>根据重构出的慢度向量还原试件内部损伤情况。...

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩采样理论的超声CT检测方法，其特征在于，步骤如下：第一步：确定测量精度，将要监测的试件在监测平面划分成数个单元；第二步：用计算机生成一个随机的测量矩阵Φ,用于确定测量路线，并用Matlab计算出由各测量路线穿过试件所经过的各单元长度构成字典矩阵A；第三步：根据上步得到的测量矩阵，从传统的超声CT方法的全测量路径中随机地挑选出本次测量路径；第四步：按照第三步得出的测量路径在试件两侧放置发射器和接收器，得到测量路径的传播时间第五步：重复第四步，得到所有选择路径的传播时间，进而构成此次检测的测量向量T'm；第六步：建立试件重构模型如下式：ΔT'm＝T'm-T0＝Φ(A·S-A·S0)＝Φ·A·ΔS(1)其中，ΔT'm为实际检测的传播时间向量T'm与相应路径构成的无损伤状态下的标准传播时间向量T0的差向量，被检测试件的慢度向量s，其与无损伤状态下的标准慢度向量的差为慢度差向量ΔS，由于损伤在试件中是稀疏分布的，因此该慢度向量ΔS也是稀疏的向量；第七步：采用基于压缩采样的凸优化方法进行求解，表达式如下进而有根据重构出的慢度向量还原试件内部损伤情况，其中，Θ是m×N变换矩阵。2.根据权利要求1所述的一种基于压缩采样理论的超声CT检测方法，其特征在于，测量的总次数为m次，而传统方法的测量次数为N次，m＜＜N；随机的测量路径的选择是由测量矩阵Φ来决定的，随机测量矩阵Φ中的所有元素都为0或1，并且每一行只有一个元素为1其余元素均为0，如果第r行第j列的元素为1，意味着选取第j条路径作为第r次随机观测的观测路径，根据测量矩阵Φ从传统的N条全测量路线中随机选取m条测量路线，其中m满足压缩采样的关系m＞...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文韬，李惠，王冲和，鲍跃全，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23