基于区域相关的超声C扫描图像校正算法.pdf
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1、28总第150 期声学与电子工程2023年第2 期基于区域相关的超声C扫描图像校正算法钟恺楼成塗(杭州瑞利超声科技有限公司,杭州,3 10 0 2 3)摘要针对超声C扫描系统在高速扫描中出现的误差进行了分析,对于图像中出现的错位纹,提出了一种基于区域相关的错位校正算法,算法可以在不牺牲图像分辨率的情况下,对C扫描图像中的错位误差进行修复,使图像平滑,优化成像效果。关键词超声C扫描;图像处理;超声显微镜;无损检测D0I:10.3969/j.issn.2096-2657.2023.02.07近年来,随着材料技术与高端制造领域拓展,无损检测技术也得到了广泛应用,基于声学的检测由于其成本低、速度快、检
2、测范围广、对人体无害等优点得到重视和发展。其中超声C扫描检测弥补了普通超声检测直观性差、易漏检的缺点2 ,已作为无损检测领域常用检测手段之一,广泛应用在金属、陶瓷、复合材料、半导体等领域,成为质量控制中不可替代的一环。在制造业应用场景中,超声水浸C扫描自动检测系统可以根据实际需要自动设计扫查路径3 ,实现质量检测与自动化场景的结合,为大批量试件提供实时的C扫描图像。超声扫描显微镜(ScanninggAcousticMicroscopy,SA M)是将超声C扫描技术与高频超声波技术和高速高精度机电系统集成的高精度成像分析仪器,较高的分辨率可用于生物医学以及微电子等用途。超声显微镜技术涉及高频换能
3、器制造机电控制、超声信号采集、数字信号处理、图像处理4 等领域。现阶段超声扫描图像中的数字图像处理技术主要应用于生物医学与工业领域:医学应用主要在临床诊断、医疗手术机器人等;工业应用中,图像处理技术与自动化技术相结合,可以在制造流程中对批量产品的缺陷进行快速高效的检测和评估5。实际场景中会有各种因素影响超声成像效果,需要对图像进行优化增强,故本文提出一种基于区域相关的超声C扫描图像校正算法。1超声C扫描成像误差分析超声C扫描设备主要由机械扫查系统、超声信号收发系统、数据采集处理系统与软件系统 组成。工作时上位机发送指令控制机械扫查系统进行S形往复直线运动,同时超声信号收发系统通过水浸式聚焦换能
4、器实现信号自发自收,此时信号收发系统可支持软件触发、内部触发、外部触发三种信号触发方式。为了使绘制C扫描图像时像素点均匀,我们采用基于运动位置信息的同步触发。系统流程图如图1所示,上位机控制机械扫查系统开始工作,三轴运动平台进行逐行扫描,运动过程中光栅尺将位置信息发送至数据采集卡;数据采集卡根据起点终点位置和设定的成像分辨率进行等距触发;超声信号收发系统收到触发信号后,脉冲收发仪产生脉冲信号,换能器将脉冲信号转换成超声波从而对工件进行探测;换能器为自发自收模式,超声信号收发系统将回波信号返回至数据采集处理系统;数据采集处理系统采集到A扫描信号进行处理,同时提取当前光栅尺位置信息作为一组数据,在
5、上位机通过软件绘制出该数据点;系统因此可以通过往复运动扫描绘制出试件完整的C扫描图像。上位机控制C扫描开始电机模组脉冲收发仪通过开始直线运动根据位置信息换能器发送超声将位置信息等距产生触发信号信号同步发送机械扫查系统数据采集处理系统超声信号收发系统对回波信号进行采光栅获取换能器与收发仪集处理,并与位置当前位置信息接收回波信号信息绑定根据点数据进行扫描绘图图1超声C扫描工作流程图上述成像过程之中,机械运动、信号收发采集、信号处理三个部分均有可能产生成像误差。首先是机械运动中可能由于系统整体刚度问题造成末端超声换能器与工件之间产生相互位移或偏转,以及机械系统机构以及安装中造成的固有误差,导致探测的
6、实际位置与光栅尺记录位置数据不符。该误差会导致C扫描中出现错位条纹,通过加强运动平台各部分连接与零件的刚性、增加整体惯量等方式可29基于区域相关的超声C扫描图像校正算法钟恺等:以减小或消除误差。其次是信号收发采集过程中可能会由于电机模组磁片及电机驱动线路中高压电流对信号线路产生电磁干扰,系统绝缘不佳以及换能器安装不良等原因也可能导致采集到的超声回波信号中引入无关噪声。此误差在C扫描图像中的主要表现形式为椒盐噪声,常用的中值滤波可对其进行有效去除在信号处理过程中由采集卡控制信号的触发与采集,由于“换能器接收到回波信号传递至采集卡”以及“光栅尺记录运动信息发送至采集卡”过程均具有一定时延,导致采集
7、卡记录的运动位置信息不能够准确地代表超声波透射入工件并产生回波时的实际位置。如图2 所示,当某一时刻采集卡获取一组回波与位置信息时,其对应的检测实际位置为ti时间之前换能器所处位置,而获取的位置信息实际为t2时间之前换能器所在位置,二者存在一定偏移,因此会产生扫描信号的失真。此误差也会使C扫描图像中出现与机械运动误差相似的错位条纹,并且由于信号传输时延只能减小而无法避免,所以需要后期图像处理算法对C扫描图像错位进行校正。数据采集卡回波信号位置信息运动方向,2运动机构t1TT与换能器超声波工件图2 数据采集过程示意图2基于区域相关的错位校正算法对错位误差进行分析包括三个部分:其一为运动中机械结构
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