一种用于超声层析成像系统的超声激励方法与流程

本发明属于无损检测领域，具体涉及一种用于超声层析成像系统的超声激励方法。

背景技术：

超声层析成像(Ultrasound Computerized Tomography，UCT)技术是过程层析成像技术(Process Tomography，PT)研究的热点之一，利用该技术测量过程参数主要集中在医疗检测、多相流参数检测以及无损检测。UCT传感器的激励方式是UCT系统优化的重要研究内容。

UCT系统传感器的激励方式通常是一激多收、循环激励。单个传感器激发出超声信号的幅值较小，同时由于在UCT系统中管壁及内部各相成分声阻抗差别较大，声波在多相介质中传播时会发生反射、散射和被界面吸收等原因，使声波在传播时衰减幅度大。随着传播距离的增加，声波衰减更为严重，接收传感器只能接收到微弱的信号，提取不到明显的有用信息，导致较差的成像结果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，为提高超声层析成像系统中激励信号的幅值、提高成像质量和分辨率，本发明提供一种用于超声层析成像系统的超声激励方法。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种用于超声层析成像系统的超声激励方法，所述超声层析成像系统(UCT系统)包含一管道，所述超声激励方法包括以下步骤：

步骤S1、设置超声传感器组

所述超声传感器组包含第1超声传感器、第2超声传感器、……、第16超声传感器，由16个独立超声传感器组成，每个超声传感器可以激发和接受宽带扇形声束，16个传感器按逆时针方向等间距的分布在管道外壁上，所述每个超声传感器的表面始终与管道表面平行；

步骤S2、超声信号的激励与接收

首先控制第2超声传感器和第16超声传感器同时发射具有相同频率和波束角的宽带扇形超声信号A₁和B₁，使两个扇形声束的主瓣在管道的水中耦合，合成为一束超声信号C₁，定义为该两个传感器的超声合成信号，依次控制第3超声传感器和第15超声传感器、第4声传感器和第14超声传感器发射超声波A₂和B₂、A₃和B₃，即可获得两个传感器各自的超声合成信号C₂、C₃；这样依次循环激励任意相邻或相间隔两个传感器发射超声波，每两个传感器发出的超声波合成为一个超声信号，随后传感器组中剩余的超声传感器接收超声合成信号，同时对超声合成信号进行时域分析。

作为优选，每个超声传感器通过耦合剂固定于管道外壁上。

相比现有技术，本发明的有益效果如下：

1、通过传感器组中的双传感器激励方式，实现信号耦合，增加合成超声信号的幅值，使接收传感器可以接收到较强检测信号，能够更完整的提取和识别管道中气泡的声学信息。

2、增加系统检测数据量，提高成像质量和分辨率。

附图说明

图1本发明的基本装置图；

图2本发明的基本原理示意图；

图3循环激励任意双传感器组的超声信号合成示意图；

图4双传感器组超声信号合成前后的声压幅值示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种用于超声层析成像系统的超声激励方法，所述超声层析成像系统(UCT系统)包含一管道，所述管道为具有一定壁厚的钢管(圆管)，管道中注满液体，液体含有气泡，所述超声激励方法包括以下步骤：

步骤S1、设置超声传感器组

所述超声传感器组由16个独立超声传感器组成，16个超声传感器具有相同的性质(如共振频率、波束角)，所述超声传感器可以激发/接受宽带扇形声束，16个传感器从第一超声传感器开始按逆时针方向等间距的分布在管道外壁上，超声传感器的表面始终与管道表面平行，每个超声传感器通过耦合剂固定于管道外壁上。如图1所示，编号1-16代表16个超声传感器，即第1超声传感器1、第2超声传感器2、……、第16超声传感器16，外圈大圆17为管道，大圆17中的偏心小圆18为气泡，大圆17中的19代表管道中的液体。

步骤S2、超声信号的激励与接收

超声传感器的波束角一般是指主波束指向性函数在主极大值两侧下降到主极大值的0.707的夹角，为使超声传感器发出的超声波被大部分的接收传感器接收，因此激励和接收传感器均选用波束角较大的超声传感器。如图2、3所示，首先利用控制器控制第2超声传感器2和第16超声传感器16同时发射具有相同频率和波束角的宽带扇形超声信号A₁和B₁，两个传感器的波束角均为θ，使两个扇形声束的主瓣在管道的水中耦合，合成为一束超声信号C₁，定义为该两个传感器的超声合成信号，该超声合成信号的波束角也为θ。依次控制第3超声传感器3和第15超声传感器15、第4声传感器4和第14超声传感器14发射超声波A₂和B₂、A₃和B₃，即可获得两个传感器各自的超声合成信号C₂、C₃。这样依次循环激励任意相邻或相间隔两个传感器发射超声波，每两个传感器发出的超声波合成为一个超声信号，随后传感器组中剩余的超声传感器接收超声合成信号，同时对超声合成信号进行时域分析，合成后超声信号的幅值明显增大。

如图4所示，本发明通过传感器组中的双传感器激励方式发射宽带扇形超声信号，第2超声传感器2和第16超声传感器16同时发射具有相同频率和波束角的宽带扇形超声信号，在水中形成A₁和B₁两个扇形声束，其声压幅值分别为p₁和p₂，两个扇形声束A₁和B₁传播一定的时间后，其主瓣在管道的水中耦合，合成为一束超声信号C₁，合成后的声压信号幅值为p。随后依次控制第3超声传感器3和第15超声传感器15、第4声传感器4和第14超声传感器14发射超声波A₂和B₂、A₃和B₃等，即可获得两个传感器各自的超声合成信号C₂、C₃等。这样依次循环激励任意相邻或相间隔两个传感器发射超声波A_i和B_i，其声压幅值分别为p’₁和p’₂，每两个传感器发出的超声波A_i和B_i传播一定的时间后，其主瓣在管道的水中耦合，合成为一个超声信号C_i，合成后的声压信号幅值为p’，随后传感器组中剩余的超声传感器接收超声合成信号。利用时域分析的手段得知，合成后的声压信号幅值明显提高。通过控制传感器组中发射超声波的两个传感器的位置(间隔)，即可获得不同的超声合成信号，其具有不同的指向性，检测盲区与信号强度。通过传感器组中剩余的超声传感器可以接收到不同信号幅值，便于信号的提取和识别，同时得到了具有高分辨率和高穿透性的超声检测信号。能够更完整地提取到管道中气泡的声学信息，适合于超声层析成像系统对具有强非均匀性的多相流的检测。