集成透射式和反射式超声过程层析成像方法技术

本发明专利技术涉及一种集成透射式和反射式超声过程层析成像方法，相对于单一的透射式或反射式超声层析技术，可以在不增加换能器数目的前提下，大幅提高所获的投影数据量。综合考虑透射波峰值大小信息和反射波的渡越时间信息，更好的约束目标物出现位置的区域，从而大大减少原始强度图像的造影，提高识别的分辨率；以透射式层析成像作为成像基础，加入反射图像信息的双模式重建，可实现图像阈值优化，能连续地识别动态目标的位置和尺寸特征；透射信息与反射信息的结合不同于其他形式的多模态层析成像技术，是超声波的具体形式，集成时不会碰到需要安装不同测量手段的激励源、不同采集设备等问题，因此大幅提高透射式和反射式超声过程层析成像系统的集成度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超声过程层析成像，特别涉及一种集成透射式和反射式超声过程层析成像方法。
技术介绍
两相流的相界面，即流型，极大地影响了流动参数的测量精度。对过程流型进行实时地成像分析，在许多工业和科学研究领域起着主导作用。例如，石油管道中的气、液两相输送或者冶金行业液、固两相的浆料输运，其相关的流型参数的测量对流动过程的成本核算，质量监测及其重要。在过程层析
，超声波以其方向性好，穿透能力强，对被检测物质或人体没有损害以及无放射性物质等特点，已成为工业过程检测的重要方法之一。早期研究者们已经对利用单一的透射波信号或者单一的反射波信号进行了大量的研究。过去20年间，传统的透射式层析成像和反射式的层析成像都得到较快的发展，但是也出现了一些技术瓶颈，目前尚没有成熟的技术可用于现场的在线自动监测。主要因素是，单一的透射式二值线性反投影算法以及反射式弧形反投影算法会存在两个不足。一是如果投影数据量有限，两者重建的原始强度图像都存在造影，降低了对流型的分辨率。二是原始强度图像进行精确的二值分割处理时，单模式的重建算法无法对最优的图像分割阈值进行判断。透射式层析成像和反射式层析成像，是两种各有侧重的成像方法。前者重建的物体形状封闭性较好；后者重建的尺寸稳定性较好，两种模式在重建形状和尺寸方面表现出了互补性。但是，这两种模式又有很多相似的地方，二者都是声波的波形信息，并且测量模式都可以采取通的用扇形束扫描。所以，透射信息与反射信息的结合不同于目前有着广泛研究价值的多模态层析成像技术，它不会碰到需要安装不同测量手段的激励源、采集设备等问题，这给集成透射式-反射式超声过程层析成像系统带来了便利。因此将这两种模式综合运用是一种非常理想的检测方案。
技术实现思路
本专利技术是针对透射式层析成像和反射式层析成像各自存在的问题，提出了一种集成透射式和反射式超声过程层析成像方法，通过同时获得扇形束扫描过程中的透射波峰值和反射波的渡越时间，设计综合两者信息的双模式重建算法，获得更多的有效投影数据以及实现图像二值分割的最优求解。本专利技术的技术方案为：一种集成透射式和反射式超声过程层析成像方法，若干个超声换能器阵列排布在被检测物件的周围，各个超声换能器位置确定，每个超声换能器与一个对应的通道的发射和接收电路相连，超声换能器阵列工作时，一个换能器作为发射器，其他换能器和此发射器同步接收信号，并通过可编程门阵列FPGA设定发射时序来控制通道切换，将各个通道对应的换能器依次切换为发射和接收状态，其余为接收状态，所有换能器都发射一次即完成一次扫描；不停重复扫描，接收换能器接收到声波信号后经接收放大电路放大，通过高速A/D采集，再通过FPGA将各个通道的波形数据传送到微处理器ARM的存储单元，通过网线连接以太网控制器与上位机进行数据传输，后台的信号处理模块对波形数据进行处理之后送入图像重建算法，根据透射波峰值的大小，判断被检测物件路径，结合反射波在该路径的所得的渡越时间信息，确定该路径上被检测物件具体的位置，在此双模式下进行波形信息重建，对最优的图像分割阈值进行判断，最终完成流型识别。所述在此双模式下进行波形信息重建方法为同时确定每条投影路径上透射波峰值和反射回波的渡越时间，在透射波指向性明确的基础上，加入反射波对障碍物体位置信息的辅助判断，更好地约束目标物出现位置的区域，实现步骤如下：1)读取i发射换能器到j接收换能器Ti-Rj路径上透射波峰值矩阵STi，Rj和反射回波的渡越时间TTi，Rj，单位为s，以及声速v，单位为m/s；其中式中，其中i、j表示的是发射换能器编号和接收换能器的编号，VTi，Rj是Ti-Rj路径上的衰减后信号幅值与背景信号幅值的比值；VT是信号阈值；2)若i＝j，置STi，Rj＝0，执行下一步；3)若i≠j且STi，Rj＝0，读入该对应路径上的自发自收换能器所获得的渡越时间TTi，Ri，取圆弧的外侧，即凸面侧，与Mj，M(j-1)，Ti所围成的区域为新的区域，图像矩阵对此区域增加权重“2”，表示存在被测物体的可能较大；圆弧的圆心位于发射换能器位置，圆弧直径为该自发自收回波在渡越时间内传播的距离；4)若i≠j且STi，Rj＝1，读入该对应路径上的接收换能器所获得的渡越时间TTi，Rj，取椭圆弧的内侧，即凹面侧，与Mj，M(j-1)，Ti所围成的区域为新的区域，图像矩阵对此区域增加权重“1”，表示存在被测物体的可能较小；椭圆弧的椭圆焦点为发射、接收换能器的位置，椭圆弧上的点到两焦点的距离之和为该接收器接收回波信号的在渡越时间内传播的距离。所述对最优的图像分割阈值进行判断，是将透射式层析成像作为成像的基础，加入反射重建图像的补充信息，首先，对透射式不施加图像阈值矩阵作用，可获得的透射原始强度图像；通过搜索反射强度图像的最大权重值，获得在反射图像上被测物轮廓的位置；最后，求解被测物轮廓的位置在原始透射强度图像上的权重值；其通过搜索反射强度图像的最大权重值，获得在反射图像上被测物轮廓的位置数学过程为： V ( x r , y r ) = Σ i = 1 n Σ j = 1 n S T i , R j × M T i , R j , ( x = x r , y = y r ) ]]>式中，V(x，y)为重建图像中各网格的权重值，n为超声换能器阵列中超声换能器的个数，MTi，Rj为Ti-Rj路径上所定义的标准化敏感系数矩阵；(xr，yr)是反射强度图像上被测物轮廓的位置，假设可以获得单一反射式重建图像的被测物体轮廓的个数为m，利用轮廓的位置的辅助信息，将其施加到透射式重建过程中，实现对重建过程最优图像阈值的求解；采用最小二乘拟合的方法求解透射重建图像的最优阈值Topt，其数学计算过程如下： m i n { Σ r = 1 m [ V ( x r , 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成透射式和反射式超声过程层析成像方法，其特征在于，若干个超声换能器阵列排布在被检测物件的周围，各个超声换能器位置确定，每个超声换能器与一个对应的通道的发射和接收电路相连，超声换能器阵列工作时，一个换能器作为发射器，其他换能器和此发射器同步接收信号，并通过可编程门阵列FPGA设定发射时序来控制通道切换，将各个通道对应的换能器依次切换为发射和接收状态，其余为接收状态，所有换能器都发射一次即完成一次扫描；不停重复扫描，接收换能器接收到声波信号后经接收放大电路放大，通过高速A/D采集，再通过FPGA将各个通道的波形数据传送到微处理器ARM的存储单元，通过网线连接以太网控制器与上位机进行数据传输，后台的信号处理模块对波形数据进行处理之后送入图像重建算法，根据透射波峰值的大小，判断被检测物件路径，结合反射波在该路径的所得的渡越时间信息，确定该路径上被检测物件具体的位置，在此双模式下进行波形信息重建，对最优的图像分割阈值进行判断，最终完成流型识别。

【技术特征摘要】
1.一种集成透射式和反射式超声过程层析成像方法，其特征在于，若干个超声换能器阵列排布在被检测物件的周围，各个超声换能器位置确定，每个超声换能器与一个对应的通道的发射和接收电路相连，超声换能器阵列工作时，一个换能器作为发射器，其他换能器和此发射器同步接收信号，并通过可编程门阵列FPGA设定发射时序来控制通道切换，将各个通道对应的换能器依次切换为发射和接收状态，其余为接收状态，所有换能器都发射一次即完成一次扫描；不停重复扫描，接收换能器接收到声波信号后经接收放大电路放大，通过高速A/D采集，再通过FPGA将各个通道的波形数据传送到微处理器ARM的存储单元，通过网线连接以太网控制器与上位机进行数据传输，后台的信号处理模块对波形数据进行处理之后送入图像重建算法，根据透射波峰值的大小，判断被检测物件路径，结合反射波在该路径的所得的渡越时间信息，确定该路径上被检测物件具体的位置，在此双模式下进行波形信息重建，对最优的图像分割阈值进行判断，最终完成流型识别。2.根据权利要求1所述集成透射式和反射式超声过程层析成像方法，其特征在于，所述在此双模式下进行波形信息重建方法为同时确定每条投影路径上透射波峰值和反射回波的渡越时间，在透射波指向性明确的基础上，加入反射波对障碍物体位置信息的辅助判断，更好地约束目标物出现位置的区域，实现步骤如下：1)读取i发射换能器到j接收换能器Ti–Rj路径上透射波峰值矩阵STi,Rj和反射回波的渡越时间TTi,Rj，单位为s，以及声速v，单位为m/s；其中式中，其中i、j表示的是发射换能器编号和接收换能器的编号，VTi,Rj是Ti–Rj路径上的衰减后信号幅值与背景信号幅值的比值；VT是信号阈值；2)若i＝j,置STi,Rj＝0，执行下一步；3)若i≠j且STi,Rj＝0，读入该对应路径上的自发自收换能器所获得的渡越时间TTi,Ri，取圆弧的外侧，即凸面侧，与Mj，M(j-1)，Ti所围成的区域为新的区域，图像矩阵对此区域增加权重“2”，表示存在被测物体的可能较大；圆弧的圆心位于发射换能器位置，圆弧直径为该自发自收回波在渡越时间内传播的距离；4)若i≠j且STi,Rj＝1，读入该对应路径上的接收换能器所获得的渡越时间TTi,Rj，取椭圆弧的内侧，即凹面侧，与Mj，M(j-1)，Ti所围成的区域为新的区域，图像矩阵对此区域增加权重“1”，表示存在被测物体的可能较小；椭圆弧的椭圆焦点为发射、接收换能器的位置，椭圆弧上的点到两焦点的距离之和为该接收器接收回波信号的在渡越时间内传播的距离。3.根据权利要求2所述集成透射式和反射式超声过程层析成像方法，其特征在于，所述对最优的图像分割阈值进行判断，是将透射式层析成像作为成像的基础，加入反射重建图像的补充信息，首先，对透射式不施加图像阈值矩阵作用，可获得的透射原始强度图像；通过搜索反射强度图像的最...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾建飞，苏明旭，田昌，贾楠，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31