集成透射式和反射式超聲過程層析成像方法
【專利摘要】本發明涉及一種集成透射式和反射式超聲過程層析成像方法，相對于單一的透射式或反射式超聲層析技術，可以在不增加換能器數目的前提下，大幅提高所獲的投影數據量。綜合考慮透射波峰值大小信息和反射波的渡越時間信息，更好的約束目標物出現位置的區域，從而大大減少原始強度圖像的造影，提高識別的分辨率；以透射式層析成像作為成像基礎，加入反射圖像信息的雙模式重建，可實現圖像閾值優化，能連續地識別動態目標的位置和尺寸特征；透射信息與反射信息的結合不同于其他形式的多模態層析成像技術，是超聲波的具體形式，集成時不會碰到需要安裝不同測量手段的激勵源、不同采集設備等問題，因此大幅提高透射式和反射式超聲過程層析成像系統的集成度。
【專利說明】
集成透射式和反射式超聲過程層析成像方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種超聲過程層析成像，特別涉及一種集成透射式和反射式超聲過程 層析成像方法。
【背景技術】
[0002] 兩相流的相界面，即流型，極大地影響了流動參數的測量精度。對過程流型進行實 時地成像分析，在許多工業和科學研究領域起著主導作用。例如，石油管道中的氣、液兩相 輸送或者冶金行業液、固兩相的漿料輸運，其相關的流型參數的測量對流動過程的成本核 算，質量監測及其重要。
[0003] 在過程層析技術領域，超聲波以其方向性好，穿透能力強，對被檢測物質或人體沒 有損害以及無放射性物質等特點，已成為工業過程檢測的重要方法之一。早期研究者們已 經對利用單一的透射波信號或者單一的反射波信號進行了大量的研究。過去20年間，傳統 的透射式層析成像和反射式的層析成像都得到較快的發展，但是也出現了一些技術瓶頸， 目前尚沒有成熟的技術可用于現場的在線自動監測。主要因素是，單一的透射式二值線性 反投影算法以及反射式弧形反投影算法會存在兩個不足。一是如果投影數據量有限，兩者 重建的原始強度圖像都存在造影，降低了對流型的分辨率。二是原始強度圖像進行精確的 二值分割處理時，單模式的重建算法無法對最優的圖像分割閾值進行判斷。
[0004] 透射式層析成像和反射式層析成像，是兩種各有側重的成像方法。前者重建的物 體形狀封閉性較好;后者重建的尺寸穩定性較好，兩種模式在重建形狀和尺寸方面表現出 了互補性。但是，這兩種模式又有很多相似的地方，二者都是聲波的波形信息，并且測量模 式都可以采取通的用扇形束掃描。所以，透射信息與反射信息的結合不同于目前有著廣泛 研究價值的多模態層析成像技術，它不會碰到需要安裝不同測量手段的激勵源、采集設備 等問題，這給集成透射式-反射式超聲過程層析成像系統帶來了便利。因此將這兩種模式綜 合運用是一種非常理想的檢測方案。
【發明內容】
[0005] 本發明是針對透射式層析成像和反射式層析成像各自存在的問題，提出了 一種集 成透射式和反射式超聲過程層析成像方法，通過同時獲得扇形束掃描過程中的透射波峰值 和反射波的渡越時間，設計綜合兩者信息的雙模式重建算法，獲得更多的有效投影數據以 及實現圖像二值分割的最優求解。
[0006] 本發明的技術方案為:一種集成透射式和反射式超聲過程層析成像方法，若干個 超聲換能器陣列排布在被檢測物件的周圍，各個超聲換能器位置確定，每個超聲換能器與 一個對應的通道的發射和接收電路相連，超聲換能器陣列工作時，一個換能器作為發射器， 其他換能器和此發射器同步接收信號，并通過可編程門陣列FPGA設定發射時序來控制通道 切換，將各個通道對應的換能器依次切換為發射和接收狀態，其余為接收狀態，所有換能器 都發射一次即完成一次掃描;不停重復掃描，接收換能器接收到聲波信號后經接收放大電 路放大，通過高速A/D采集，再通過FPGA將各個通道的波形數據傳送到微處理器ARM的存儲 單元，通過網線連接以太網控制器與上位機進行數據傳輸，后臺的信號處理模塊對波形數 據進行處理之后送入圖像重建算法，根據透射波峰值的大小，判斷被檢測物件路徑，結合反 射波在該路徑的所得的渡越時間信息，確定該路徑上被檢測物件具體的位置，在此雙模式 下進行波形信息重建，對最優的圖像分割閾值進行判斷，最終完成流型識別。
[0007] 所述在此雙模式下進行波形信息重建方法為同時確定每條投影路徑上透射波峰 值和反射回波的渡越時間，在透射波指向性明確的基礎上，加入反射波對障礙物體位置信 息的輔助判斷，更好地約束目標物出現位置的區域，實現步驟如下：
[0008] 1)讀取i發射換能器到j接收換能器Ti-Rj路徑上透射波峰值矩陣STl, Rj和反射回波 的渡越時間TTi,Rj，單位為S，以及聲速V，單位為m/s;
[0009] 其 口
[0010] 式中，其中i、j表示的是發射換能器編號和接收換能器的編號，VTi,Rj是Ti-Rj路徑 上的衰減后信號幅值與背景信號幅值的比值;V T是信號閾值；
[0011] 2)若i = j，置STi,Rj = 0,執行下一步；
[0012] 3)若i辛j且STi,Rj = 0，讀入該對應路徑上的自發自收換能器所獲得的渡越時間 TTl,Rl，取圓弧的外側，即凸面側，與舊1(」-1)，11所圍成的區域為新的區域，圖像矩陣對此 區域增加權重"2"，表示存在被測物體的可能較大；圓弧的圓心位于發射換能器位置，圓弧 直徑為該自發自收回波在渡越時間內傳播的距離；
[0013] 4)若i辛j且STi,Rj = 1，讀入該對應路徑上的接收換能器所獲得的渡越時間TTi,Rj， 取橢圓弧的內側，即凹面側，與化_1(」-1)，11所圍成的區域為新的區域，圖像矩陣對此區域 增加權重"1"，表示存在被測物體的可能較小；橢圓弧的橢圓焦點為發射、接收換能器的位 置，橢圓弧上的點到兩焦點的距離之和為該接收器接收回波信號的在渡越時間內傳播的距 離。
[0014] 所述對最優的圖像分割閾值進行判斷，是將透射式層析成像作為成像的基礎，加 入反射重建圖像的補充信息，首先，對透射式不施加圖像閾值矩陣作用，可獲得的透射原始 強度圖像;通過搜索反射強度圖像的最大權重值，獲得在反射圖像上被測物輪廓的位置;最 后，求解被測物輪廓的位置在原始透射強度圖像上的權重值；
[0015]其通過搜索反射強度圖像的最大權重值，獲得在反射圖像上被測物輪廓的位置數 學過程為：
[0016]
[0017]式中，V(x，y)為重建圖像中各網格的權重值，η為超聲換能器陣列中超聲換能器的 個數，MTl…為Ti-Rj路徑上所定義的標準化敏感系數矩陣；（Xr，yr)是反射強度圖像上被測 物輪廓的位置，假設可以獲得單一反射式重建圖像的被測物體輪廓的個數為m，利用輪廓的 位置的輔助信息，將其施加到透射式重建過程中，實現對重建過程最優圖像閾值的求解;采 用最小二乘擬合的方法求解透射重建圖像的最優閾值Topt，其數學計算過程如下：
[0018]
[0019] 兵甲，;IS算付虧min的功酡是使得兵作用的衣込式取得最小值；
[0020] 解得之后，將透射原始圖像的權重值V(x，y)與心^進行比較，將圖像分割為兩 個部分，分割后的圖像為:若￥(^7)>1'。^為黑，￥(1，7)<1'。 [^為白，即為通常所說的圖像二 值化，以獲得更為直觀的流型圖像。
[0021 ]本發明的有益效果在于:本發明集成透射式和反射式超聲過程層析成像方法，相 對于單一的透射式或單一的反射式超聲層析技術，此法可以在不增加換能器數目的前提 下，大幅提高所獲的投影數據量。算法可以綜合考慮透射波峰值大小信息和反射波的渡越 時間信息，可以更好的約束目標物出現位置的區域，從而大大減少了原始強度圖像的造影， 提高了識別的分辨率;單模式的重建算法無法對最優的圖像分割閾值進行判斷，最優圖像 閾值的不確定性會給連續成像造成困難。以透射式層析成像作為成像基礎，加入反射圖像 信息的雙模式重建，此法可實現圖像閾值優化，能連續地識別動態目標的位置和尺寸特征； 透射信息與反射信息的結合不同于其他形式的多模態層析成像技術，兩者是超聲波的具體 形式，集成時不會碰到需要安裝不同測量手段的激勵源、不同采集設備等問題，因此可以大 幅提高透射式-反射式超聲過程層析成像系統的集成度。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明集成透射式和反射式超聲過程層析成像系統結構示意圖；
[0023]圖2為本發明中處理波形信息的過程示意圖；
[0024] 圖3為本發明實施例中投影過程示意圖
[0025] 圖4為本發明實施例中透射式反投影重建過程示意圖；
[0026] 圖5為本發明實施例中反射式反投影重建過程示意圖；
[0027] 圖6為本發明實施例中耦合雙模式波形信息重建的過程示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 如圖1所示集成透射式和反射式超聲過程層析成像系統結構示意圖，系統主要包 括三大部分:測量區域100、多通道超聲發射/接收系統200、圖像重建及顯示系統300。其中， 測量區域100包括圓柱管道110和裝有若干個超聲換能器120的陣列裝置130組成。在整個成 像系統開始工作時，在待測圓柱管道110的某個需要研究的圓截面上，安裝一圈由若干個超 聲換能器120組成的圓環陣列裝置130。待測管道可以是其它形狀，對應裝有若干個超聲換 能器的陣列裝置也可以根據管道截面積形狀設計，保證待測管道到各個超聲換能器的位置 關系明確即可。待測目標140沿著管道110流動方向150運動，其在研究截面的位置處的大小 和數目均有發生變化。所述的若干個超聲換能器120與超聲換能器個數對應通道數的超聲 發射/接收系統200中的發射/接收電路210相連，其中有且只有一個換能器作為發射器，其 他換能器同步接收信號(發射器也接收信號），并通過可編程門陣列FPGA 220設定發射時序 來控制通道切換230,目的是將各個通道對應的換能器依次切換為發射和接收狀態，其余為 接收狀態。待所有換能器都發射一次即完成一次掃描。以此，不停重復掃描。掃描投影數據 是接收換能器接收到聲波信號后經接收放大電路放大，通過高速A/D 240采集，再通過FPGA 220將各個通道的波形數據傳送到微處理器ARM 250的存儲單元260。通過網線270連接以太 網控制器280與上位機310進行數據傳輸。后臺的信號處理模塊320對波形數據進行處理之 后送入圖像重建算法330,完成實時的流型識別（流型識別包括待測物體的位置、大小及形 狀)。
[0029]在本發明采用的扇形束掃描的工作模式中，信號處理模塊320處理過程如圖2所 示:假設在管徑為D(單位:m)的被測管道上均勻布置8個換能器120,換能器的發散角大于 160°的柱面式超聲換能器。圖2是1號換能器發射，其余接收的情形。對自發自收的1號換能 器而言，沒有透射的信息只有反射的信息。所以，對圖2的發射/接收情形，總共可以獲得7個 透射波信號和8-n個反射波信號，η表示的是處在被物體遮擋區域的換能器總數。考慮到實 際波形在介質中的衰減，最遠的反射波聲程可認為是管道直徑的兩倍，即2D。所以，每條投 影路徑上都選取需處理的波形信號長度2D。另外，由于換能器個數和管道尺寸固定（以8個 換能器為例），則每條投影的波形信號所含透射波的位置距離信號起點的長度Dn…(單位： m)可按下式確定：
[0030]
⑴
[0031]其中i、j表示的是發射換能器編號和接收換能器的編號（1、」=1，2"_8)，確定透射 波的檢測位置，以此來區分透射波和反射波。然后相應的檢測區域提取透射波的峰值信息。 在反射波處理區域，主要是通過信號閾值進行判斷，提取反射波峰值處的時間信息，即反射 波的渡越時間。最后將Ti-Rj路徑上的透射波峰值和反射回波的渡越時間傳到重建算法模 塊330,進行圖像重建。
[0032] 以水(連續相）、空氣（離散相)組成的氣液兩相流為例，如果超聲波在混合物介質 中傳播的波長比氣泡的直徑小得多時，聲波對氣泡的衍射現象可以忽略。此時，透射模式或 反射模式成像的斷層重建，都可以滿足射線近似下傳播特點。實施過程具體可以按照圖3的 投影所示。其中，1號換能器作為發射器，并選取其中的透射波410,420,430。透射波410， 420,作用在被測對象上產生的反射波440、450分別被自發自收的1號換能器和3號接收換能 器接收到。
[0033] 基于上述幾何近似理論，透射式的二值線性反投影算法重建過程需先定義標準化 敏感系數矩陣，并與對應的信號矩陣相乘。然后定義圖像閾值矩陣，進行圖像二值化。對于8 個換能器構成的掃描模式，上述算法的數學模型為：
[0034]
[0035] 式中，V(x，y)為重建圖像中各網格的權重值;MTi,Rj(x，y)為Ti-Rj路徑上所定義的 標準化敏感系數矩陣;B(x，y)為圖像閾值矩陣;透射波峰值矩陣S Tl,Rj處理過程如下：
[0036]
⑶
[0037]式中，VTl…是Ti-Rj路徑上的衰減后信號幅值與背景信號幅值的比值;VT是信號閾 值。
[0038] 對應地，圖4所示的是透射式反投影過程的示意圖。投影時發現接收到的透射波強 度很弱時，如傳播路徑中被物體遮擋的5號換能器，對應的反投影過程是：由接收換能器間 隔的中點M5，M4和發射換能器位置T/R1組成的三角形區域表示目標物的影響區間，圖像矩 陣對此區域增加權重"2"，表示存在被測物體的可能較大；當投影中發現接收到的透射波強 度很強時，如圖3所示的沒有物體遮擋的3號換能器，對應的反投影三角區增加權重"1"，表 示存在被測物體的可能較小。所以，透射式重建的主要是根據透射波峰值的大小，判斷該路 徑上有無物體。即指向性好，可以確定該路徑上物體有無方面的信息。但是，其缺點是無法 確定該路徑上障礙物體具體的位置。
[0039] 基于幾何近似理論，反射模式使用的是弧形反投影算法。重建過程根據投影路徑 信息以及該路徑的所得的渡越時間確定反投影弧線的位置。綜合疊加一次掃描中所有投影 路徑所得的弧線，可以得到障礙物的輪廓。圖3示例的反射波信號的反投影重建過程如圖5 所示，對自發自收的換能器1，反投影是一條圓弧，圓心位于T/R1，圓弧直徑為發射器發出信 號到障礙物后回到發射器的回波（自發自收)在渡越時間內傳播的距離;對于接收換能器3 而言，反投影是一條橢圓弧，橢圓的焦點為發射、接收換能器的位置，橢圓弧上的點到兩焦 點的距離之和為該接收換能器接收回波信號的在渡越時間內傳播的距離。所以，反射式重 建可以確定被測物的位置信息，但是指向性不好。
[0040] 改進的圖像重建算法以單模式的透射反投影算法和反射反投影算法為基礎。圖像 重建算法模塊內嵌的改進算法分為改進原始強度圖像的耦合雙模式波形信息重建算法和 圖像閾值最優化的耦合雙模式圖像的圖像處理方法兩個部分：
[0041] 1、改進原始強度圖像的耦合雙模式波形信息重建算法
[0042] 同時確定每條投影路徑上透射波峰值和反射回波的渡越時間，在透射波指向性明 確的基礎上，加入反射波對障礙物體位置信息的輔助判斷，更好地約束目標物出現位置的 區域。實現步驟如下：
[0043] (1)讀取Ti-Rj路徑上透射波峰值矩陣STl,Rj(0或1)和反射回波的渡越時間T Tl,Rj (單位:s)以及聲速v(單位:m/s)。
[0044] (2)若 i = j，置 STi,Rj = 0,執行下一步。
[0045] (3)若且STi,Rj = 0,讀入該對應路徑上的自發自收換能器所獲得的渡越時間 !>1,1?1。然后按圖6所示的方法，取圓弧的外側（凸面側），與舊1(」-1)，11所圍成的區域為新 的區域，圖像矩陣對此區域增加權重"2"。
[0046] (4)若i辛j且STi, Rj = 1，讀入該對應路徑上的接收換能器所獲得的渡越時間TTi, Rj。 然后按圖6所示的方法，取橢圓弧的內側(凹面側），與舊，1(」-1)，11所圍成的區域為新的區 域，圖像矩陣對此區域增加權重"Γ。
[0047]通過上述方式結合兩種波形信息，更好地約束目標物出現位置的區域，大大減少 了原始強度圖像的造影。
[0048] 2、圖像閾值最優化的耦合雙模式圖像的圖像處理方法
[0049]對原始強度圖像進行精確的二值分割處理，是一種后期圖像處理技術。它是提高 流型分析的有效的手段之一，其過程是要選取一個比較合理的圖像閾值，以確定圖像中每 個像素點應該屬于目標區域還是背景區域，從而產生相應的二值圖像。目前，單模式的重建 算法由于缺少被測物體的輔助信息無法對最優的圖像分割閾值進行判斷。基于上述分析， 為求解重建過程最優圖像閾值，將單一的透射式層析成像作為成像的基礎，加入單一的反 射式重建圖像關于被測物體位置的補充信息。其實施過程如下:首先，對單一透射式不施加 圖像閾值矩陣作用，可獲得的透射原始強度圖像;第二，可獲得反射式原始重建圖像上權重 值最大的位置，這些位置出現在是被測物的輪廓上，通過搜索反射強度圖像的最大權重值， 可以獲得這些在反射圖像上被測物輪廓的位置。最后，求解這些被測物輪廓的位置在原始 透射強度圖像上的權重值。其數學過程為：
[0050]
(4)
[0051] 其中，（Xr，yr)是反射強度圖像上被測物輪廓的位置，8為換能器個數。假設可以獲 得單一反射式重建圖像的被測物體輪廓的個數為m(單位:個）。利用這些輪廓的位置的輔助 信息，將其施加到透射式重建過程中，實現對重建過程最優圖像閾值的求解。該過程主要采 用最小二乘擬合的方法求解透射重建圖像的最優閾值Topt，其數學計算過程如下：
[0052]
(汾
[0053] 其中，運算符號min的功能是使得其作用的表達式取得最小值。
[0054] 解得之后，將透射原始圖像的權重值V(x，y)與心^進行比較，將圖像分割為兩 個部分。分割后的圖像為:若￥(^7)>1^(為黑），￥(^ 7)<1^(為白），即為通常所說的圖 像二值化，以獲得更為直觀的流型圖像。
【主權項】
1. 一種集成透射式和反射式超聲過程層析成像方法，其特征在于，若干個超聲換能器 陣列排布在被檢測物件的周圍，各個超聲換能器位置確定，每個超聲換能器與一個對應的 通道的發射和接收電路相連，超聲換能器陣列工作時，一個換能器作為發射器，其他換能器 和此發射器同步接收信號，并通過可編程口陣列FPGA設定發射時序來控制通道切換，將各 個通道對應的換能器依次切換為發射和接收狀態，其余為接收狀態，所有換能器都發射一 次即完成一次掃描;不停重復掃描，接收換能器接收到聲波信號后經接收放大電路放大，通 過高速A/D采集，再通過FPGA將各個通道的波形數據傳送到微處理器ARM的存儲單元，通過 網線連接W太網控制器與上位機進行數據傳輸，后臺的信號處理模塊對波形數據進行處理 之后送入圖像重建算法，根據透射波峰值的大小，判斷被檢測物件路徑，結合反射波在該路 徑的所得的渡越時間信息，確定該路徑上被檢測物件具體的位置，在此雙模式下進行波形 信息重建，對最優的圖像分割闊值進行判斷，最終完成流型識別。2. 根據權利要求1所述集成透射式和反射式超聲過程層析成像方法，其特征在于，所述 在此雙模式下進行波形信息重建方法為同時確定每條投影路徑上透射波峰值和反射回波 的渡越時間，在透射波指向性明確的基礎上，加入反射波對障礙物體位置信息的輔助判斷， 更好地約束目標物出現位置的區域，實現步驟如下： 1) 讀取i發射換能器到j接收換能器Ti-Rj路徑上透射波峰值矩陣Sti,r神日反射回波的渡 越時間TTi,Rj，單位為S，W及聲速V，單位為m/s; 其中式中，其中i、j表示的是發射換能器編號和接收換能器的編號，是Ti-Rj路徑上的 衰減后信號幅值與背景信號幅值的比值;Vt是信號闊值； 2) 若i = j,置STi,Rj = 0,執行下一步； 3 )若i刮且STi, Rj = 0，讀入該對應路徑上的自發自收換能器所獲得的渡越時間TTi, Ri，取 圓弧的外側，即凸面側，與1^'，1〇-1)，11所圍成的區域為新的區域，圖像矩陣對此區域增加 權重"2"，表示存在被測物體的可能較大；圓弧的圓屯、位于發射換能器位置，圓弧直徑為該 自發自收回波在渡越時間內傳播的距離； 4 )若i聲j且STi, Rj = 1，讀入該對應路徑上的接收換能器所獲得的渡越時間TTi,Rj，取楠圓 弧的內側，即凹面側，與1^'，1〇'-1)，1'1所圍成的區域為新的區域，圖像矩陣對此區域增加權 重"Γ，表示存在被測物體的可能較小;楠圓弧的楠圓焦點為發射、接收換能器的位置，楠圓 弧上的點到兩焦點的距離之和為該接收器接收回波信號的在渡越時間內傳播的距離。3. 根據權利要求2所述集成透射式和反射式超聲過程層析成像方法，其特征在于，所述 對最優的圖像分割闊值進行判斷，是將透射式層析成像作為成像的基礎，加入反射重建圖 像的補充信息，首先，對透射式不施加圖像闊值矩陣作用，可獲得的透射原始強度圖像;通 過捜索反射強度圖像的最大權重值，獲得在反射圖像上被測物輪廓的位置;最后，求解被測 物輪廓的位置在原始透射強度圖像上的權重值； 其通過捜索反射強度圖像的最大權重值，獲得在反射圖像上被測物輪廓的位置數學過 程為：式中，V(x，y)為重建圖像中各網格的權重值，η為超聲換能器陣列中超聲換能器的個 數，為Ti-Rj路徑上所定義的標準化敏感系數矩陣；（Xr，yr)是反射強度圖像上被測物 輪廓的位置，假設可W獲得單一反射式重建圖像的被測物體輪廓的個數為m，利用輪廓的位 置的輔助信息，將其施加到透射式重建過程中，實現對重建過程最優圖像闊值的求解;采用 最小二乘擬合的方法求解透射重建圖像的最優闊值Topt，其數學計算過程如下：其中，運算符號min的功能是使得其作用的表達式取得最小值； 解得TDpt之后，將透射原始圖像的權重值V(x，y)與TDpt進行比較，將圖像分割為兩個部 分，分割后的圖像為:若八義，7)〉1'。。*為黑，￥^，7)<1'。。*為白，即為通常所說的圖像二值化，^ 獲得更為直觀的流型圖像。
【文檔編號】G01N11/00GK105973752SQ201610255639
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月22日
【發明人】顧建飛, 蘇明旭, 田昌, 賈楠
【申請人】上海理工大學