Page 49 - 应用声学2019年第2期
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第 38 卷 第 2 期                 蒋剑等: 基于聚焦换能器的超声透射 CT 技术                                        195


             实验所用超声波信号的频率为 1 MHz,对应的波长                             如图 7 所示,由于采用了聚焦换能器发射和接
             为1.5 mm,而声衍射的强弱是同障碍物的大小与声                         收信号,其声束聚集性能好,声能量高,声压幅值大,

             波波长的比值密切相关的,一般采用 ka = 2πa/λ                       相较于声束无法聚焦的平面换能器,能够带来更高
             的值来描述,其中,k 为声波的波数,λ 为声波的波                         的信噪比,接收信号的波形质量更好。由于接收信
             长,a 是代表障碍物相对尺度的量。ka 的值越小                          号的信噪比较高,通过拾取直达波信号未到达之前
             (ka ≪ 1),声衍射现象越强;ka 的值越大 (ka ≫ 1),                的某一噪声段信号的最大幅值 u max ,并依据实际接
             声衍射现象越弱。若取被测样品的尺度 a = 3 mm,                       收到的透射波形,再设定一个合适的微小增量 δ,将
             可计算出 ka = 12.57 ≫ 1,说明声波衍射效应较弱,                   (u max + δ) 作为阈值,采用峰值检测法,拾取第一个
             那么,接收换能器接收到的声波信号中,无用的干扰                           大于该阈值的峰值点,即可轻易地获得发射信号与
             信号较少,波形结果更能准确反映被测样品截面的                            接收信号的第一个波峰值,对其作差便可很快获取
             信息。                                               走时数据,不仅保证了数据的精确度,而且提高了

             2.2 实验结果及分析                                       超声CT数据处理的效率。如图 8 所示,为采用弧形
                                                               线聚焦换能器进行检测而获得的走时差数据,发射
             2.2.1 获取走时数据
                                                               点位置代表 360 个不同信号发射点的位置,接收点
                 为了重建样品的横断面图像,需要获得两组数
                                                               位置代表每一个发射点所对应的 59 个不同信号接
             据,一组为样品浸没在水中,获得相应的走时数据
                                                               收点的位置,故可组成大小为 59 × 360 的走时差数
             T 0 ;一组为移除水箱中的样品,获得相应的走时数
                                                               据矩阵。观察该数据矩阵图形可以发现,奇异点极
             据T 1 ,从而计算得到走时差数据∆T:
                                                               少,说明在使用聚焦换能器获得较高信噪比的信号
                             ∆T = T 0 − T 1 .           (3)    之后,采用上述峰值检测法来获取走时差数据较为
                                                               可靠和稳定,其抗干扰性能较好。
                   1.0


                   0.5
                            ٪ܦ඀                                      3
                  ࣨϙ/V  0                                            2
                                                                   ᡌ௑ࣀ/10 -7  s  1


                  -0.5                                               0

                                                                   -1
                  -1.0                                              60
                     0   100  200  300  400  500  600  700                                              400
                                 ᧔ನག஝/˔                                  40                        300
                                                                              20              200
                              (a) ऻॎጳᐑཥ૱ᑟ٨                             ଌஆགͯᎶ/(°)         100  ԧ࠱གͯᎶ/(°)
                                                                                    0 0
                    4
                    3                                                          图 8  走时差数据
                    2                                                   Fig. 8 Travel time difference data
                  ࣨϙ/mV  1 0                                   2.2.2 重建断层图像


                   -1                                              关于 CT 图像重建的方法主要分为两大类:一
                                                               类是变换法       [15] ,以滤波反投影算法 (FBP) 为代
                   -2
                                                               表;另一类是迭代法           [16] ,以最小二乘正交分解法
                   -3
                   -4                                          (LSQR) 为代表。为了通过实验对比分析出两者在
                     0   100  200  300  400  500  600  700
                                 ᧔ನག஝/˔                        使用过程中的优劣,分别对图 8 中的走时差数据矩
                                (b) ࣱ᭧૱ᑟ٨                      阵进行反向求解,重建被测样品断层的声速分布图

                    图 7  聚焦与非聚焦换能器接收信号波形                       像,归一化后如图 9所示,中间箭头所指示的小黑圈
               Fig. 7 Receiving signal waveforms of focused and  表示环状笔芯的管壁,里面白色点状部分为笔芯的
               non-focused transducer                          空洞。需要注意的是,本文在采用FBP和LSQR这
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