基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置及方法制造方法及图纸

基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置及方法，包括非聚焦水浸超声探头，非聚焦水浸超声探头固定于旋转平台的左端，旋转平台的右端固定有编码掩膜，旋转平台连接在旋转平台基座上，旋转平台基座装夹在卡盘上，卡盘固定于水箱底部；编码掩膜和样件相对，样件固定于样件基座顶部，样件基座固定于水箱底部；方法是非聚焦水浸超声探头激励超声波，编码掩膜进行差异化后传播至样件处；声学信号被样件反射，经由编码掩膜压缩后，单一的反射回波信号被非聚焦水浸超声探头接收；进行多次旋转编码掩膜，得到多组接收信号和压缩矩阵，进行目标图像的重构；本发明专利技术具有成本低、结构简单、成像分辨率高的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置及方法
本专利技术涉及超声成像
，具体涉及基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置及方法。技术背景超声作为一种成熟的检测和成像手段，在工业界应用十分广泛。目前主流的超声成像方式有扫描超声成像和相控阵超声成像两种。扫描超声成像检测方式灵活，硬件复杂度低，但是依赖于机械扫描，声束可达性差，耗费时间长；相控阵超声成像通过控制换能器阵列中各阵元发射脉冲的延迟时间，改变声波到达物体内某点时的相位关系，实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦，然后由换能器阵列接收物体反射回的脉冲回波信号，通过延迟处理进行成像，超声相控阵检测效率高，具有多种显示模式，但其硬件复杂度和集成度很高，还要求比较高的数字控制和信号处理技术，成本过于高昂。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置及方法，使用一个非聚焦水浸超声探头和一个简单的编码掩膜对目标样件进行成像，具有成本低、结构简单、成像分辨率高的优点。为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置，包括非聚焦水浸超声探头1，非聚焦水浸超声探头1固定于旋转平台2的左端，旋转平台2的右端固定有编码掩膜4，旋转平台2连接在旋转平台基座8上，旋转平台基座8装夹在卡盘7上，卡盘7固定于水箱9底部；编码掩膜4和样件5相对，样件5固定于样件基座6顶部，样件基座6固定于水箱9底部。所述的水箱9采用有机玻璃制成，内部放置有水。所述的编码掩膜4固定于旋转平台2的中心孔中，编码掩膜4一个端面设有位置随机、直径1mm,深度随机分布在0-1mm范围的孔。所述的旋转平台2包括旋转盘11，旋转盘11一周激光雕刻有分度为1°的刻度，能够精确旋转360°；旋转盘11的中心孔固定有编码掩膜4，中心孔外的旋转盘11表面连接有圆盘3；旋转盘11连接在基板13上，并通过锁定螺丝12锁定；旋转盘11和基板13之间设置有旋转千分尺14；在锁定螺丝12处于解锁状态时，旋转圆盘3带动旋转盘11精确旋转固定角度，实现编码掩膜4精确旋转；当锁定螺丝12处于锁定状态时，旋转千分尺14可以精细调节。利用一种基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置的方法，包括以下步骤：1)非聚焦水浸超声探头1激励超声波s(t)，编码掩膜4将非聚焦水浸超声探头1产生的相对均一的声束进行差异化，差异化后的声束继续传播至样件5处；2)空间中相应像素点的声学信号up(t)被成像区域内的样件5反射，经由编码掩膜4压缩后，单一的反射回波信号y(t)被非聚焦水浸超声探头1接收；3)进行多次旋转编码掩膜4，得到多组接收信号y和压缩矩阵A，进行目标图像的重构。所述的步骤1)具体为：非聚焦水浸超声探头1在脉冲收发仪激励下发射超声波s(t)，超声波的相位均匀性被编码掩膜4破坏，编码掩模4近似是一个点源的集合，这些点源位于编码掩模4各通道的表面，编码掩膜4表面的超声场认为是这些点源集合产生的声场的叠加，每个虚拟点源被激发的时间点是超声场从非聚焦水浸超声探头1表面位置通过编码掩膜4到达编码掩膜4末端的时间决定的，通道i被激发的时间点ti为：其中di为通道i的高度，cacry为超声波在有机玻璃中的传播速度；则通道i发出的超声信号fi(t)为：空间中像素点p处的声学信号为up(t)，每一个通道i对像素点p处的声场信号的贡献up,i为：up,i＝s(t-ti-tp)(3)其中tp为从超声信号从编码掩膜通道i表面传播至像素点p处耗费的时间；编码掩膜4共有I个通道，则像素点p处的声信号up(t)为：所述的步骤2)具体为：空间中共有P个像素点存在散射体，则通道i接收得到的散射信号yi(t)是检测区域内所有散射体回波信号的叠加：非聚焦水浸超声探头1接收到的信号是每个通道接收的信号的总和：用yi表示通道i接收并输出到非聚焦水浸超声探头1的成像区域内所有散射体的散射信号；用ai,p表示散射强度为1时，像素点p散射回通道i的散射信号；用向量x表示成像区域内像素点散射强度组成的列向量,则上式转化为矩阵形式yi＝[ai,1ai,2…ai,P]x＝Aix(8)非聚焦水浸超声探头1实际接收到的信号y近似是各通道信号的总和，其中A被称为压缩矩阵。所述的步骤3)具体为：旋转k次编码掩膜4得到了k组观测信号y(k)和k组压缩矩阵A(k)，k组观测信号y(k)组合得到yassem，k组压缩矩阵组合得到Aassem，二者关系为：根据最小二乘法估计图像信息重构得到一维向量后，将其重新向二维或三维映射，即得到真实成像结果。本专利技术的有益效果为：本专利技术使用非聚焦水浸超声探头1在脉冲收发仪激励下发射高频超声脉冲，抛弃阵列聚焦的方案会降低系统的硬件复杂度，同时又不存在超声扫描成像扫查时间过长的问题。本专利技术使用的编码掩膜4端面设有位置随机、深度在0-1mm范围内随机的孔，设计并加工完成后，掩膜结构4固定且已知。由于超声波在有机玻璃和水中的传播速度不同，掩膜结构4厚度的局部变化会导致固定的局部延迟，从而扰乱声场的相位。传统超声成像方法的相位均匀性被破坏后会导致图像出现伪影，使成像结果变得模糊，但在本专利技术中这种干扰模式是已知的，在超声波的发射和接收中破坏声场相位均匀性有益于降低像素点回波信号的相关性，改善图像分辨率。本专利技术具有结构简单、成本低、成像分辨高的优点。附图说明图1是本专利技术装置的结构示意图。图2是本专利技术装置编码掩膜的结构示意图。图3是本专利技术装置旋转平台的结构示意图。图4是本专利技术装置圆盘的结构示意图。图5是本专利技术装置样件的结构示意图。图6是实施例样件的成像结果。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细描述。参照图1，一种基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置，包括非聚焦水浸超声探头1，非聚焦水浸超声探头1固定于旋转平台2的左端，旋转平台2的右端固定有编码掩膜4，旋转平台2连接在旋转平台基座8上，旋转平台基座8装夹在卡盘7上，卡盘7固定于水箱9底部；编码掩膜4和样件5相对，样件5固定于样件基座6顶部，样件基座6固定于水箱9底部。所述的水箱9采用有机玻璃制成，内部放置有水。参照图1及图2，所述的编码掩膜4固定于旋转平台2的中心孔中，编码掩膜4一个端面设有位置随机、直径1mm，深度随机分布在0-1mm范围的孔。参照图1、图3及图4，所述的旋转平台2包括旋转盘11，旋转盘11一周激光雕刻有分度为1°的刻度，能够精确旋转360°，旋转盘11的中心孔固定有编码掩膜4，中心孔外的旋转盘11表面通过螺栓连接有圆盘3；旋转盘11连接在基板13上，并通过锁定螺丝12锁定；旋转盘11和基板13之间设置有旋转千分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置，包括非聚焦水浸超声探头(1)，其特征在于：非聚焦水浸超声探头(1)固定于旋转平台(2)的左端，旋转平台(2)的右端固定有编码掩膜(4)，旋转平台(2)连接在旋转平台基座(8)上，旋转平台基座(8)装夹在卡盘(7)上，卡盘(7)固定于水箱(9)底部；/n编码掩膜(4)和样件(5)相对，样件(5)固定于样件基座(6)顶部，样件基座(6)固定于水箱(9)底部。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置，包括非聚焦水浸超声探头(1)，其特征在于：非聚焦水浸超声探头(1)固定于旋转平台(2)的左端，旋转平台(2)的右端固定有编码掩膜(4)，旋转平台(2)连接在旋转平台基座(8)上，旋转平台基座(8)装夹在卡盘(7)上，卡盘(7)固定于水箱(9)底部；
编码掩膜(4)和样件(5)相对，样件(5)固定于样件基座(6)顶部，样件基座(6)固定于水箱(9)底部。


2.根据权利要求1所述的一种基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置，其特征在于：所述的水箱(9)采用有机玻璃制成，内部放置有水。


3.根据权利要求1所述的一种基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置，其特征在于：所述的编码掩膜(4)固定于旋转平台(2)的中心孔中，编码掩膜(4)一个端面设有位置随机、直径1mm,深度随机分布在0-1mm范围的孔。


4.根据权利要求1所述的一种基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置，其特征在于：所述的旋转平台(2)包括旋转盘(11)，旋转盘(11)一周激光雕刻有分度为1°的刻度，能够精确旋转360°，旋转盘(11)的中心孔固定有编码掩膜(4)，中心孔外的旋转盘(11)表面连接有圆盘(3)；旋转盘(11)连接在基板(13)上，并通过锁定螺丝(12)锁定；旋转盘(11)和基板(13)之间设置有旋转千分尺(14)；在锁定螺丝(12)处于解锁状态时，旋转圆盘(3)带动旋转盘(11)精确旋转固定角度，实现编码掩膜(4)精确旋转；当锁定螺丝(12)处于锁定状态时，旋转千分尺(14)实现精细调节。


5.利用一种基于掩膜压缩的单传感器三维超声成像装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)首先非聚焦水浸超声探头(1)激励超声波s(t)，编码掩膜(4)将非聚焦水浸超声探头(1)产生的相对均一的声束进行差异化，差异化后的声束继续传播至样件(5)处；
2)然后空间中相应像素点的声学信号up(t)被成像区域内的样件(5)反射，经由编码掩膜(4)压缩后，单一的反射回波信号y(t)被非聚焦水浸超声探头(1)接收；
3)最后进行多次旋转编码掩膜(4)，得到多组接收信号y和压缩矩阵A，进行目标图像的重构。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤1)具体为：非...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾亮，王森梁，王建国，史晓斌，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61