專利名稱：基于虛擬儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲成像無損檢測系統(tǒng)及其方法，具體地說，涉及一種基于虛擬 儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
混凝土超聲無損成像探測技術(shù)有助于評估新舊建筑物的穩(wěn)定性和整體性，能夠?qū)?新舊建筑物整體或部分做質(zhì)量狀態(tài)監(jiān)視，能夠用來估計建筑材料和結(jié)構(gòu)的性質(zhì)及性能，并 能對其內(nèi)部含水量、缺陷和損傷進(jìn)行測量和定位，還能夠用來確定建筑材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的 預(yù)應(yīng)力元件的位置，以避免在對建筑材料鉆孔時發(fā)生意外的損傷。隨著混凝土的大規(guī)模使用，對新澆鑄混凝土結(jié)構(gòu)的強度、內(nèi)部缺陷、裂縫等特征 檢測的需要越來越迫切，國內(nèi)外對檢測設(shè)備的開發(fā)極為關(guān)注，如日本Ritec公司開發(fā)了 iTecs系統(tǒng)，美國Olson公司開發(fā)了沖擊回波儀，這些儀器都是通過單點測量，回波間接推 算，需要專業(yè)人員的判讀，無法直觀地顯示混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的特征，且效率低。在公開號為 CN1521503A，發(fā)明名稱“全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測系統(tǒng)及方法”的中國專利中，公開了 一種全數(shù)字相控陣超聲波無損檢測系統(tǒng)，其操作對象為金屬結(jié)構(gòu)，探測效率不高，且其結(jié)構(gòu) 比較龐大，搬移較困難。在申請?zhí)枮镃N200610009691，發(fā)明名稱為“超聲相控陣檢測儀器” 的中國專利中公開了一種超聲相控陣檢測儀器，其采集的數(shù)據(jù)需要在控制器中處理后，然 后經(jīng)高速數(shù)據(jù)傳輸模塊傳到個人計算機進(jìn)行成像，其系統(tǒng)復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理過程繁瑣，不適合 工程應(yīng)用，且其并非針對混凝土結(jié)構(gòu)?？傊?，現(xiàn)有的檢測設(shè)備主要存在著下列不足之處1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)龐大；2)操作 復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理繁瑣；3)探測效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種基于虛擬儀器的合成孔徑聚 焦超聲成像檢測系統(tǒng)。本發(fā)明的基于虛擬儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測系統(tǒng)，包括虛擬儀器系統(tǒng)、 12路換能器陣列、可以控制24路換能器陣列的換能器陣列控制器和UPS不間斷電源，所說 的虛擬儀器系統(tǒng)包括高壓脈沖發(fā)生器、信號放大器、高速信號采集器和配有Labview軟件 程序的微型工控機，均帶有PXI接口，微型工控機帶有觸摸屏，高壓脈沖發(fā)生器、信號放大 器和高速信號采集器集成在微型工控機內(nèi)，所說的微型工控機的串行通信口與換能器陣列 控制器通過屏蔽電纜連接，保證通信的可靠性，所說的換能器陣列控制器與換能器陣列采 用SMA接口的屏蔽同軸線電纜連接，這種接口體積小，耐壓高，傳輸信號的頻率高，衰減小， 便于高壓高頻脈沖的準(zhǔn)確傳輸，所說的高壓脈沖發(fā)生器和高速信號采集器與換能器陣列控 制器采用BNC接口的高頻低衰減的同軸線連接，保證發(fā)射信號與采集信號不失真?zhèn)鬏?。?yōu)選地，所說的換能器陣列控制器中的CPU為ARM單片機，繼電器為耐500V高壓高頻單刀雙路繼電器。所說的換能器陣列采用聚丙烯硬塑料夾固換能器，夾層設(shè)有彈簧，底層設(shè)有聚胺 脂彈性材料，緩沖聲波震動，減小相鄰?fù)ǖ篱g的耦合。本發(fā)明的基于虛擬儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測方法，包括下列步驟1)將換能器陣列置于待測結(jié)構(gòu)表面；2)打開高壓脈沖發(fā)生器；3)操作微型工控機，運行Labview軟件程序，進(jìn)入人機界面；4)調(diào)節(jié)信號放大器，設(shè)置采集參數(shù)；5)選擇“手動采集”或“自動采集”，選擇“粗檢”或“細(xì)檢”；6)開始采集微型工控機通過串口與換能器陣列控制器通信并對其發(fā)送指令，通 過其完成對換能器陣列的控制，換能器陣列按指令切換自動對待測結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描檢測，掃 描完畢后保存采集數(shù)據(jù)；7)選擇“是”或“否”結(jié)束采集，選擇“否”，繼續(xù)回到上一步繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；8)選擇“是”，結(jié)束采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和超聲成像，保存圖像。本發(fā)明中檢測系統(tǒng)中，工控機為控制主機，用Labview軟件建立人機界面并實現(xiàn) 信號的采集、處理、成像，通過串口與換能器陣列控制器的ARM單片機通信來控制陣列換能 器，通過控制換能器陣列控制器中繼電器來控制高壓脈沖通道和信號采集通道的通斷，從 而決定換能器陣列中換能器是處于發(fā)射信號還是接收信號狀態(tài)。高壓脈沖發(fā)生器帶有兩通道輸出信號，一通道為400V雙指數(shù)波信號，一通道為同 步5V雙指數(shù)波信號，高壓信號通過換能器陣列控制器激勵換能器陣列，低壓信號接高速采 集器件的觸發(fā)通道作為觸發(fā)信號。信號放大器具有四路通道，具有程控可調(diào)功能，即可以通過軟件調(diào)節(jié)其增益，其增 益范圍為2 70倍，對于不同混凝土結(jié)構(gòu)其回波信號各有不同，對微弱信號可以調(diào)大其增 益，對強信號可以調(diào)小其增益。高速信號采集器可以同步采集兩個通道的輸入信號，最大采樣率可達(dá)到65MHz，也 可用VC++或Matlab對其進(jìn)行編輯，控制和設(shè)定采集參數(shù)?？梢酝ㄟ^軟件調(diào)節(jié)接收信號范 圍為(-1 1)V和(_5 5)V，采集信號時其觸發(fā)方式可以選用內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)，系統(tǒng) 為保證采樣信號的完整性，選用外部觸發(fā)，通過高壓脈沖發(fā)生器件產(chǎn)生的低壓信號作為其 觸發(fā)信號。換能器陣列采用了多組換能器，系統(tǒng)通過換能器陣列進(jìn)行信號發(fā)射或接收時，由 于換能器制作的工藝偏差造成其頻響特性的不一致性，得到的回波信號必然存在差異，這 將會影響成像效果降低探測分辨力，為此采用一種基于數(shù)字濾波補償?shù)母倪M(jìn)方法。數(shù)字濾 波的過程實際上是按照系統(tǒng)辨識算法改變輸入信號所含頻率成分的相對比例或濾除某些 頻率成分的過程，其關(guān)鍵是求解出濾波系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，考慮到換能器陣列采用順序切換， 通過多次試驗選取中心頻率精度最高的一組換能器為標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)信號，即系統(tǒng)輸出函數(shù)，以 其他通道作為系統(tǒng)的輸入函數(shù)，通過求出傳遞函數(shù)，使得每個通道檢測信號通過各自系統(tǒng) 傳遞函數(shù)進(jìn)行補償，實現(xiàn)各通道的頻響一致。換能器陣列控制器可與虛擬儀器系統(tǒng)通信，接收指令。內(nèi)部裝有可充電鋰電池，實 現(xiàn)在無外部電源的情況下自主供電，也可切換為外部電源供電狀態(tài)或鋰電池充電狀態(tài)。
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UPS電源可以實現(xiàn)在市電突然斷電情況下實現(xiàn)系統(tǒng)的不間斷供電，可持續(xù)供電5 小時，在有市電情況下自動轉(zhuǎn)為市電給系統(tǒng)供電并給蓄電池充電。本發(fā)明的檢測系統(tǒng)可安裝在小型儀器車上，便于大面積檢測和野外檢測。微型工控機通過Labview軟件與換能器陣列控制器的ARM單片機建立通信，通過 通信協(xié)議發(fā)送控制指令，ARM單片機接到指令后通過ADS軟件設(shè)置其GPI0 口實現(xiàn)24路繼 電器通斷控制換能器陣列通道選擇。換能器陣列各通道被順序切換激勵被測結(jié)構(gòu)，每個通 道由兩個換能器組成，一個發(fā)射信號一個接收信號，實現(xiàn)對被測結(jié)構(gòu)橫向或縱向快速探測。 信號采集完畢后通過數(shù)字補償濾波器對各換能器通道進(jìn)行校正，利用小波變換和波包分解 技術(shù)對信號進(jìn)行處理，采用合成孔徑聚焦技術(shù)成像顯示。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下技術(shù)效果1、采用了集成化設(shè)計，大大減小了系統(tǒng)的體積，另外帶有微型大容量UPS電源，結(jié) 構(gòu)緊湊，攜帶方便，便于遠(yuǎn)程運輸和野外工作；2、采用人機界面，智能化、集成化程度高，操作流程簡單，便于工程應(yīng)用；3、系統(tǒng)軟件設(shè)計了粗檢和細(xì)檢，粗檢時一次檢測可達(dá)60cm區(qū)域，檢測對分辨率要 求高的結(jié)構(gòu)可采用細(xì)檢，分辨率可達(dá)1cm。4、系統(tǒng)可對信號放大器和陣列換能器陣列控制程控，即只通過操作工控機就可實 現(xiàn)系統(tǒng)的檢測功能。


圖1是本發(fā)明的實施例1的基于虛擬儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的實施例2的基于虛擬儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測方法的流 程圖；圖3是本發(fā)明的實施例2的系統(tǒng)對換能器陣列切換控制的工作流程圖；圖4是本發(fā)明實施例3的混凝土內(nèi)部預(yù)埋泡沫試塊示意圖；圖5是本發(fā)明實施例3的混凝土內(nèi)部預(yù)埋泡沫試塊成像圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
來對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實施例1如圖1所示，本發(fā)明的基于虛擬儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測系統(tǒng)，包括虛 擬儀器系統(tǒng)、12路換能器陣列、可以控制24路換能器陣列的換能器陣列控制器和UPS不 間斷電源，其中虛擬儀器系統(tǒng)包括高壓脈沖發(fā)生器、信號放大器、高速信號采集器和配有 Labview軟件程序的微型工控機，均帶有PXI接口，微型工控機帶有觸摸屏，高壓脈沖發(fā)生 器、信號放大器和高速信號采集器集成在微型工控機內(nèi)，微型工控機的通過RS232串行通 信口與換能器陣列控制器通過屏蔽電纜連接，保證通信的可靠性，換能器陣列控制器與換 能器陣列采用SMA接口的屏蔽同軸線電纜連接，這種接口體積小，耐壓高，傳輸信號的頻率 高，衰減小，便于高壓高頻脈沖的準(zhǔn)確傳輸，高壓脈沖發(fā)生器和高速信號采集器與換能器陣 列控制器采用BNC接口的高頻低衰減的同軸線連接，保證發(fā)射信號與采集信號不失真?zhèn)鬏?。換能器陣列控制器中的CPU為ARM單片機，繼電器為耐500V高壓高頻單刀雙路繼電器。 換能器陣列采用聚丙烯硬塑料夾固換能器，夾層設(shè)有彈簧，底層設(shè)有聚胺脂彈性材料，緩沖 聲波震動，減小相鄰?fù)ǖ篱g的耦合。實施例2如圖2、圖3所示，本發(fā)明的基于虛擬儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測系統(tǒng)的步 驟如下1)將換能器陣列置于待測結(jié)構(gòu)表面；2)打開高壓脈沖源；3)操作微型工控機，運行Labview軟件程序，進(jìn)入人機界面；4)調(diào)節(jié)信號放大器，設(shè)置采集參數(shù)；可預(yù)先調(diào)節(jié)放大器的增益，使采集信號幅度 適中；5)選擇“手動采集”或“自動采集”，選擇“粗檢”或“細(xì)檢”;手動采集可仔細(xì)查看 采集信號是否穩(wěn)定，但每個通道采集時需要人工存儲數(shù)據(jù)。自動采集或手動采集時也可選 擇粗檢或細(xì)檢，粗檢即一次檢測為換能器陣列的長度，其最小分辨率為4cm，如果需要提高 分辨率，則可選擇細(xì)檢，細(xì)檢的一次移動步長為1cm，故其最小分辨率可達(dá)1cm。6)開始采集微型工控機通過串口與換能器陣列控制器通信并對其發(fā)送指令，換 能器陣列控制器接收指令，收到指令后判斷指令是否正確，如果錯誤，返回錯誤信息；如果 正確，執(zhí)行指令。繼電器動作，使產(chǎn)生的高壓脈沖順序激勵待測結(jié)構(gòu)，進(jìn)行掃描檢測，掃描完 畢后保存采集數(shù)據(jù)；7)選擇“是”或“否”結(jié)束采集，選擇“否”，繼續(xù)回到上一步繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；8)選擇“是”，結(jié)束采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和超聲成像，保存圖像。為后續(xù)的檢測作參 考或備用。實施例3運用本發(fā)明的檢測系統(tǒng)對厚度為30cm，中間預(yù)埋有長度為15cm泡沫的混凝土試 塊(如圖4所示)進(jìn)行檢測，用陣列掃描裝置對其掃描成像。從圖5可以看出，虛線表示試 塊的底面位置，試塊地面成像非常模糊，表明其反射信號強度很小，是超聲波被吸收反射波 減弱的結(jié)果。
權(quán)利要求
基于虛擬儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括虛擬儀器系統(tǒng)、12路換能器陣列、可以控制24路換能器陣列的換能器陣列控制器和UPS不間斷電源，所說的虛擬儀器系統(tǒng)包括高壓脈沖發(fā)生器、信號放大器、高速信號采集器和配有Labview軟件程序的微型工控機，均帶有PXI接口，微型工控機帶有觸摸屏，高壓脈沖發(fā)生器、信號放大器和高速信號采集器集成在微型工控機內(nèi)，所說的微型工控機的串行通信口與換能器陣列控制器通過屏蔽電纜連接，所說的換能器陣列控制器與換能器陣列采用SMA接口的屏蔽同軸線連接，所說的高壓脈沖發(fā)生器和高速信號采集器與換能器陣列控制器采用BNC接口的高頻低衰減的同軸線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測系統(tǒng)，其特征在 于，所說的換能器陣列控制器中的CPU為ARM單片機，繼電器為耐500V高壓高頻單刀雙路 繼電器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于虛擬儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測系統(tǒng)，其特征在 于，所說的換能器陣列中采用聚丙烯硬塑料夾固換能器，夾層設(shè)有彈簧，底層設(shè)有聚胺脂彈 性材料。
4.基于虛擬儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測方法，其特征在于，包括下列步驟1)將換能器陣列置于待測結(jié)構(gòu)表面；2)打開高壓脈沖發(fā)生器；3)操作微型工控機，運行Labview軟件程序，進(jìn)入人機界面；4)調(diào)節(jié)信號放大器，設(shè)置采集參數(shù)；5)選擇“手動采集”或“自動采集”，選擇“粗檢”或“細(xì)檢”；6)開始采集微型工控機通過串口與換能器陣列控制器通信并對其發(fā)送指令，通過其 完成對換能器陣列的控制，換能器陣列按指令切換自動對待測結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描檢測，掃描完 畢后保存采集數(shù)據(jù)；7)選擇“是”或“否”結(jié)束采集，選擇“否”，繼續(xù)回到上一步繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；8)選擇“是”，結(jié)束采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和超聲成像，保存圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于虛擬儀器的合成孔徑聚焦超聲成像檢測系統(tǒng)及其方法，包括虛擬儀器系統(tǒng)、12路換能器陣列、可以控制24路換能器陣列的換能器陣列控制器和UPS不間斷電源，所說的虛擬儀器系統(tǒng)包括高壓脈沖發(fā)生器、信號放大器、高速信號采集器和配有Labview軟件程序的微型工控機，均帶有PXI接口，本發(fā)明具有如下技術(shù)效果1、采用了集成化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，便于遠(yuǎn)程運輸和野外工作；2、采用人機界面，智能化、集成化程度高，操作流程簡單；3、設(shè)計了粗檢和細(xì)檢流程，粗檢時一次檢測可達(dá)60cm區(qū)域，檢測對分辨率要求高的結(jié)構(gòu)可采用細(xì)檢，分辨率可達(dá)1cm；4、系統(tǒng)可對信號放大器和陣列換能器陣列程控，即只通過操作工控機即可實現(xiàn)系統(tǒng)的檢測功能。
文檔編號G01S15/89GK101930069SQ20101016692
公開日2010年12月29日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者李炎新, 石立華, 蔡建, 邵志學(xué) 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)