一种多层分层介质中的目标定位方法与流程

本发明涉及声学检测技术领域，具体涉及一种多层分层介质中的目标定位方法。

背景技术：

声学检测和成像是材料和结构无损探伤和诊断的重要手段，它也是水下探测和地层探测的常用方法。在多层介质中的目标检测一直是超声检测的难题。由于界面的存在，传统的脉冲回波方法很难区别界面信号和目标信号。导致无法实现多层介质中的目标检测和定位。针对这一问题，用时间反转和逆时偏移混合法被提出。对于双层分层介质已经进行了理论和实验研究。那么对于三层及以上分层介质时，由于多层界面的存在，对目标的检测和定位是更加困难的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的声学检测方法无法实现多层分层介质中的目标定位的技术问题，运用时间反转(tr)和逆时偏移(rtm)的混合法解决三层及以上介质中目标检测和定位的难题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多层分层介质中的目标定位方法，将换能器阵列布放于n层介质最上层表面，选择换能器阵列中任意一个阵元作为发射阵元向分层介质内发射前向声束，并将其余阵元作为接收阵元接收由目标反馈的散射信号和各个界面反馈的反射信号；所述方法包括：

步骤1)各个接收阵元对接收到的散射信号和n-1个反射信号均做时间反转处理，模拟生成各接收阵元对应的n个信号的逆向声束；

步骤2)在分层介质空间中各个点，将接收到的前向声束和各阵元对应的逆向声束分别进行卷积处理，以各阵元在同一点卷积后得到的各个最大值之和作为分层介质空间中该点的声场值，由此生成n个信号的声场分布；

步骤3)在n个声场分布中出现单一的山峰状声场对应的信号为目标散射信号，则目标散射信号的声场分布中声场值最高的点对应的坐标为目标位置。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)以阵元i作为发射阵元，发射信号为ω(t)，则接收阵元j接收到的信号为pij(t)：

pij(t)＝m0ijω(t-t0)+m1ijω(t-t1)+…+mn-1ijω(t-tn-1)(1)

其中，m0ij为目标散射系数，mkij为第k个界面的反射系数，0≤k≤n-1；t0为阵元i发射，j接收到的目标散射信号的旅行时；t1,…tn-1分别为阵元i发射，j接收到的n-1个界面反射信号的旅行时；其中，n为介质的层数，t为时刻；

步骤1-2)模拟生成各接收阵元对应的n个信号的逆向声束；

目标散射信号的逆向声束为：阵元i发射声脉冲经过界面反射和目标散射，阵元j接收后提前δt0将接收信号发出的信号r0ij(t)：

r0ij(t)＝m0ij[ω(t-t0+δt0)]^tr+m1ij[ω(t-t1+δt0)]^tr+…+mn-1ij[ω(t-tn-1+δt0)]^tr

其中，δt0为阵元i自发自收信号和阵元i发射阵元j收到信号的时差；

第k个界面反射信号的逆向声束为：阵元i发射声脉冲经过界面反射和目标散射，阵元j接收后提前δtk将接收信号发出的信号rkij(t)：

rkij(t)＝m0ij[ω(t-t0+δtk)]^tr+m1ij[ω(t-t1+δtk)]^tr+…+mn-1ij[ω(t-tn-1+δtk)]^tr

其中，δtk＝2tk-tkk，tk为接收阵元j接收到第k个界面的界面反射信号的旅行时，tkk为阵元i发射信号到第k个界面自发自收的旅行时。

本发明的优势在于：

1、利用本发明的方法能够成功的区分界面反射信号和目标散射信号，抑制界面信号的干扰，使声束在目标(缺陷)处聚焦成像，从而实现多层分层介质中目标的检测和定位；

2、本发明的目标定位方法通过数据分析，仅用一次实验就能鉴别目标和界面信号实现目标(缺陷)定位和检测。

附图说明

图1为本发明提供的一种分层介质中目标或缺陷的声学检测方法流程图；

图2为利用本发明的声学检测方法执行信号发射和接收的状态示意图；

图3(a)为本发明实例中目标在第二层介质中第一个界面反射信号声场分布图；

图3(b)为本发明实例中目标在第二层介质中第二个界面反射信号声场分布图；

图3(c)为本发明实例中目标在第二层介质中目标散射信号声场分布图；

图3(d)为本发明实例中目标在第二层介质中目标位置示意图；

图4(a)为本发明实例中目标在第一层介质中第一个界面反射信号声场分布图；

图4(b)为本发明实例中目标在第一层介质中第二个界面反射信号声场分布图；

图4(c)为本发明实例中目标在第一层介质中目标散射信号声场分布图；

图4(d)为本发明实例中目标在第一层介质中目标位置示意图；

图5(a)为本发明实例中目标在第三层介质中第一个界面反射信号声场分布图；

图5(b)为本发明实例中目标在第三层介质中第二个界面反射信号声场分布图；

图5(c)为本发明实例中目标在第三层介质中目标散射信号声场分布图；

图5(d)为本发明实例中目标在第三层介质中目标位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的方法进行详细说明。

本发明提出一种多层分层介质中的目标检测方法，所述检测方法是基于时间反转和逆时偏移技术相结合的混合方法，利用该方法不但能将目标从界面信号的干扰中鉴别出来，而且能够得到目标(缺陷)的位置信息，即实现目标(缺陷)的定位。如图1所示，所述检测方法具体包括以下步骤：

步骤1)将换能器阵列布放于分层介质表面，选择换能器阵列中任意一个阵元向多层分层介质内发射前向声束，并通过换能器阵列中的其余阵元接收由目标或缺陷反馈的散射信号和界面反馈的反射信号；

步骤2)各个阵元根据接收到的散射信号和反射信号均做时间反转处理，模拟生成各阵元对应的逆向声束；

以阵元i作为发射阵元，发射信号为ω(t)，则接收阵元j接收到的信号为pij(t)：

pij(t)＝m0ijω(t-t0)+m1ijω(t-t1)+…+mn-1ijω(t-tn-1)(1)

其中，m0ij为目标散射系数，mkij为第k个界面的反射系数，0≤k≤n-1；t0为阵元i发射，j接收到的目标散射信号的旅行时；t1,…tn-1分别为阵元i发射，j接收到的n-1个界面反射信号的旅行时；其中，n为介质的层数，t为时刻；

模拟生成各接收阵元对应的n个信号的逆向声束；

目标散射信号的逆向声束为：阵元i发射声脉冲经过界面反射和目标散射，阵元j接收后提前δt0将接收信号发出的信号r0ij(t)：

r0ij(t)＝m0ij[ω(t-t0+δt0)]^tr+m1ij[ω(t-t1+δt0)]^tr+…+mn-1ij[ω(t-tn-1+δt0)]^tr

其中，δt0为阵元i自发自收信号和阵元i发射阵元j收到信号的时差；

第k个界面反射信号的逆向声束为：阵元i发射声脉冲经过界面反射和目标散射，阵元j接收后提前δtk将接收信号发出的信号rkij(t)：

rkij(t)＝m0ij[ω(t-t0+δtk)]^tr+m1ij[ω(t-t1+δtk)]^tr+…+mn-1ij[ω(t-tn-1+δtk)]^tr

其中，δtk＝2tk-tkk，tk为接收阵元j接收到第k个界面的界面反射信号的旅行时，tkk为阵元i发射信号到第k个界面自发自收的旅行时。

步骤3)在分层介质空间中各个点，将接收到的前向声束和各阵元对应的逆向声束分别进行卷积处理，以各阵元在同一点卷积后得到的各个最大值之和作为分层介质空间中该点的声场值，如若此信号卷积后形成单一的山峰状声场分布，则判断此信号为目标散射信号，如若不是，则选用下一个信号进行卷积，比较获得声场值最高的点对应的坐标作为目标(缺陷)所在位置。

下面以三层多层介质的缺陷探测为例，说明以上描述的声学检测方法的具体实施过程。如图2所示，分层介质由声速c1的介质1、声速c2的介质2和声速为c3的介质3组成，缺陷可能在三种介质中，以缺陷在介质2中有目标o，在坐标点(x0，z0)处，在介质1表面z＝0处，安置一个换能器阵列，阵元数有n个，阵元间距为d。

具体操作过程为：

(1)在阵列中，假设以发射阵元i作为信号发射源，坐标为(xi,0)；发射信号为ω(t)，到达接收阵元j，坐标为(xj,0)；接收信号形式表示为：

pij(t)＝aijω(t-t0)+bijω(t-t1)+cijω(t-t2)(1)

其中t0,t1,t2对应为信号发射源发射，j接收到的两个界面反射信号和一个目标散射信号的旅行时。目标可能处于第一层，第二层和第三层介质中。以目标在第二层介质中为例，进行分析：

fi(t)＝ω(t)(2)

而逆向声束rij(t)是发射阵元发射声脉冲经过界面反射和目标散射，到达第j个阵元收到的信号进行时间反转，并提前δt0由j阵元发出，δt0为第一个信号中发射阵元自发自收信号和其他阵元收到信号的时差，即参见图2，此时逆向声束是时间反转后在提前δt0发出，而δt0是通过测量得到的。即接收阵元到接收到发射源(阵元i)经过界面，到达目标散射后回到阵元j的时间。以及发射阵元i发射穿过界面目标散射后在回到阵元i的时间则可以得到：

则逆向声束rij(t)为：

rij(t)＝aij[ω(t-t0+δt0)]^tr+bij[ω(t-t1+δt0)]^tr+cij[ω(t-t2+δt0)]^tr(3)

则对于空间中任意一点(x,z)，在该点将两个信号进行卷积处理：

就可以得到一个脊状分布，脊顶线通过目标的位置。对于不同的阵元，得到不同的脊状分布。但是都经过目标处形成共同的交点，即焦点。因此将这些脊状分布叠加起来：

就形成了山峰状的声场分布，从而确定出目标的位置。

对第一个界面s1的界面反射信号(参见图2)，也采用相同的处理方式。但是其逆向声束的延时这里t1＝r1/c1而是发射阵元发射信号到界面自发自收的旅行时

而对于第二界面s2，同理，相应的这里而因此当延时为或时，也形成一个个取向不同的脊状分布，但是这些脊状分布没有共同的交点，进一步叠加起来后，不能形成单一的突出的山峰状声场分布，且最大值比较小。通过以上的描述的方法，就可以区别界面和目标，同时确定出目标所在位置。

下面，对上述的方法进行声场仿真分析。阵列由20个阵元组成，阵元间距为2mm，阵列总长度为41mm，且第1个阵元位置为于1mm处。上层介质1为硅橡胶，其纵波速度为1020m/s，密度为985kg/m3,厚度20mm。中层介质2为明胶，其纵波速度为1400m/s，密度为1400kg/m3，厚度20mm。底层介质3为水，其纵波速度为1500m/s，密度为1000kg/m3。

首先将目标放置于第二层介质中，其目标点位置为(10mm，30mm)。这时由第一个阵元发射声脉冲，那么在接收阵元将会收到三个信号，根据时间的先后顺序其中第一个信号为界面s1的反射信号，第二为目标散射的信号，第三个信号为界面s2的反射信号。对于自发自收的阵元1来说，也收到三个信号。

对于界面s1和s2，经过tr-rtm处理，得到声场分布图如图3(a)和图3(b)所示。

从图中可以看到并没有突出单一山峰状的声场分布，而是一个散焦较小的不均匀分布。进一步对目标散射信号进行tr-rtm处理，得到的结果图如图3(d)所示，可以看到得到突出的山峰状的声场分布且其焦点就是目标所在位置(x，z)＝(10，30)mm。且聚焦后的声场山峰突出，其最大值是不聚焦的声场的最大值的8倍左右，即18db左右。通过这样可以判断哪个信号是目标散射信号，同时实现对目标的检测和定位。

如图4(a)-图4(d)所示，进一步讨论目标位于第一层介质中的情况，目标位置(10mm，10mm)第一个信号为目标散射信号，第2,3个信号分别为界面s1和界面s2的反射信号。同样有类似的结果如下。

如图5(a)-图5(d)所示，当目标位于第三层介质中，目标位置(10mm，60mm)也有类似的结果。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。