CN111157457A - 一种超快光声成像无损检测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超快光声成像无损检测***及方法，包括激光器、激光扩束装置、光声激发与传感一体化装置、峰值检测装置、存储器面阵、读出移位寄存器以及后台图像处理装置；所述激光器位于所述激光扩束装置的上方，所述激光扩束装置位于光声激发与传感一体化装置的上方；本发明通过峰值检测装置对接收到的电信号的峰值进行提取，极大提高了数据采集处理速率，并且光声激发与传感一体化装置可以实现同侧激光面阵激发和超声信号面阵接收一体化，不再需要进行机械扫描，解决了传统超声成像由于接收数据庞大且数据处理复杂而导致的成像速度慢的问题，使得检测对象在光声激发与传感一体化装置的范围内可以一次快速成像，在实际应用中具有指导意义。

Description

一种超快光声成像无损检测***及方法

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，尤其涉及一种超快光声成像无损检测***及方法。

背景技术

目前，超声成像检测由于其非侵入性、穿透能力强、缺陷灵敏度高等特点广泛应用于工业无损检测中。但当前常规超声扫描成像一般采用单探头或者线阵探头通过机械扫查装置对检测区域一段一段的进行扫描成像，这种方法既耗费时间又价格昂贵，极大的限制了成像速度。而采用相控阵探头通过电子扫描成像的方式初步解决了传统机械式扫描成像速度慢的问题，但相控阵探头的阵元大小限制了其成像分辨率，而且由于接收的数据量庞大且数据处理复杂，相控阵电子扫描成像的成像速度无法满足高速成像的场合。

使用激光结合微透镜阵列实现激光面阵聚焦激发超声代替传统的相控阵探头可以在一定程度上提高成像速度和成像分辨率，但目前存在的使用微透镜阵列的激光超声检测***都是采用的透射式方法将发射端和接收端分离，激光激发的超声信号一般采用包围被测对象环形换能器阵列或者位于被测对象底部的换能器面阵接收，在某些无法实现透射式检测的实际应用场合中无法采用，同时由于接收数据庞大且数据处理复杂，依然实现不了高速成像，限制了其实际应用。

综上所述，现有技术中超声成像技术在接收数据庞大且数据处理复杂的场合，存在着无法实现高速成像的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种超快光声成像无损检测***及方法，用于解决现有技术中超声成像技术在接收数据庞大且数据处理复杂的场合，存在着无法实现高速成像的技术问题。

本发明提供的一种超快光声成像无损检测***，包括激光器、激光扩束装置、光声激发与传感一体化装置、峰值检测装置、存储器面阵、读出移位寄存器以及后台图像处理装置；所述激光器位于所述激光扩束装置的上方，所述激光扩束装置位于光声激发与传感一体化装置的上方；

所述光声激发与传感一体化装置输出端与所述峰值检测装置的输入端相连接，所述峰值检测装置的输出端与所述存储器面阵的输入端相连接，所述存储器面阵的输出端与移位寄存器的输入端相连接，所述移位寄存器的输出端与后台图像处理装置的输入端相连接。

优选的，所述光声激发与传感一体化装置包括微透镜面阵、换能器面阵、掩膜板以及基座，所述基座、掩膜板、换能器面阵以及微透镜面阵从上到下依次安装，所述换能器面阵包括多个换能器阵元，每一个换能器阵元的输出端分别与所述峰值检测装置的输入端相连接。

优选的，每一个换能器阵元的输出端与所述峰值检测装置的输入端的连接方式为全采样阵列连接。

优选的，所述微透镜面阵镶嵌于所述基座中，所述换能器面阵分布在基座下表面且分散在微透镜面阵的阵元间隙中，所述基座镶嵌于所述掩膜板中，所述掩膜板上设置有通孔。

优选的，所述微透镜面阵底部设置有耦合剂，耦合剂的材质为高度透明。

优选的，所述峰值检测装置为分立二极管电容型峰值检测电路。

优选的，所述二极管电容型峰值检测电路采用时间门进行控制。

优选的，所述激光器发射的激光为脉冲激光。

优选的，所述***还包括显示装置，所述显示装置的输入端与后台图像处理装置的输出端相连接。

一种超快光声成像无损检测方法，所述方法基于上述的一种超快光声成像无损检测***，包括以下步骤：

将待测对象放置于耦合剂下方；

控制激光器发射脉冲激光，脉冲激光通过激光扩束装置后照射至光声激发与传感一体化装置的微透镜面阵激发激光超声，激光超声穿过耦合剂后在待测对象表面形成激光焦点面阵，激发光声信号；

光声激发与传感一体化装置中的换能器面阵中的各个换能器阵元接收从待测对象中反射回来的光声信号，将光声信号转化为电信号，将电信号传送至峰值检测装置中；

峰值检测装置对电信号中的峰值进行提取得到峰值信号，并将峰值信号输出至存储器面阵中进行储存；

移位寄存器将储存器面阵内的峰值信号逐位串行输出至后台图像处理装置中；

后台图像处理装置对峰值信号进行分析计算得到被检测对象的二维光声图像；

将被检测对象的二维光声图像传送至显示装置中进行显示。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例通过峰值检测装置对接收到的电信号的峰值进行提取，极大提高了数据采集处理速率，并且光声激发与传感一体化装置可以实现同侧激光面阵激发和超声信号面阵接收一体化，不再需要进行机械扫描，解决了传统超声成像由于接收数据庞大且数据处理复杂而导致的成像速度慢的问题，使得检测对象在光声激发与传感一体化装置的范围内可以一次快速成像，在实际应用中具有指导意义。

本发明实施例通还具有以下另一个优点：

本发明实施例通过微透镜面阵和换能器面阵组合成的光声激发与传感一体化装置实现了激光激发和接收一体化，使得激光检测技术的激发端和接收端无需分离，适用于各种场合，而且一体化结构非常容易实现工业的大面积批量制作；并且，通过在待测对象表面产生激光焦点面阵从而激发激光超声，其激发出的超声频带更宽，空间分辨率更高，成像分辨率大大提高，同时可以通过调节光声激发与传感一体化装置中微透镜面阵的密度来实现成像分辨率可调。

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快光声成像无损检测***的***结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种超快光声成像无损检测***的光声激发与传感一体化装置的侧视图。

图3为本发明实施例提供的一种超快光声成像无损检测***的光声激发与传感一体化装置的仰视图。

图4为本发明实施例提供的一种超快光声成像无损检测***的光声激发与传感一体化装置的***图。

图5为本发明实施例提供的一种超快光声成像无损检测方法的方法流程图。

其中，附图标记含义如下：

1、激光器；2、激光扩束装置；3、光声激发与传感一体化装置；4、耦合剂；5、待测对象；6、峰值检测装置；7、存储器面阵；8、移位寄存器；9、后台图像处理装置；10、显示装置；11、掩膜板；12、基座；13、微透镜面阵；14、换能器面阵。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种超快光声成像无损检测***及方法，用于解决现有技术中超声成像技术在接收数据庞大且数据处理复杂的场合，存在着无法实现高速成像的技术问题。

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，图1为本发明实施例提供的一种超快光声成像无损检测***的***结构示意图；

本发明提供的一种超快光声成像无损检测***，包括激光器1、激光扩束装置2、光声激发与传感一体化装置3、峰值检测装置6、存储器面阵7、读出移位寄存器8以及后台图像处理装置9；激光器1位于激光扩束装置2的上方，激光扩束装置2位于光声激发与传感一体化装置3的上方；激光扩束装置2能够扩大激光器1发射出的激光束尺寸，通过激光扩束装置2后激光能够覆盖整个光声激发与传感一体化装置3的区域。

光声激发与传感一体化装置3输出端与峰值检测装置6的输入端相连接，峰值检测装置6的输出端与存储器面阵7的输入端相连接，存储器面阵7的输出端与移位寄存器8的输入端相连接，移位寄存器8的输出端与后台图像处理装置9的输入端相连接。

移位寄存器8用于将存储器面阵7中的信息逐位串行输出至后台图像处理装置9，峰值检测装置6的数据输出至存储器面阵7中的存储移位寄存器8，存储器面阵7通过读出移位寄存器8将存储器面阵7内存储的数据向下逐行输出至后台图像处理装置9中进行处理。

后台图像处理装置9采用GPU，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，用于承担输出显示图形的任务；

作为一个优选的实施例，光声激发与传感一体化装置3包括微透镜面阵13、换能器面阵14、掩膜板11以及基座12，基座12、掩膜板11、换能器面阵14以及微透镜面阵13从上到下依次安装，换能器面阵14包括多个换能器阵元，每一个换能器阵元的输出端分别与峰值检测装置6的输入端相连接，峰值检测装置6用于保持每个换能器阵元接收到的信号峰值。

微透镜面阵13用于聚焦激发从而产生激光超声，微透镜面阵13的阵元尺寸、排布方式和阵元密度均可根据需要进行最优化设计。

换能器面阵14用于接收待测对象5反射回的超声信号，换能器面阵14的阵元尺寸、排布方式和阵元密度均可根据需要进行最优化设计，换能器面阵14通过3D打印或MEMS工艺等方法大面积工业制作。

作为一个优选的实施例，每一个换能器阵元的输出端与峰值检测装置6的输入端的连接方式为全采样阵列连接，全采样阵列连接具有传输速度快、安全性高的特点，从而提高采样的速度。

如图2、图3以及图4所示，作为一个优选的实施例，微透镜面阵13镶嵌于基座12中，换能器面阵14分布在基座12下表面且分散在微透镜面阵13的阵元间隙中，基座12镶嵌于掩膜板11中，所述掩膜板11上设置有通孔，掩膜板11的通孔的大小需要能够使激光完全覆盖光声激发与传感一体化装置3中的微透镜面阵13的范围。

作为一个优选的实施例，微透镜面阵13底部设置有耦合剂4，耦合剂4的材质为高度透明，通过设置耦合剂4从而提高采样的精度。

作为一个优选的实施例，峰值检测装置6为分立二极管电容型峰值检测电路。

作为一个优选的实施例，二极管电容型峰值检测电路采用时间门进行控制，用于保持每个换能器阵元接收到的信号峰值；峰值检测电路的输出信号会一直保持在输入信号的极大值处，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。

作为一个优选的实施例，激光器1发射的激光为脉冲激光，可根据不同的待测对象5调整激光的脉宽、波长、能量等参数，激光器1种类根据需要选用固体或气体激光器1；

作为一个优选的实施例，***还包括显示装置10，显示装置10的输入端与后台图像处理装置9的输出端相连接，工作人员通过显示装置10直观的观察待测对象5的超声图片。

如图5所示，一种超快光声成像无损检测方法，所述方法基于上述的一种超快光声成像无损检测***，包括以下步骤：

将待测对象5放置于高度透明的耦合剂4下方；

控制激光器1发射脉冲激光，脉冲激光经过激光扩束装置2扩束，使得激光光束的尺寸能够完全覆盖掩膜板11的通孔；激光照射至光声激发与传感一体化装置3，通过微透镜面阵13以及耦合剂4后在待测对象5表面形成激光焦点面阵，根据热弹效应或者融蚀效应激发光声信号；

需要说明的是，微透镜面阵13的排布方式可分为一维线阵、二维面阵和环形面阵等，可以对微透镜面阵13的阵元大小、阵元密度和阵列范围进行最优化设计以满足不同被检测对象的检测要求与检测范围，实现成像分辨率和成像范围可调。同时，掩膜板11通孔的大小需要能够使激光完全覆盖光声激发与传感一体化装置3中的微透镜面阵13范围。

光声激发与传感一体化装置3中的换能器面阵14中的各个换能器阵元接收从待测对象5中反射回来的光声信号，将光声信号转化为电信号，将电信号传送至峰值检测装置6中；

需要说明的是光声激发与传感一体化装置3中的换能器面阵14的换能器阵元的排布方式可以采用一维线阵、二维面阵和环形面阵等，也可以结合微透镜阵列设计合适且性能优异的排布方式以满足不同被检测对象的检测结构与检测范围的要求。

峰值检测装置6对电信号中的峰值进行提取得到峰值信号，并将峰值信号输出至存储器面阵7中进行储存；

需要说明的是，由于峰值检测装置6只对接收到的信号的峰值进行提取，从而大大提高了数据采集处理速率，解决了传统超声成像由于接收数据庞大且数据处理复杂而导致的成像速度慢的问题。

移位寄存器8将储存器面阵内的峰值信号逐位串行输出至后台图像处理装置9中；

需要说明的是，当存储器面阵7存储有数据时，通过读出移位寄存器8将存储器面阵7中的数据逐位串行输出至后台图像处理装置9进行处理，即每次都将存储器面阵7最底部一行的存储移位寄存器8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。

后台图像处理装置9对峰值信号进行分析计算得到被检测对象的二维光声图像；

将被检测对象的二维光声图像传送至显示装置10中进行显示，根据二维光声图像判断被检测的对象是否存在缺陷。

针对不同的被检测对象，在开始超声检测之前，可以根据被检测对象的种类、大小和成像要求调节脉冲激光的波长、脉宽、能量等参数，或者调整光声激发与传感一体化装置3中微透镜面阵13和换能器面阵14的范围尺寸、阵元大小、阵元密度或阵元排布方式以及对应的换能器的超声接收频率来满足不同的检测要求。

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，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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)

1.一种超快光声成像无损检测***，其特征在于，包括激光器、激光扩束装置、光声激发与传感一体化装置、峰值检测装置、存储器面阵、读出移位寄存器以及后台图像处理装置；所述激光器位于所述激光扩束装置的上方，所述激光扩束装置位于光声激发与传感一体化装置的上方；

所述光声激发与传感一体化装置输出端与所述峰值检测装置的输入端相连接，所述峰值检测装置的输出端与所述存储器面阵的输入端相连接，所述存储器面阵的输出端与移位寄存器的输入端相连接，所述移位寄存器的输出端与后台图像处理装置的输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种超快光声成像无损检测***，其特征在于，所述光声激发与传感一体化装置包括微透镜面阵、换能器面阵、掩膜板以及基座，所述基座、掩膜板、换能器面阵以及微透镜面阵从上到下依次安装；

所述换能器面阵包括多个换能器阵元，每一个换能器阵元的输出端分别与所述峰值检测装置的输入端相连接。

3.根据权利要求2所述的一种超快光声成像无损检测***，其特征在于，每一个换能器阵元的输出端与所述峰值检测装置的输入端的连接方式为全采样阵列连接。

4.根据权利要求3所述的一种超快光声成像无损检测***，其特征在于，所述微透镜面阵镶嵌于所述基座中，所述换能器面阵分布在基座下表面且分散在微透镜面阵的阵元间隙中，所述基座镶嵌于所述掩膜板中，所述掩膜板上设置有通孔。

5.根据权利要求4所述的一种超快光声成像无损检测***，其特征在于，所述微透镜面阵底部设置有耦合剂，耦合剂的材质为高度透明。

6.根据权利要求1所述的一种超快光声成像无损检测***，其特征在于，所述峰值检测装置为分立二极管电容型峰值检测电路。

7.根据权利要求6所述的一种超快光声成像无损检测***，其特征在于，所述二极管电容型峰值检测电路采用时间门进行控制。

8.根据权利要求1所述的一种超快光声成像无损检测***，其特征在于，所述激光器发射的激光为脉冲激光。

9.根据权利要求1所述的一种超快光声成像无损检测***，其特征在于，所述***还包括显示装置，所述显示装置的输入端与后台图像处理装置的输出端相连接。

10.一种超快光声成像无损检测方法，所述方法基于上述权利要求1～权利要求9任一项所述的一种超快光声成像无损检测***，其特征在于，包括以下步骤：

将待测对象放置于耦合剂下方；

控制激光器发射脉冲激光，脉冲激光通过激光扩束装置后照射至光声激发与传感一体化装置的微透镜面阵上激发激光超声，激光超声穿过耦合剂后在待测对象表面形成激光焦点面阵，激发光声信号；

光声激发与传感一体化装置中的换能器面阵中的各个换能器阵元接收从待测对象中反射回来的光声信号，将光声信号转化为电信号，将电信号传送至峰值检测装置中；

峰值检测装置对电信号中的峰值进行提取得到峰值信号，并将峰值信号输出至存储器面阵中进行储存；

移位寄存器将储存器面阵内的峰值信号逐位串行输出至后台图像处理装置中；

后台图像处理装置对峰值信号进行分析计算得到被检测对象的二维光声图像；

将被检测对象的二维光声图像传送至显示装置中进行显示。

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