汪烈成, 蘇明旭, 蔡小舒

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

液-固兩相系中超聲層析成像實(shí)驗(yàn)研究

汪烈成, 蘇明旭, 蔡小舒

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

基于幾何聲學(xué)原理,應(yīng)用半柱面晶片超聲換能器發(fā)射扇形束超聲波,設(shè)計(jì)了環(huán)形超聲換能器陣列,搭建了多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),形成了一套透射式超聲層析成像測(cè)試裝置.研究了二值邏輯反投影圖像重建算法,此算法和測(cè)試裝置構(gòu)成了透射式超聲層析成像系統(tǒng),對(duì)聚四氟乙烯隔板和圓柱體進(jìn)行實(shí)驗(yàn).圖像重建結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠定位成像物體的位置,確定其大小和形狀.將單個(gè)圓柱體二值反投影算法的重建圖像與設(shè)定值比較,成像誤差小于6%.

液-固兩相系;超聲層析成像;換能器陣列;圖像重建;二值邏輯;同步數(shù)據(jù)采集

以超聲波為信息檢測(cè)手段構(gòu)成的計(jì)算機(jī)層析成像系統(tǒng)稱為超聲層析成像系統(tǒng)(UCT)[1].UCT的發(fā)展為醫(yī)學(xué)工程提供了一種安全、無(wú)損、低成本、不需注射藥物、對(duì)機(jī)體組織分辨率較高的診斷工具,易確定病變的位置、大小及性質(zhì)[2].在工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)中, UCT技術(shù)能提供流場(chǎng)二維/三維參數(shù)分布的有效信息,以超聲波為信息檢測(cè)手段的過(guò)程層析成像技術(shù)得到迅速發(fā)展.徐立軍[3]研制了一種基于扇形幾何聲束的透射式超聲層析成像系統(tǒng)來(lái)判斷氣液兩相流中的氣相流型及其含氣率.Utomo[4]利用透射式超聲層析成像原理和過(guò)濾迭代背向投影圖像重建反演算法測(cè)量了空氣、二氧化鈦和水三相流中氣相和顆粒相的流動(dòng)狀態(tài).Rahim[5]基于透射式超聲層析成像原理,設(shè)計(jì)了非侵入式超聲換能器陣列,并提出雜交二值反投影圖像重建算法.Rahiman[6]在圓形容器周圍均勻布置了13個(gè)發(fā)射和接收超聲換能器,應(yīng)用于高聲阻抗的混合介質(zhì)測(cè)量中.

對(duì)于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合,對(duì)成像系統(tǒng)在精度、分辨率、實(shí)時(shí)性上要求均較高.基于此,本文以幾何聲學(xué)近似為理論基礎(chǔ),運(yùn)用透射模式UCT原理,研制了環(huán)形的超聲換能器陣列,發(fā)展二值邏輯反投影圖像重建算法,形成一套透射模式超聲層析成像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)液-固兩相體系截面信息的實(shí)時(shí)測(cè)量.

1 超聲層析成像系統(tǒng)研制

基于幾何聲學(xué)近似的超聲層析成像技術(shù)是指根據(jù)聲傳播路徑物體的幾何投影,結(jié)合相應(yīng)的重建算法對(duì)物體成像,并據(jù)此判定成像物體的位置、形狀、大小及數(shù)目等參數(shù)[7].超聲傳感器陣列是層析成像系統(tǒng)獲取投影信息的單元,其結(jié)構(gòu)形式是決定系統(tǒng)獨(dú)立檢測(cè)參量數(shù)目、測(cè)量數(shù)據(jù)誤差及其采集效率的關(guān)鍵.其中,數(shù)據(jù)采集效率反映測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,獨(dú)立檢測(cè)參量和數(shù)據(jù)誤差則影響整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)成像性能[8-9].

層析成像的理論依據(jù)為Radon變換和Radon反變換[10],由其定義,只有在投影角無(wú)限多,且每個(gè)投影角度下的投影線足夠多的情況下才能獲得對(duì)象的“精確重建”.換言之,超聲換能器陣列的獨(dú)立檢測(cè)量必須足夠多,才能從硬件系統(tǒng)上確保對(duì)象的圖像重建質(zhì)量.由于扇形束掃描方式數(shù)據(jù)采集效率較固定收發(fā)換能器方式更高,因此,本文按扇形束掃描方式設(shè)計(jì)了相應(yīng)的換能器.

1.1 超聲換能器陣列研制

設(shè)計(jì)了一種半圓柱形的壓電晶片,換能器結(jié)構(gòu)如圖1所示,最大的特點(diǎn)是其聲輻射角度范圍近似180°,且具有較均勻的輻射特性,接收特性也與此相似.鑒于超聲層析成像系統(tǒng)要求超聲換能器中心頻率高、信號(hào)持續(xù)時(shí)間短(如窄脈沖)、雙程插入損失低,且工作于厚度方向,采用了克里姆霍爾茲(KLM)等效電路來(lái)描述超聲換能器的厚度振動(dòng)模式[11].前端聲學(xué)端口阻抗匹配采用“四分之一波長(zhǎng)匹配層”,后端聲學(xué)端口阻抗匹配采用鎢粉和環(huán)氧樹脂的混合物.

圖1 換能器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of the transducer structure

制作了由16個(gè)頻率均為2.25 MHz的超聲換能器構(gòu)成的換能器陣列,如圖2所示.實(shí)驗(yàn)采用一發(fā)多收形式,一次掃描可以獲得240(16×15)個(gè)獨(dú)立聲學(xué)信號(hào)(不考慮自發(fā)自收信號(hào)),較文獻(xiàn)[12]采用了42個(gè)超聲換能器(6個(gè)發(fā)射,36個(gè)接收)得到216 (6×36)個(gè)獨(dú)立信號(hào)而言,在減少超聲傳感器數(shù)目的同時(shí)獲得了更多的獨(dú)立信號(hào).

圖2 換能器陣列實(shí)物圖Fig.2 Diagram of transducer array

1.2 超聲層析成像系統(tǒng)

在前述超聲換能器陣列基礎(chǔ)上,建成了如圖3所示的超聲層析成像測(cè)試系統(tǒng).系統(tǒng)由超聲波激勵(lì)信號(hào)源、直徑為120 mm的成像水槽、換能器陣列、前置信號(hào)放大器、基于PCI總線的NI-5105高速數(shù)據(jù)采集卡、發(fā)射切換電路及計(jì)算機(jī)等組成.

實(shí)驗(yàn)中,發(fā)射切換電路控制信號(hào)源發(fā)射出一定強(qiáng)度的電脈沖,逐個(gè)激發(fā)超聲波,其余的15個(gè)換能器接收信號(hào).信號(hào)源同時(shí)給出1個(gè)下降沿信號(hào)作為采集卡的同步采集信號(hào).換能器接收到信號(hào)后經(jīng)40 dB同步放大電路后,由高速數(shù)據(jù)采集卡(60 M/s)對(duì)其進(jìn)行采集,保存到計(jì)算機(jī)上.通過(guò)LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜分析和其它數(shù)據(jù)處理后獲得1個(gè) 16×16的信號(hào)矩陣(包含自發(fā)自收信號(hào)).

圖3 超聲層析成像系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of the ultrasound computerized tomography system

1.3 系統(tǒng)特性測(cè)試

圖4給出了同一超聲換能器在不同角度(以成像水槽圓心為原點(diǎn),發(fā)射接收換能器所成角度)接收到的超聲信號(hào),不難看出,換能器在不同角度均能接收到聲波信號(hào).隨著角度的增加,超聲傳播距離增大,信號(hào)也相應(yīng)延遲.對(duì)于超聲信號(hào)通過(guò)FFT(fast Fourier transformation)變換獲得最大頻域幅值.由于換能器的制作差異,需要作歸一化處理.將不含成像物體時(shí)換能器接收到的信號(hào)作為背景,與存在成像物體時(shí)的對(duì)應(yīng)信號(hào)作比值,得到信號(hào)矩陣P(16,16).

圖4 換能器在不同角度上接收到的超聲信號(hào)Fig.4 Ultrasonic signals received by the transducers at different angles

2 圖像重建算法

超聲層析成像的實(shí)現(xiàn)包括正演和反演兩個(gè)基本過(guò)程.正演是反演的基礎(chǔ),其模型選取與求解精度直接影響反演精度,而反演即為圖像重建過(guò)程.由于本文研究對(duì)象(成像物體)的尺寸遠(yuǎn)大于水中超聲波的波長(zhǎng)(ka?1,k=2π/λ,k為角波數(shù),a為研究對(duì)象半徑,λ為波長(zhǎng)),反演算法在幾何聲學(xué)近似模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì),此時(shí),二值邏輯反投影反演算法(BLBP)具有成像速度快、成像精度高的特點(diǎn).

實(shí)際應(yīng)用時(shí)考慮到物體邊緣效應(yīng)會(huì)帶來(lái)誤差,往往帶來(lái)介于正常信號(hào)和零信號(hào)之間的弱信號(hào)影響成像效果,為此,在二值邏輯反投影圖像重建算法中,引入邏輯值“2”,并采用雙閾值處理,則可獲取新的信號(hào)矩陣S(i,j),使得原物體成像更準(zhǔn)確.該過(guò)程可表示為

在信號(hào)矩陣中,i代表發(fā)射傳感器編號(hào),j代表接收傳感器編號(hào),0代表信號(hào)完全被物體遮擋,1代表信號(hào)部分被物體遮擋,2代表信號(hào)完全通過(guò).圖像重建過(guò)程如圖5所示,當(dāng)1號(hào)換能器發(fā)射超聲波時(shí), 9號(hào)換能器被完全遮擋,在圖像矩陣上由O,A,B這3點(diǎn)構(gòu)成的扇形區(qū)域權(quán)重加1;此時(shí),8號(hào)換能器被部分遮擋,那么,由O,B,C構(gòu)成的扇形區(qū)域權(quán)重加0.5;而不被遮擋的情形,權(quán)重則加0.以此類推,圖像矩陣取決于其信號(hào)矩陣各個(gè)元素值的大小.如此循環(huán)一周,則圖像矩陣上的每一個(gè)元素均獲得不同程度的權(quán)重累加,此時(shí),選取適當(dāng)閾值,即可反演獲得重建圖像.

圖5 BLBP反演算法示意圖Fig.5 Diagram of the BLBP reconstruction algorithm

3 層析成像的結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中,以聚四氟乙烯圓柱(模擬柱狀流動(dòng))和隔板(模擬半管流動(dòng))為層析成像研究對(duì)象,包括以下4種工況:a.在成像水槽正中插入一塊隔板;b.成像水槽中心處放置單個(gè)圓柱體,半徑為10 mm; c.成像水槽不同位置放置2個(gè)半徑不同的圓柱體,半徑分別為13,10 mm;d.成像水槽不同位置放置3個(gè)半徑不同的圓柱體,半徑分別為20,13,10 mm.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)測(cè)試并獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),運(yùn)用二值邏輯反投影算法,通過(guò)Matlab編程重建圓柱體和模擬流型圖像.為了便于比較,同時(shí)進(jìn)行了數(shù)值仿真,將上述4種實(shí)驗(yàn)工況直接以圖像形式模擬出來(lái).

仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖像重建如圖6和圖7所示,成像截面的外切正方形劃分為256×256的網(wǎng)格.對(duì)于上述4種工況,完成一次數(shù)據(jù)反演和圖像重建時(shí)間均小于0.02 s,可滿足實(shí)時(shí)性要求.從圖7可見,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重建結(jié)果(幾何輪廓)可能在面積、形狀、位置(幾何中心)上和真實(shí)輪廓存在差異.為此定義一個(gè)空間成像誤差來(lái)量化整個(gè)超聲層析成像系統(tǒng)的成像精度.

式中,Gs(i,j),Gr(i,j)分別定義為真實(shí)圖像和重建圖像;L表示劃分的網(wǎng)格個(gè)數(shù).

按式(2)～(4)計(jì)算圖7中重建圖像的成像誤差,對(duì)于隔板情形,圖像重建SIE=9.38%;對(duì)于單圓柱體,圖像重建效果最好,SIE=5.60%,表明該系統(tǒng)能夠初步定位成像物體的位置、確定物體的大小和形狀;對(duì)于更為復(fù)雜的雙圓柱體和三圓柱體,誤差分別為37.29%和38.05%.然而,UCT技術(shù)應(yīng)用于液-固兩相流在線監(jiān)測(cè),測(cè)試系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用還需特別注意考慮如下問(wèn)題:

a.聲阻抗分布的強(qiáng)非均勻性.

本實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)對(duì)象為聚四氟乙烯圓柱,其聲阻抗(3.1×106Pa·s/m3)和水較接近.鑒于研究對(duì)象尺寸遠(yuǎn)大于超聲波波長(zhǎng)而作了幾何聲學(xué)近似假設(shè).在實(shí)際應(yīng)用中,固相和液相介質(zhì)的聲學(xué)特性差別可能會(huì)很大,具有強(qiáng)非均勻性聲阻抗,此時(shí),由于兩相界面的強(qiáng)聲反射現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致測(cè)量聲壓信號(hào)偏離理論假設(shè),影響反演結(jié)果的準(zhǔn)確性.

b.超聲波的低傳播速度.

超聲波屬機(jī)械波,與光相比傳播速度很慢,在水中約為1 497 m/s(25℃).超聲波的低傳播速度原理限制了超聲投影信號(hào)的獲取速度.如果液-固兩相流流速達(dá)到每秒幾十米以上,兩相流橫截面上兩相分布狀況隨時(shí)間快速變化,要求超聲成像系統(tǒng)必須在足夠短的時(shí)間內(nèi)完成從信號(hào)采集到圖像重建所有步驟,才能滿足實(shí)時(shí)性要求.

圖6 仿真圖像Fig.6 Simulation results

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重建圖像Fig.7 BLBP reconstruction algorithms results

4 結(jié) 論

a.本文提出的陣列檢測(cè)方法,采用聲輻射角度范圍近似180°的晶片和一發(fā)多收的扇形束掃描方式,具有較寬的投影角,且單個(gè)投影角度下的投影線多,在較少的探頭數(shù)目(16個(gè))條件下,獲得較好的實(shí)驗(yàn)信號(hào)矩陣,有利于提高對(duì)象圖像重建的質(zhì)量.

b.改進(jìn)BLBP反演算法重建一幅圖像的時(shí)間小于0.02 s,同時(shí)具有一定的成像精度,系統(tǒng)能夠定位成像物體的位置,確定物體大小和形狀,單個(gè)圓柱成像誤差小于6%.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究傳感器系統(tǒng)和快速精確的圖像重建算法將有利于提高系統(tǒng)的分辨率、改善動(dòng)態(tài)性能.

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(編輯:石 瑛)

Experimental Study on Ultrasound Computerized Tomography on Liquid-solid Two-phase System

WANGLiecheng, SUMingxu, CAIXiaoshu
(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Based on ultrasonic geometric acoustics principle,a circular ultrasonic transducer array was designed,where fan-shape beam ultrasonic transmitters were applied to emit ultrasonic pulses.Further, with a multi-channel synchronous data acquisition system,the whole transmission-mode ultrasound computerized tomography(UCT)device was developed.The basic principle of binary logical back projection reconstruction algorithm(BLBP)and its improvement were presented in detail,followed by experiments on a polytetrafluoroethylene(PTEF)plate and rod.The results show that the system can be used to identify the size,shape and location of objects.Comparing the images reconstructed by BLBP with given values,their errors are within 6%in the case of a single circular rod.

liquid-solid two-phase system;ultrasound computerized tomography;transducer array;image reconstruction;two-value logic;synchronous data acquisition

TK 31

A

1007-6735(2015)01-0007-06

10.13255/j.cnki.jusst.2015.01.002

2013-09-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176128,51076106);上海市教委重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目(12ZZ142)

汪烈成(1988-),男,碩士研究生.研究方向:超聲層析成像.E-mail:liechengw@gmail.com

蘇明旭(1973-),男,教授.研究方向:光散射和超聲散射顆粒測(cè)量理論和技術(shù).E-mail:sumxmail@163.com