一种开环控制的超声探测系统中的C扫描图像质量增强方法

摘要

本发明涉及一种开环控制的超声探测系统中的C扫描图像质量增强方法，属于开环超声探测技术领域。本发明的目的是为了解决现有开环系统控制的超声C扫描图像质量低的问题，提供一种基于开环控制扫描系统的超声C扫描图像质量增强方法，该方法可应用与扫描式超声探测成像领域，可以显著改善开环系统控制的超声C扫描图像质量，在降低成本的同时，获得高分辨率、低误差的目标信息，且开环控制系统结构简单，有效提高了科研和生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种开环控制的超声探测系统中的C扫描图像质量增强方法，属于开环超声探测技术领域。

背景技术

探测系统与我们的日常生活息息相关，探测系统包括主动探测系统和被动探测系统，主动探测系统的共同之处是利用一个信号源对目标发射探测信号，该信号被目标物体反射，用一个探测器对携带有目标信息的反射信号进行接收，接下来对回波信号进行分析和解调等处理，即可获得目标物体的相关信息。在此定义下，根据探测信号不同，又可分为激光探测、红外探测、超声探测以及光声探测等。另外，为了获得更大范围的探测区域，人们常常需要为探测器搭配一套机电扫描系统，可以使探测器进行角位移或者线位移。根据扫描方式的不同，又可分为A扫描、B扫描和C扫描等。其中，C扫描方式是对整个目标物体的某一个垂直于探测器法线的表面或截面进行成像，常用的方法有蛇形扫描、梳形扫描等。

对于该机电扫描系统，为了保证扫描精度与成像质量，通常会采用一个闭环系统，利用反馈系统将输出信号与输入信号联系起来，具抗干扰能力强、精度高、可靠性好等优点，因此在产业化的探测系统中最为常见。而开环系统也叫“无反馈系统”，顾名思义是不带有反馈环节的控制系统，其输入信号不受输出信号影响，因此其精度无法保证。如果采用开环扫描系统进行C扫描成像，将会造成严重的误差，无法实现应有的功能，服务于科研工作和人类社会。例如在本发明所关注的基于开环扫描系统的高频超声C扫描中，由于该扫描系统的重复定位精度达不到闭环系统的量级，因此会造成重复定位误差与误差积累，最终导致的结果是每行的每个点的对应位置无法确定，使得成像的像素准确率(pixel accuracy,PA)下降，严重影响了其探测效果，阻碍了其功能实现。

即使如此，开环系统也存在着无可替代的优势。开环系统虽然精度较低，但其结构简单、易于调试、成本较低，在精度要求不是很高或者优先考虑成本的情况下，应当尽量使用开环系统。因此开环系统在日常生活中同样应用广泛，它们大多数是通过人类的参与进行调控，如电灯开关、微波炉等，或者是某个控制系统的原理样机和实验验证样机等。正是在这一背景下，相关工作者不断积极地进行着关于改善由于开环控制而导致的不良影响的方法探索。在开环系统中，利用控制算法、人为干预等手段对系统控制进行调节或误差补偿是提高系统精度的常用的手段，如果设计得当，可以使得开环系统达到相当高的精度，甚至可以达到与闭环系统相当的精度效果。因此发展开环系统相关的补偿优化技术可以提高系统的适应能力、节约资源和成本，对于科学研究和社会发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有开环系统控制的超声C扫描图像质量低的问题，提供一种基于开环控制扫描系统的超声C扫描图像质量增强方法，该方法可应用与扫描式超声探测成像领域，可以显著改善开环系统控制的超声C扫描图像质量，在降低成本的同时，获得高分辨率、低误差的目标信息，且开环控制系统结构简单，有效提高了科研和生产效率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于开环控制扫描系统的超声C扫描图像质量增强方法，包括如下步骤：

步骤一、将扫描对象加工成圆形或者放置在环形区域内，对该对象进行开环控制探测系统的 C扫描，所述C扫描由若干个A扫描组成；

步骤二、利用最大值投影法进行数据预处理：将采集到的若干A扫描信号进行剪切、滤波和希尔伯特变换。再将处理后的数据取最大值，同时进行时间飞行法验证；

步骤三、重复进行步骤二，直到处理完全部A扫描数据，获得一个二维矩阵，即一幅C扫描原始灰度图像。

步骤四、以获得的C扫描原始灰度图像为基础，从第一行开始，利用边缘检测算法或者灰度观察法，逐行确定圆环模具或者圆形物体的两个边缘点，再利用两边缘点确定该行的中心位置。将该位置与图像中心位置比较获得补偿值。重复进行n次，共获得n个补偿值，n为图像总行数, 取决于原始灰度图的图像分辨率。所述边缘检测算法包括最大类间方差法、canny法等。

步骤五、从第一行开始，逐行进行整行像素点的移动，移动次数取决于该行的补偿值大小，移动方向取决于补偿值正负。移动时，将超出图像范围的像素点补到另一侧。

步骤六、从第一列开始，利用边缘检测算法或者灰度观察法，逐列确定圆环模具或者圆形物体的两个边缘点，再利用上下两边缘点确定该列的中心位置。将该位置与图像中心位置比较获得补偿值。重复进行m次，共获得m个补偿值，m取决于原始灰度图像分辨率，m为图像总列数，取决于原始灰度图的图像分辨率。所述边缘检测算法包括最大类间方差法、canny法等。

步骤七、从第一列开始，逐列进行整行像素点的移动，移动次数取决于该列的补偿值大小，移动方向取决于补偿值正负。移动时，将超出图像范围的像素点补到另一侧。

步骤八、最终获得一幅处理后的灰度图，即为基于开环控制扫描系统的质量增强的超声C扫描图像。

有益效果

1、一种基于开环控制探测系统的C扫描图像质量增强方法，使用了图像处理的方法，降低了对前端系统的要求，提高了方法的适用性，避免了对系统原有结构的改造，提高了容错率。

2、一种基于开环控制探测系统的C扫描图像质量增强方法，该算法可以使用MATLAB、python 等常用程序设计软件进行程序撰写，具有普适性，可以广泛应用各种接收处理系统。

3、一种基于开环控制探测系统的C扫描图像质量增强方法，提供了一种新型开环系统信息采集方法，使用了配套的圆环模具，提高了方法的应用范围，不仅限于带有圆形边缘的物体，并且也适用于各种边缘不规则，或者边界不确定的各种样本或者目标物体。

4、一种基于开环控制探测系统的C扫描图像质量增强方法，为使用开环扫描系统的C扫描成像提供了高效易行的图像质量增强方法，该方法既具有开环系统低成本、结构简单的特点，又极大改善了传统开环系统的成像精度低、像素准确率差的不足。可行性高，应用范围广，可以应用于科研实验初期的理论验证和效果预测，也可用于精度要求不高的中大型故障检测车间等，可以有效节约成本，提高科研和生产效率。

附图说明

图1为实施例1中操作步骤一中使用的游戏币测试样品示意图；

图2为发明内容中的扫描方式示意图；

图3为发明内容中的圆环模具推荐放置方法示意图；

图4为实施例1中操作步骤三中的超声A扫描信号例图；

图5为实施例1中操作步骤三中的未使用图像质量增强方法的原始图像；

图6为发明内容中的算法流程示意图；

图7为实施例1中操作步骤三中的使用了图像质量增强方法的处理后图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，结合以下具体实例与附图对本发明进一步详细说明。

实施例1

一种基于开环控制探测系统的C扫描图像质量增强方法，包括如下步骤：

步骤一：使用一台步进电机开环控制三轴位移台作为扫描系统，进行超声C扫描实验，目标对象为图1所示的游戏币一枚。由于游戏币为圆形，因此本次实验不需要使用标准模具。

所述扫描系统要求为：开环控制扫描系统。扫描范围要完全包括感兴趣区域。由于无反馈而导致的失步，过冲等问题在误差允许范围内，即总误差不会导致扫描物体或图形的每行列的对称关系发生改变。

所述C扫描方式要求为:蛇形扫描或者梳形扫描等逐行扫描，如图2所示。

所述目标对象要求为：物体具有圆形边缘或者关注部分具有圆形边缘；或者物体为对称物体，且能保证对称轴严格垂直于行扫描方向；若为目标物体为不规则图形，则可采用本方法配套的模具。该模具是一组大小不一的圆环，圆环材料与探测器种类相适应，即可探测材料。在条件允许的情况下，选择大小合适的圆环，放置于感兴趣区域外，将感兴趣区域包围。放置方法可采用图 3a所示方法，也可采用图3b所示方法，视实际情况而定。

步骤二：利用上位机控制步进电机控制器控制位移台进行扫描，同时脉冲收发器进行超声信号的发射和接收，采用高频高压信号激励高频(例如但不限于100MHz)超声换能器进行信号收发。利用示波器或数据采集卡将信号采集到上位机中进行处理。步进电机控制器、脉冲收发器、示波器或数据采集卡三者的同步控制由FPGA完成。

步骤三：采集到的A扫描信号例如图4所示，将采集到的信号利用最大值投影、频域法、飞行时间法等算法进行处理，获得一幅如图5所示的灰度图，可以看出所成原始图像的质量较差，像素准确率较低，其原因是所用的开环扫描系统重复定位精度差，行程起点位置和终点位置不稳定造成的。再利用如图6所示的算法流程图在MATLAB上编写程序进行处理，具体处理过程为：

步骤1：通过示波器或者数据采集卡获得C扫描中每个点的A扫描数据，导入所使用的软件中；步骤2：对获得的A扫描数据进行滤波和希尔伯特变换，滤波器参数由所使用超声换能器的中心频率而定；步骤3：对滤波后的数据进行目标信息定位，做取最大值处理，获得一个数据点，并利用时间飞行法做简单验证；步骤4：对所有扫描点的A扫描数据重复步骤1-3，将扫描数据依次存储到一个矩阵中，获得一幅二维灰度矩阵；步骤5：利用获得的灰度图像，逐行确定该目标物体或者标准模具在行方向上的左右边缘位置，可以利用最大类间方差法等边缘检测算法或者灰度观察法得到边缘像素阈值，从而获得左右边缘的位置；步骤6：利用两个边缘位置取中点获得该行的物体对称中心，并将该对称中心与整幅图像在行方向的中轴线比较，得出每一行的中心偏差值的大小和正负，现规定对称中心在中轴线右边为正；步骤7：再逐行进行补偿，具体补偿方法为：将所有像素移动若干个单位，移动方向由中心偏差值的正负决定，若为正则向左移，否则右移，移动量由中心偏差值的大小决定。现以正为例，所有像素先向左移动一个单位，最左侧的像素为背景，可填充到最右侧。步骤8：重复进行中心位置的确定和校正移动，并且对图像的每列也进行类似的操作。

经过上述步骤的处理，可以获得一幅灰度图，如图7所示，该灰度图对比校正前，其图像质量已经有了显著提高，可以高效低成本地获得接近闭环系统成像水平的超声C扫描图像。

实施例2

一种基于开环控制探测系统的C扫描图像质量增强方法，包括如下步骤：

步骤一：使用一台步进电机开环控制三轴位移台进行超声C扫描实验，目标对象为图3a所示的不规则物体。将不规则物体的感兴趣区域置于圆环形标准模具内。

步骤二：利用上位机控制步进电机控制器控制位移台进行扫描，同时脉冲收发器进行超声信号的发射和接收，采用高频高压信号激励高频(例如但不限于100MHz)超声换能器进行信号收发。利用示波器或数据采集卡将信号采集到上位机中进行处理。步进电机控制器、脉冲收发器、示波器或数据采集卡三者的同步控制由FPGA完成。

步骤三：将采集到的信号利用最大值投影、频域法、飞行时间法等算法进行处理，获得一幅灰度图。再利用如图6所示的算法流程图在MATLAB上编写程序进行处理，可以获得成像质量和像素准确率大幅提高的超声C扫描图像。

实施例3

一种基于开环控制探测系统的C扫描图像质量增强方法，包括如下步骤：

步骤一：使用一台步进电机开环控制三轴位移台进行超声C扫描实验，目标对象为图3b所示的不规则物体。将不规则物体完全置于圆环形标准模具内。

步骤二：利用上位机控制步进电机控制器控制位移台进行扫描，同时脉冲收发器进行超声信号的发射和接收，采用高频高压信号激励高频(例如但不限于100MHz)超声换能器进行信号收发。利用示波器或数据采集卡将信号采集到上位机中进行处理。步进电机控制器、脉冲收发器、示波器或数据采集卡三者的同步控制由FPGA完成。

步骤三：将采集到的信号利用最大值投影、频域法、飞行时间法等算法进行处理，获得一幅灰度图。再利用如图6所示的算法流程图在MATLAB上编写程序进行处理，可以获得成像质量和像素准确率大幅提高的超声C扫描图像。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。