CN108645915A - 一种超声感声屏、超声检测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声感声屏，包括：二维面阵、峰值检测电路、转移控制栅、存储器面阵、读出移位寄存器和后台图像处理单元。本发明中的超声感声屏在阵元的输出端增设了峰值检测电路，对接收到的超声波信号的峰值进行提取，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位时峰值检测电路的输出信号才会改变，提高了超声感声屏的数据采集处理速率，使得检测对象的声成像在超声感声屏的大视野范围内可以一次快速呈现，同时，无需增设数码相机等辅助成像工具，便捷直观，解决了当前进行大视野范围超声成像时数据采集处理速率低或不够便捷直观的技术问题。

Description

一种超声感声屏、超声检测***及方法

技术领域

本发明涉及超声检测领域，尤其涉及一种超声感声屏、超声检测***及方法。

背景技术

声成像技术由于其非侵入性，无辐射、实时、成本低和便于移动等优点在工业无损检测和医学影像领域中起着重要作用。

但是当前常规超声扫描成像的成像范围受到限制，单次扫描区域有限，对较大工件进行检测时，需要多次扫描进行拼接以提供一个完整的扫描图像，时效性差、不够直观，如果大视野范围进行检测，则需要更多的阵元来实现，阵元的增加无疑加大了数据采集量，数据采集处理速率低。

美国的物理声学公司(PCA)推出了超声相机利用声光屏(AO Sensor)检测透射超声波束，将超声波束的衰减信息转化为声光屏的亮度变化，然后用数码相机对声光屏进行电子扫描，进而转化为视觉图像。

AO虽然在一定程度上解决了常规扫描成像存在的问题，但由于需要用数码相机辅助成像不够便捷直观，因此没有得到广泛推广应用。

因此，导致了当前进行大视野范围超声成像时数据采集处理速率低或不够便捷直观的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种超声感声屏、超声检测***及方法，解决了当前进行大视野范围超声成像时数据采集处理速率低或不够便捷直观的技术问题。

本发明提供了一种超声感声屏，包括：二维面阵、峰值检测电路、转移控制栅、存储器面阵、读出移位寄存器和后台图像处理单元；

所述二维面阵中各个阵元的输出端分别与对应的所述峰值检测电路的输入端电连接；

各个所述峰值检测电路的输出端与所述转移控制栅的输入端电连接；

所述转移控制栅的输出端与所述存储器面阵的输入端电连接；

所述读出移位寄存器的输入端与所述存储器面阵的输出端电连接；

所述读出移位寄存器的输出端与所述后台图像处理单元电连接。

优选地，各个所述峰值检测电路的输出端与所述转移控制栅的输入端的连接方式为行列寻址连接方式；

每一列所述峰值检测电路的输出端组合成列输出总线，每一行所述峰值检测电路的输出端组合成行输出总线，各所述列输出总线和各所述行输出总线与所述转移控制栅的输入端电连接。

优选地，各个所述阵元的输出端与各个所述峰值检测电路的输入端的连接方式为全采样阵列连接方式。

优选地，各个所述阵元的输出端与各个所述峰值检测电路的输入端的连接方式为稀疏阵列连接方式。

优选地，所述二维面阵为PMUT二维面阵或CMUT二维面阵。

优选地，所述峰值检测电路为分立二极管电容型峰值检测电路。

本发明提供了一种超声检测***，包括：声源发射装置、被检测对象和上述任意一种超声感声屏；

所述被检测对象设置于所述声源发射装置和所述超声感声屏之间。

优选地，所述声源发射装置由小源阵元、一维线阵、二维面阵或环形面阵组成。

本发明提供了一种超声检测方法，用于上述任意一种超声检测***，包括：

S1：超声感声屏的二维面阵采集声源发射装置发射的超声波信号，所述二维面阵将超声波信号转化成电信号并发送至各个峰值检测电路的输入端；

S2：转移控制栅开通，通过转移控制栅将各个所述峰值检测电路的输出信号输出至存储器面阵进行存储；

S3：读出移位寄存器将所述存储器面阵内存储的所述输出信号逐位串行输出至后台图像处理单元进行处理得到被检测对象的二维超声图像。

优选地，还包括：

S4：所述转移控制栅关断，所述被检测对象旋转预置角度，重复执行步骤S1到步骤S4直至得到预置数量的所述二维超声图像；

S5：所述后台图像处理单元对预置数量的所述二维超声图像进行处理得到所述被检测对象的三维超声图像。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种超声感声屏，包括：二维面阵、峰值检测电路、转移控制栅、存储器面阵、读出移位寄存器和后台图像处理单元；所述二维面阵中各个阵元的输出端分别与对应的所述峰值检测电路的输入端电连接；各个所述峰值检测电路的输出端与所述转移控制栅的输入端电连接；所述转移控制栅的输出端与所述存储器面阵的输入端电连接；所述读出移位寄存器的输入端与所述存储器面阵的输出端电连接；所述读出移位寄存器的输出端与所述后台图像处理单元电连接。

本发明中的超声感声屏在阵元的输出端增设了峰值检测电路，对接收到的超声波信号的峰值进行提取，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位时峰值检测电路的输出信号才会改变，提高了超声感声屏的数据采集速率，使得检测对象的声成像在超声感声屏的大视野范围内可以一次快速呈现，同时，无需增设数码相机等辅助成像工具，便捷直观，解决了当前进行大视野范围超声成像时数据采集处理速率低或不够便捷直观的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种超声感声屏的一个实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种超声感声屏的部分结构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种超声感声屏的数据流向示意图；

图4为本发明实施例提供的一种分立二极管电容型峰值检测电路的电路图；

图5为本发明实施例提供的峰值检测电路的输入信号和输出信号示意图；

图6为本发明实施例提供的一种超声检测***的一个实施例的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种超声检测***的一个实施例的流程示意图；

其中，附图标记如下：

1、阵元；2、峰值检测电路；3、转移控制栅；4、存储器面阵；5、读出移位寄存器；6、后台图像处理单元；7、二维面阵；8、声源发射装置；9、被检测对象；10、超声感声屏；11、声耦合介质。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种超声感声屏、超声检测***及方法，解决了当前进行大视野范围超声成像时数据采集处理速率低或不够便捷直观的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图5，本发明实施例提供了一种超声感声屏的一个实施例，包括：二维面阵7、峰值检测电路2、转移控制栅3、存储器面阵4、读出移位寄存器5和后台图像处理单元6；

二维面阵7中各个阵元1的输出端分别与对应的峰值检测电路2的输入端电连接；

各个峰值检测电路2的输出端与转移控制栅3的输入端电连接；

转移控制栅3的输出端与存储器面阵4的输入端电连接；

读出移位寄存器5的输入端与存储器面阵4的输出端电连接；

读出移位寄存器5的输出端与后台图像处理单元6电连接。

需要说明的是，超声感声屏的整体结构如图1所示，包括：二维面阵7、峰值检测电路2、转移控制栅3、存储器面阵4、读出移位寄存器5和后台图像处理单元6；

二维面阵7中的各个阵元1为超声换能器，根据超声换能器的排布方式可分为一维线阵、二维面阵7和环形面阵等，二维面阵7的设计可通过有限元理论设计合适且性能优异的阵元模型，以满足不同被检测对象的检测结构与检测范围对超声器件的指标要求，设计之后可通过高精度加工技术或3D打印技术制造分离的阵元1来组合制造二维面阵7，且超声感声屏的尺寸大于被检测对象的尺寸；

峰值检测电路2是一种可以采集输入信号极大值的电路，如图5所示，Vi为峰值检测电路的输入信号，Vo为峰值检测电路的输出信号，峰值检测电路的输出信号Vo会一直保持在输入信号Vi的极大值处，直至出现新的极大值或者电路复位才会进行下一个峰值采集循环；

存储器面阵4为多个存储移位寄存器组合而成，各个存储移位寄存器与二维面阵7中的各个阵元1为一一对应的关系；

读出移位寄存器5与存储器面阵4最低端的一行的输出端连接，可以将存储器面阵4中存储的信息逐位串行输出至后台图像处理单元6，数据的流向如图3所示，各个阵元1中的数据输出至存储器面阵4中对应的存储移位寄存器中，如二维面阵7的第一行第一列阵元1的数据D4输出至存储器面阵4的第一行第一列的存储移位寄存器中，然后存储器面阵4通过读出移位寄存器5将存储器面阵4内存储的数据向下逐行输出至后台图像处理单元6中进行处理；

后台图像处理单元6常规为GPU，又称显示核心、视觉处理器或显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上图像运算工作的微处理器，承担输出显示图形的任务；

在阵元1的输出端和转移控制栅3的输入端之间设置峰值检测电路2，则可以使得峰值检测电路2输出的始终为输入信号的峰值，除非出现新的峰值否则输出信号不改变，增快了数据采集处理速率。

进一步地，各个峰值检测电路2的输出端与转移控制栅3的输入端的连接方式为行列寻址连接方式；

每一列峰值检测电路2的输出端组合成列输出总线，每一行峰值检测电路2的输出端组合成行输出总线，各列输出总线和各行输出总线与转移控制栅3的输入端电连接。

需要说明的是，如果采用超声感声屏进行大视野范围成像，则需要更多的阵元1来实现，则对应的信号传输通道的数量以及制备的难度势必随之上升；

因此，如图2所示，可以将各个峰值检测电路2的输出端与转移控制栅3的输入端的连接方式设置为行列寻址连接方式，行列寻址的连接方式与全采样阵列连接方式相比，在m*n的阵列中将信号传输通道的数量从m*n变为了m+n，极大程度地较少了信号传输通道的数量，降低了信号传输通道连接的复杂程度和硬件制备的难度。

进一步地，各个阵元1的输出端与各个峰值检测电路2的输入端的连接方式为全采样阵列连接方式。

需要说明的是，如图2所示，各个阵元1的输出端与各个峰值检测电路2的输入端的连接方式为全采样阵列(full sampling array，FSA)连接方式时，一个阵元1对应一个峰值检测电路2，不同阵元1对应不同的峰值检测电路2，阵元1与峰值检测电路2为一一对应的关系，每一个阵元1都有对应的峰值检测电路2，将所有阵元1的输出信号都进行采集，在m*n的阵列中将信号传输通道的数量从m*n，这就是全采样阵列连接方式。

进一步地，各个阵元1的输出端与各个峰值检测电路2的输入端的连接方式为稀疏阵列连接方式。

需要说明的是，与全采样阵列连接方式相比，稀疏阵列(sparse array，SA)连接方式的目标是在一定的约束条件下，求解使阵列性能达到期望要求的最小阵列数目，系数阵列连接方式的表现形式可以为，设置了m*n的二维面阵7，但是只有按照稀疏阵列排布的阵元1才与峰值检测电路2连接，即可以二维面阵7中排满阵元1，但是并非所有阵元1都与峰值检测电路2连接，或者，二维面阵7中按照稀疏阵列分布设置阵元1，每一个阵元1都与峰值检测电路2连接。

进一步地，二维面阵7为PMUT二维面阵7或CMUT二维面阵7。

需要说明的是，PMUT为压电式换能器，CMUT为电容式换能器，实际应用过程中，二维面阵7可以根据需要选择PMUT或CMUT作为阵元1。

进一步地，峰值检测电路2为分立二极管电容型峰值检测电路。

需要说明的是，分立二极管电容型峰值检测电路的电路如图4所示，其中电阻R1、电阻R2、电阻R2、电容C1、电容C2、电容C3、二极管D1、二极管D2、放大器T1和放大器T2的设置方式为公知技术，在此不在赘述；

分立二极管电容型峰值检测电路只是峰值检测电路2中的一种举例应用，实际应用过程中，可根据需要选择分立二极管电容型峰值检测电路、无二极管型峰值检测电路或集成峰值检测电路等作为峰值检测电路2。

传统的超声成像为了降低数据采集和处理的难度，往往采用小范围多次扫描，然后将多次扫描得到的图像拼接成完整的图像，即使是声光屏也需要数码相机进行辅助成像；

而本实施例中的超声感声屏与声光屏相似，将发射和接收分离，适应了特定的检测环境，极大的降低了***的前端复杂度，但是声光屏为了解决数据采集速率低的问题需要采用数码相机进行辅助成像，而本实施例中的超声感声屏在阵元1的输出端增设了峰值检测电路2，对接收到的超声波信号的峰值进行提取，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位时峰值检测电路2的输出信号才会改变，提高了超声感声屏的数据采集速率，使得检测对象的声成像在超声感声屏的大视野范围内可以一次快速呈现，且无需增设数码相机等辅助成像工具，便捷直观；

同时，各个峰值检测电路2的输出端与转移控制栅3的连接方式采用行列寻址连接方式，极大程度地减少了信号传输通道的数量，降低了信号传输通道的连接难度和制备难度；

二维面阵7与峰值检测电路2的连接方式可根据需要选择全采样阵列连接方式或稀疏采样连接方式，实际应用中根据需要进行选择；

综上所述，本实施例中的超声感声屏解决了当前进行大视野范围超声成像时数据采集处理速率低或不够便捷直观的技术问题。

以上为本发明实施例提供的一种超声感声屏的一个实施例，以下为本发明实施例提供的一种超声检测***的一个实施例。

请参阅图6，本发明实施例提供了一种超声检测***的一个实施例，包括：声源发射装置8、被检测对象9和上述任意一种超声感声屏10；

被检测对象9设置于声源发射装置8和超声感声屏10之间。

需要说明的是，声源发射装置8产生的超声波经过被检测对象9时会发生衰减，从而导致超声感声屏10各个阵元接收到的超声波信号强度不同，将各个超声感声屏10的各个阵元接收到的超声波信号转化成电信号，通过后台图像处理器对电信号进行处理可以得到被检测对象的二维超声图像；

超声波传递需要声耦合介质11，常规的声耦合介质11为空气。

进一步地，声源发射装置8由小源阵元、一维线阵、二维面阵或环形面阵组成。

需要说明的是，声源发射装置8可采用小源阵元，也可根据需要选择一维线阵、二维面阵或环形面阵。

基于超声感声屏的成像是一种“全视场”的成像，超声区域检测技术类似于放射线DR成像，但是无危害；

对于透射超声成像，使用一侧声源对测试样品进行超声照射，超声波束传播通过测试对象会有不同程度的衰减，通过超声感声屏，投射的超声“影子”被快速的转换成视觉图像，在这种成像方法中，展现的是一个全视场一次快速成像；

本实施例中的超声检测***可以实现对被检测对象9的超声透射检测，通过超声感声屏10的二维超声图像实现对被检测对象外部或内部缺陷的检测。

以上为本发明实施例提供的一种超声检测***的一个实施例，以下为本发明实施例提供的一种超声检测方法的一个实施例。

请参阅图7，本发明实施例提供了一种超声检测方法的一个实施例，包括：

701：超声感声屏的二维面阵采集声源发射装置发射的超声波信号，二维面阵将超声波信号转化成电信号并发送至各个峰值检测电路的输入端；

需要说明的是，超声感声屏的二维面阵的阵元为超声换能器，能将接收到的超声信号转化为电信号，从而检测超声信号的强弱；

阵元将转化后的电信号发送到各个峰值检测电路的输入端，通过峰值检测电路采集电信号中的峰值，由于峰值检测电路的输出信号仅为输入的电信号的峰值，不必采集非峰值的电信号数据，因此可以提高信号采集的速率。

702：转移控制栅开通，通过转移控制栅将各个峰值检测电路的输出信号输出至存储器面阵进行存储；

需要说明的是，转移控制栅开通，可以通过转移控制栅将各个峰值检测电路的输出信号输出至存储器面阵进行存储，每一个阵元输出的信号存储到对应的存储移位寄存器中。

703：读出移位寄存器将存储器面阵内存储的输出信号逐位串行输出至后台图像处理单元进行处理得到被检测对象的二维超声图像；

需要说明的是，当存储器面阵存储有数据时，通过读出移位寄存器将存储器面阵中的数据逐位串行输出至后台图像处理单元进行处理，即每次都将存储器面阵最底部一行的存储移位寄存器的输出，然后其余行的存储以为寄存器的数据逐行向下传递；

后台图像处理单元处理后可以得到被检测对象的二维超声图像，可根据二维超声图像判断被检测对象的是否存在缺陷。

704：转移控制栅关断，被检测对象旋转预置角度，重复执行步骤701到步骤704直至得到预置数量的二维超声图像；

需要说明的是，通过一副二维超声图像只能从一个面对被检测对象进行检测评估，如果需要得到被检测对象的三维超声图像，则需要得到被检测对象各个角度的二维超声图像进行整合处理；

因此，步骤703完成后可以关断转移控制栅，将被检测对象旋转预置角度，然后再次重复执行步骤701至704的内容，直至得到预置数量的二维超声图像为止；

被检测对象的角度旋转可以是被检测对象底部设置电动旋转平台进行旋转，也可以是通过机械臂进行旋转，或者手动旋转，甚至可以是被检测对象不旋转，声源发射装置和超声感声屏旋转，实际应用根据需要进行选择；

预置角度和预置数量根据需要进行设置，如可以将预置角度设置为60度，预置数量设置为6；

固定声源发射装置和超声感声屏的位置，通过被检测对象的旋转，可以实现对被测物信息的三维空间采集。

705：后台图像处理单元对预置数量的二维超声图像进行处理得到被检测对象的三维超声图像。

需要说明的是，获得了预置数量的二维超声图像之后，后台图像处理单元对预置数量的二维超声图像进行处理得到被检测对象的三维超声图像；

除此之外，针对不同种类的被检测对象，在开始超声检测之前，可以根据被检测对象的种类调节声源发射装置和超声感声屏之间的距离、声源发射装置的超声发射频率以及超声感声屏的超声接收频率；

通过调节超声发射频率和超声接收频率可以检测不同种类的被检测对象；

声光屏的成像方法是检测透射超声波束，将超声波束的衰减信息转化为声光屏的亮度变化，然后用数码相机对声光屏进行电子扫描，进而转化为视觉图像；

而本实施例中的超声检测方法通过峰值检测电路保持极大值的方法实现对透射超声波信号的采集，提高数据采集处理速率，从而实现全区域大范围一次快速成像，通过超声波的透射特性检测，通过超声感声屏接收到的超声信号，根据超声发射装置和超声感声屏之间的时间延迟或振幅衰减来重建被检测对象内部的声速(折射系数)或吸收特性参数，生成对应的二维超声图像，从而检测被检测对象的缺陷，进一步可以通过多角度超声透射检测，将多幅二维超声图像进行整合得到被检测对象的三维超声图像，更加直观明了地观察被检测对象的外部或内部缺陷，无需额外的辅助成像装置。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种超声感声屏，其特征在于，包括：二维面阵、峰值检测电路、转移控制栅、存储器面阵、读出移位寄存器和后台图像处理单元；

所述二维面阵中各个阵元的输出端分别与对应的所述峰值检测电路的输入端电连接；

各个所述峰值检测电路的输出端与所述转移控制栅的输入端电连接；

所述转移控制栅的输出端与所述存储器面阵的输入端电连接；

所述读出移位寄存器的输入端与所述存储器面阵的输出端电连接；

所述读出移位寄存器的输出端与所述后台图像处理单元电连接。

2.根据权利要求1所述的一种超声感声屏，其特征在于，各个所述峰值检测电路的输出端与所述转移控制栅的输入端的连接方式为行列寻址连接方式；

每一列所述峰值检测电路的输出端组合成列输出总线，每一行所述峰值检测电路的输出端组合成行输出总线，各所述列输出总线和各所述行输出总线与所述转移控制栅的输入端电连接。

3.根据权利要求1所述的一种超声感声屏，其特征在于，各个所述阵元的输出端与各个所述峰值检测电路的输入端的连接方式为全采样阵列连接方式。

4.根据权利要求1所述的一种超声感声屏，其特征在于，各个所述阵元的输出端与各个所述峰值检测电路的输入端的连接方式为稀疏阵列连接方式。

5.根据权利要求1所述的一种超声感声屏，其特征在于，所述二维面阵为PMUT二维面阵或CMUT二维面阵。

6.根据权利要求1所述的一种超声感声屏，其特征在于，所述峰值检测电路为分立二极管电容型峰值检测电路。

7.一种超声检测***，其特征在于，包括：声源发射装置、被检测对象和权利要求1至6中任意一项所述的超声感声屏；

所述被检测对象设置于所述声源发射装置和所述超声感声屏之间。

8.根据权利要求7所述的一种超声检测***，其特征在于，所述声源发射装置由小源阵元、一维线阵、二维面阵或环形面阵组成。

9.一种超声检测方法，用于权利要求7或8所述的超声检测***，其特征在于，包括：

S1：超声感声屏的二维面阵采集声源发射装置发射的超声波信号，所述二维面阵将超声波信号转化成电信号并发送至各个峰值检测电路的输入端；

S2：转移控制栅开通，通过转移控制栅将各个所述峰值检测电路的输出信号输出至存储器面阵进行存储；

S3：读出移位寄存器将所述存储器面阵内存储的所述输出信号逐位串行输出至后台图像处理单元进行处理得到被检测对象的二维超声图像。

10.根据权利要求9所述的一种超声检测方法，其特征在于，还包括：

S4：所述转移控制栅关断，所述被检测对象旋转预置角度，重复执行步骤S1到步骤S4直至得到预置数量的所述二维超声图像；

S5：所述后台图像处理单元对预置数量的所述二维超声图像进行处理得到所述被检测对象的三维超声图像。