一种反演固-固分层介质的介质参数和目标位置的方法与流程

1.本发明涉及超声检测领域的技术领域，具体涉及一种反演固-固分层介质的介质参数和目标位置的方法。


背景技术：

2.对于分界面为平行于表面的水平界面的液-液分层介质，李鉴等在物理学报第37卷第7期发表论文，利用最小二乘法反演出上层液体介质的厚度和压缩波声速；并且利用目标的离散度极小反演出下层液体介质的压缩波声速，从而可利用快照的时间反转和逆时偏移(time reversal and reverse time migration，tr-rtm)方法(物理学报第36卷第11期)实现这种分层介质中目标的定位。然而，该方法仅适用于界面形状为水平形状的液-液分层介质。而在实际检测中，分界面的形状是事先未知的。并且对于固体介质，超声换能器能够在固体中激发出纵波和横波。因此，为实现其中目标的定位，需要对固-固分层介质中的纵横波和界面的位形等介质参数进行反演。
3.综上所述，现需要一种易于实现，计算复杂度低，反演精度高等优点的反演固-固分层介质的介质参数和目标位置的方法。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种反演固-固分层介质的介质参数和目标位置的方法，以解决现有技术中固-固分层介质的目标定位的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种反演固-固分层介质的介质参数和目标位置的方法，包括以下步骤：
6.步骤1：通过两个矩形压电换能器置于固-固分层介质的表面测量上层固体介质头波的声速；
7.步骤2：采用一线性排列的换能器阵列放置固-固分层介质的表面进行检测，通过处理采集的全矩阵数据信号中的幅值最大的纵波反射信号获得界面的声像图，利用成像图定量表征界面的位置和形状；
8.步骤3：基于以上测得的上层介质纵波声速和界面的位形，比较各界面反射波模式的测量旅行时与预测旅行时之差，估计出上层固体介质的横波声速；
9.步骤4：从接收到的多种回波中，筛选出目标散射波，对于接收到的目标散射回波信号组，以目标可能点分布群的最小方差为衡量标准，反演出下层介质纵横波声速；
10.步骤5：目标可能点分布群的中心位置就是目标的定位结果，从而实现了固-固分层介质中目标的定位。
11.进一步地，两个矩形压电换能器的其中一个作为发射换能器，另一个作为接收换能器，根据测量所得表面头波的旅行时，计算出表面头波的声速，即上层固体介质的纵波的声速。
12.进一步地，将线性排列的换能器阵列放置在固-固分层介质的表面，线性排列的换
能器阵列的阵元数为n，每个阵元中心位置为(ai,0)(i＝1,2,3,
…
,i,
…
n)，阵元之间的中心间距均为d，压电换能器每个阵元既作为发射换能器，又作为接收换能器，采用线性换能器阵列多发多收的方式，即每一个阵元依次作为发射阵元发射信号，每一个阵元作为接收阵元接收信号，此时，能够接收n2个数据流，即全矩阵数据。
13.进一步地，接收阵元接收4种界面反射波分别为p
1-p1波，p
1-s1波，s
1-p1波和s
1-s1波，其中，p表示纵波，s表示横波(sv波)，下标
‘1’
表示上层介质，下标
‘2’
表示下层介质；
14.利用全聚焦成像方法处理这全矩阵数据中各接收阵元接收信号幅值最大的第一回波信号，再采用-6db方法定量表征固-固分层介质分界面的位置和形状。
15.进一步地，设置未知的横波声速c
s1x
的初始值，基于snell定律，计算声信号经由发射阵元i(ai,0)，经过界面某点(xs,zs)反射后，到达接收阵元j(aj,0)的旅行时；将此计算获得的旅行时与实际测量得到各回波旅行时进行比较，在单发多收的方式下，各发射-接收对的测量与预测旅行时误差的平方和为：
[0016][0017]
其中，m代表三种不同的反射波的模式，代表尝试声速下的旅行时，代表各测量回波的旅行时。
[0018]
进一步地，采用多级细化搜索方法改变声速值c
s1x
，直至各发射-接收对的测量与预测旅行时误差的平方和最小，此时的声速值就估计为上层固体介质的横波声速。
[0019]
进一步地，在单发多收方式下，可读取识别出的某一目标散射波信号组的旅行时t
ijo
＝t
io
+t
jo
(j＝1,2,
…
i,
…
n)，其中散射波中的入射部分路径所耗费的旅行时为t
io
，散射波的散射部分所耗费的旅行时为t
jo
。
[0020]
进一步地，对某一筛选出的各目标散射波信号组，将散射波历经的路径划分为4段，得到四种可能模式，即p
1-x-y-p1、p
1-x-y-s1、p
1-x-y-p1、p
1-x-y-s1，其中x和y为未知的纵横波声速；
[0021]
初始化纵横波介质参数，将下层区域离散为网格点，按照四种可能模式，计算声波从发射阵元i(ai,0)出发经过到这些点，再从这些点二次经过界面，到达接收阵元j(aj,0)的旅行时：
[0022][0023]
其中，dk是四段路径中的第k段，ck是四种可能模式中对应第k段路径的声速，m为四种可能模式。
[0024]
进一步地，利用发射阵元和接收阵元的中心位置和筛选出的散射波的旅行时，可在下层介质中形成n个弧，其中自发自收阵元对应的弧与其他的弧相交，可能有n-1个交点(x
p
,z
p
)，这些点被称之为目标可能点，n-1个离散的目标可能点形成了一个分布，计算这些目标可能点分布群的方差为：
[0025][0026]
其中，为各目标可能点分布群中横坐标中的均值，为各目标可能点分布群中纵
坐标中的均值；
[0027]
在四种可能模式下，获取方差的最小值和其对应的声速，对应的声速即所求的下层介质的纵横波声速。
[0028]
进一步地，计算下层介质空间中的某点(x,z)到各目标可能点(x
p
,z
p
)的距离和：
[0029][0030]
搜索出使该距离和最小的点，从而反演出固-固分层介质中目标的位置。
[0031]
本发明技术方案，能够实现固-固的分层介质中的目标定位，具有易于实现，计算复杂度低，反演精度高等优点。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
[0033]
图1为根据本发明的反演固-固分层介质的介质参数和目标位置的方法流程示意图；
[0034]
图2为本发明的反演固-固分层介质的介质参数和目标位置的方法的固-固分层介质中声传播路径示意图；
[0035]
图3为本发明的优选实施例的测量钢-铜分层介质的上层纵波声速示意图；
[0036]
图4为本发明的优选实施例的处理全矩阵数据流中幅值最大的第一回波信号后的全聚焦成像图；
[0037]
图5为本发明的优选实施例的各发射-接收对的预测值与测量值的误差随声速变化的曲线图；
[0038]
图6为本发明的优选实施例的在下层介质中所形成弧的交点图；
[0039]
图7为本发明图6的目标可能点和目标定位结果。
具体实施方式
[0040]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
如图1所示的一种反演固-固分层介质的介质参数和目标位置的方法，包括以下步骤：
[0042]
步骤1：通过两个矩形压电换能器置于固-固分层介质的表面测量上层固体介质头波的声速；
[0043]
步骤2：采用一线性排列的换能器阵列放置固-固分层介质的表面进行检测，通过处理采集的全矩阵数据信号中的幅值最大的纵波反射信号获得界面的声像图，利用成像图定量表征界面的位置和形状；
[0044]
步骤3：基于以上测得的上层介质纵波声速和界面的位形，比较各界面反射波模式
的测量值与预测值之差，估计出上层固体介质的横波声速；
[0045]
步骤4：从接收到的多种回波中，筛选出目标散射波，对于接收到的目标散射回波信号组，以目标可能点分布群的最小方差为衡量标准，反演出下层介质纵横波声速；
[0046]
步骤5：目标可能点分布群的中心位置就是目标的定位结果，从而实现了固-固分层介质中目标的定位。
[0047]
具体地，步骤1：通过两个矩形压电换能器置于固-固分层介质的表面测量头波信号，从而实现测量上层固体介质体纵波的声速；其中一个作为发射换能器，另一个作为接收换能器，发射换能器将激发出头波、表面波、各种反射波和目标散射波。其中，头波的速度是最快的，表面头波恰好等于体纵波的声速。因此，测量表面头波的旅行时后，则可以计算出表面头波的声速，也就是上层固体介质的纵波的声速。
[0048]
具体地，步骤2：采用线性排列的换能器阵列放置固-固分层介质的表面进行检测，通过处理采集的全矩阵数据信号中的幅值最大的纵波反射信号获得界面的声像图，利用成像图定量表征界面的位置和形状；
[0049]
将线性排列的换能器阵列放置在固-固分层介质的表面，这个阵列的阵元数为n，每个阵元中心位置为(ai,0)(i＝1,2,3,
…
,i,
…
n)，阵元之间的中心间距均为d，压电换能器每个阵元既作为发射换能器，又作为接收换能器。采用线性换能器阵列多发多收的方式，即每一个阵元依次作为发射阵元发射信号，每一个阵元作为接收阵元接收信号，此时，能够接收n2个数据流，即全矩阵数据。
[0050]
如图2所示，由于发射的声波经过界面或目标都产生出纵波和横波两种波。因此，每个接收阵元接收4种界面反射波。这4种界面反射波分别为p
1-p1波，p
1-s1波，s
1-p1波和s
1-s1波。其中，p表示纵波，而用s表示横波(sv波)，下标
‘1’
表示上层介质，下标
‘2’
表示下层介质。
[0051]
利用全聚焦成像方法处理这全矩阵数据中各接收阵元接收信号幅值最大的第一回波信号，再采用-6db方法定量表征固-固分层介质分界面的位置和形状。
[0052]
具体地，步骤3：基于以上测得的上层介质纵波声速和界面的位形，通过比较各界面反射波模式的测量值与预测值之差，估计出上层固体介质的横波声速；
[0053]
换能器阵列中的接收阵元接收到的第一回波已确定为p
1-p1反射波，读取余下界面反射波的旅行时。设置未知的横波声速c
s1x
的初始值，对于某一发射-接收对{i,j}，声信号由发射阵元i(ai,0)发出后，这时已知纵波的速度，以纵波声速或者尝试的横波声速到达界面上的某点，被界面反射后以尝试的横波的声速或者纵波声速到接收阵元j(aj,0)。那么，在这三种不同的传播模式(p
1-s1波、s
1-p1波或s
1-s1波)下，基于snell定律，可以计算出声信号经由发射阵元i(ai,0)，经过界面某点(xs,zs)反射后，到达接收阵元j(aj,0)的旅行时。将此计算获得的旅行时与实际测量得到各回波旅行时进行比较，在单发多收的方式下，各发射-接收对的测量与预测旅行时误差的平方和为：
[0054][0055]
其中，m代表三种不同的反射波的模式，代表尝试声速下的旅行时，代表各测量回波的旅行时。
[0056]
采用多级细化搜索方法改变声速值c
s1x
，直至这三种模式下各发射-接收对的测量与预测旅行时误差的平方和最小，此时的声速值就估计为上层固体介质的横波声速。
[0057]
从而，就从接收的多种信号中，区分出界面反射信号和目标散射信号，再滤除界面反射信号之后，筛选出目标散射信号。
[0058]
具体地，步骤4：从接收到的多种回波中，筛选出目标散射波，对于接收到的目标散射回波信号组，以目标可能点分布群的最小方差为衡量标准，反演出下层介质纵横波声速。
[0059]
在单发多收方式下，对于识别出的某一目标散射波信号组，由换能器线性阵列的第i个阵元发射的声脉冲信号经过界面折射后到达目标的路径，这一段路径被称之为散射波中的入射部分。历经这段路径所耗费的旅行时为t
io
。当声波被目标散射后，再一次穿过界面，被接收阵元j(j＝1,2,
…
i,
…
n)接收，这段路径被称之为散射波的散射部分，所耗费的旅行时为t
jo
。对于这个目标散射波信号组，可读取该信号组的旅行时t
ijo
＝t
io
+t
jo
(j＝1,2,
…
i,
…
n)。对某一筛选出的各目标散射波信号组，将散射波历经的路径划分为4段，如图2所示，其模式可能为16种，这16种目标散射波分别为p
1-p
2-p
2-p1、p
1-p
2-p
2-s1、p
1-p
2-s
2-p1、p
1-p
2-s
2-s1、p
1-s
2-p
2-p1、p
1-s
2-p
2-s1、p
1-s
2-s
2-p1、p
1-s
2-s
2-s1、s
1-p
2-p
2-p1、s
1-p
2-p
2-s1、s
1-p
2-s
2-p1、s
1-p
2-s
2-s1、s
1-s
2-p
2-p1、s
1-s
2-p
2-s1、s
1-s
2-s
2-p1、s
1-s
2-s
2-s1波等模式。目前，已经获取上层介质的纵横波声速，因此，可认为是四种可能模式，即p
1-x-y-p1、p
1-x-y-s1、p
1-x-y-p1、p
1-x-y-s1，其中x和y为未知的纵横波声速。
[0060]
初始化纵横波介质参数。将下层区域离散为网格点，按照四种可能模式，计算声波从发射阵元i(ai,0)出发经过到这些点，再从这些点二次经过界面，到达接收阵元j(aj,0)的旅行时：
[0061][0062]
其中，dk是四段路径中的第k段，ck是四种可能模式中对应第k段路径的声速，m为四种可能模式。
[0063]
寻找与测量的散射回波旅行时相同对应的点，这些点在下层介质形成一个弧。对于单发多收方式下，则有n个弧，这些弧有n-1个交点(x
p
,z
p
)，这些交点被称之为目标可能点。这n-1个离散的目标可能点形成了一个分布，计算这些目标可能点分布群的方差为：
[0064][0065]
其中，为各目标可能点分布群中横坐标中的均值，为各目标可能点分布群中纵坐标中的均值。
[0066]
从四种可能模式下，获取方差的最小值和其对应的声速，这时对应的声速就是所求的下层介质的纵横波声速。
[0067]
具体地，步骤5：目标可能点分布群的中心位置就是目标的定位结果，从而实现了固-固分层介质中目标的定位。
[0068]
计算下层介质空间中的某点(x,z)到各目标可能点(x
p
,z
p
)的距离和：
[0069]
[0070]
搜索出使该距离和最小的点，从而反演出固-固分层介质中目标的位置。
[0071]
优选实施例：
[0072]
固-固分层介质是以上层介质钢和下层介质铜组成的分层介质，钢的纵波声速为5941m/s，横波声速为3251m/s，厚度为23.7mm。铜的纵波声速为4700m/s，横波声速为2260m/s。在下层介质中打了半径为1mm的孔作为目标。以换能器阵列的第一个阵元的中心位置为坐标原点，目标的中心位置坐标为(18.0mm,39.3mm)。
[0073]
将两个中心频率为2mhz的条状pzt压电陶瓷晶片置于水平界面的钢-铜分层介质的上表面，这两个条状pzt压电陶瓷晶片之间的距离为dh＝32.4mm。一个作为发射换能器，另一个作为接收换能器。接收的信号如图3所示，图中可以明显地看到一个幅值较小的头波被接收阵元接收到。测量获得的头波声速为5978m/s，这个声速接近钢的纵波声速5941m/s。
[0074]
将由20个阵元组成的中心频率为5mhz的换能器阵列置于固-固分层介质表面，采用多发多收方式捕获全矩阵数据，总共接收到400条信号流。
[0075]
采用全聚焦成像方法处理全矩阵数据流中幅值最大的第一回波信号，获得的成像结果如图4所示，通过-6db法定量表征固-固分层介质分界面的位置和形状。
[0076]
基于已获得的上层介质的纵波声速和界面的位形，先设置上层介质横波声速的初始值，可计算出在这个初始声速值下，三种界面反射波模式的旅行时。采用多级细化搜索方法，调整参数，寻找出使模型输出值与测量值的残差平方和最小的声速，如图5所示，反演上层介质的横波声速结果为3314m/s。
[0077]
在反演出上层介质的横波声速之后，从接收的回波中筛选出目标散射波。对于接收到的目标散射回波信号组，以目标可能点分布群的最小方差为衡量标准，反演出下层介质纵横波声速。以处理接收信号的最先接收的目标散射回波为例，分别采用多级细化搜索方法搜索出四种可能模式下的最小方差，再从这四个模式的个体极值中寻优，即从四个个体极值中寻找最小值，获得目标散射波模式为p
1-x-y-p1模式，其中x和y的声速分别为4450m/s和4900m/s，都较接近铜的纵波声速。图6为声波传播至下层介质中所形成的弧，图7为这些弧的交点和交点分布群的中心位置，即目标定位的结果为(18.7mm,38.1mm)。
[0078]
因此，反演获得了固-固分层介质的上下层介质声速和界面位形等介质参数，也实现了目标的定位。
[0079]
本发明提出的反演固-固分层介质的介质参数和目标位置的方法还适用于其它各向同性的固体介质中。
[0080]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。