（声学专业论文）混凝土超声透射成像仪的研制.pdf

摘要 摘要 混凝土超声检测在建筑质量安全控制中有着重要的意义。传统一发一收的 超声检测方法中存在不直观、速度慢等问题，难以满足生产中的需要。因此研 制快速、直观的混凝土检测仪已越来越重要。 本论文通过开发出一套应用软件程序，进一步研制一台试验性的混凝土超 声透射仪，来实现“发展新的混凝土超声检测方法 的目标。为了说明超声波 计算机层析成像法检测混凝土材料质量的可行性，完成了以下四个方面的工 作：1 理论上提出混凝土超声透射成像的快速、实用算法。2 开发一套应用软件 程序，比较最佳路径与直路径成像之间的差异，通过数值模拟分析各个参数对 成像质量的影响，说明算法成像效果的有效性。3 基于编程逻辑v h d l 语言研制 出一台试验性快速、直观反映混凝土质量的超声波透射仪。4 利用试制的超声 透射成像仪检测混凝土试块，成像结果与混凝土模拟缺陷较吻合，说明理论算 法和仪器设计制作的可行性。 关键词：超声、混凝土、超声检测、透射成像 a b s l l r a c t a b s t r a c t u l t r a s o u n dt e s t i n go fc o n c r e t e sh a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ec o n s t r u c t i o n q u a l i t ya n ds a f e t yc o n t r 0 1 s i n c et r a d i t i o n a lu l t r a s o u n dt e s t i n gm e t h o db a s e do no n e e m i t e ra n do n er e c e i v e rh a st h ep r o b l e mo fi n d i r e c ta n dl o ws p e e d ，i ti sh a r dt om e e t t h en e e di nt h ec o n c r e t ec o n s t r u c t i o n s od e v e l o p i n gaf a s ta n dd i r e c tu l t r a s o u n d t 懿t i n go fc o n c r e t e sh a sb e c o m em o r ei m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , a n a p p l i c a t i o n s o f t w a r ea n da l l e x p e r i m e n t a l u l t r a s o u n d t r a n s m i s s i o ng r a p ho fc o n c r e t e sa l ed e v e l o p e dt or e a l i z eag o a lo f d e v e l o pan e w m e t h o df o ru l t r a s o u n dt e s t i n go fc o n c r e t e s f o rt h ec u r r e n tr e s e a r c hg r o u p t o e x a m i n et h ef e a s i b i l i t yo ft h eu l t r a s o u n dt r a n s m i s s i o nf o rt h ec o n c r e t e sq u a l i t y , t h i s t h e s i sh a sf i n i s h e dt h ew o r k so ft h ef o l l o w i n gf o u rp a r t s ：1p r o p o s ead i r e c ta n df a s t t r a n s m i s s i o na l g o r i t h mf o rc o n c r e t e si m a g i n gm e t h o di nt h e o r y 2d e v e l o pa a p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n de x a m i n e st h ei m a g i n gq u a l i t yb ya n a l y z i n ge a c hp a r a m e t e r s i n f l u e n c e ，a n dc o m p a r i n gt h e d i f f e r e n c eb e t w e e no p t i m a lp a t ha n ds t r a i g h tp a t h m o j a o dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 3d e v e l o pat e s t i n gc o n c r e t e su l t r a s o u n d t r a n s m i s s i o nd e v i c eb a s e do nv h d lp r o g r a ml a n g u a g e 4 a p p l yt h ed e v e l o p e d d e v i c et oe x a m i n eac o n c r e t ew i t hs i m u l a t e dd e f e c t s e x p e r i m e n t a lt r a n s m i s s i o n i m a g ei si na g r e e m e n tw i t ht h es i m u l a t e dd e f e c t , a n dt h u st h ef e a s i b i l i t yo ft h ei m a g e f o r m a t i o na l g o r i t h ma n dt h ed e s i g no f t h ei n s t r u m e n ti sd e m o n s t r a t e d k e yw o r d s ：u l t r a s o u n d ，c o n c r e t e , u l t r a s o u n dt e s t i n g , u l t r a s o n i c t r a n s m i s s i o n p h o t o g r a p h y i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录 检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关 部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适 当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：互多 嘎年 其| ，f b 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 2 驴p 罗年千月7 日 第1 章概述 1 1 概述 第1 章概述 混凝土检测在建筑质量检测中有着重要的意义。随着大直径钻孔灌注桩技 术，在我国公路桥梁及高层建筑中的广泛采用，对混凝土检测在检测精度、检测 速度、无损伤等方面的要求也越来越高【3 】。传统的检测方法中存在不直观、速度 慢、精度不高等不足，已难以满足生产中的需要。因此研制快速、直观的混凝土 检测仪已经成为一种趋势。 众所周知，超声波是不可听声，具有频率高，指向性好，能量强等特点，因 而在无损检测领域得以广泛利用。透射技术具有直观、无损伤、精度高等特点。 现在超声波透射技术，在土木工程质量无损检测领域得n t 快速发展，取得了良 好的应用效果，被认为是目前最有前途的测量方法之一。 1 2 混凝土检测发展现状和发展方向 1 2 1 混凝土检测发展现状 混凝土检测目前可以分为破坏性和无损的两大类。破坏性的就是凿开，可以 检查钢筋、保护层厚度、混凝土密实情况等。无损检测包括的种类比较多，在实 际中常用的有以下几种5 】- 【引。 l 回弹法 回弹法是以在混凝土结构或构件上测得的回弹值和碳化深度来评定混凝土 结构或构件强度的一种方法，它不会对结构或构件的力学性质和承载能力产生不 利影响，在工程上已得到广泛应用。 2 超声回弹综合法 回弹法只能测得混凝土表层的强度，内部情况却无法得知，当混凝土的强度 较低时，其塑性变形较大，此时回弹值与混凝土表层强度之间的变化关系不太明 显；超声波在混凝土中的传播速度可以反映混凝土内部的强度变化，但对强度较 高的混凝土，波速随强度的变化不太明显。如将以上两种方法结合，互相取长补 短，通过实验建立超声波波速一回弹值一混凝土强度之间的相关关系，用双参数 来评定混凝土的强度，即为超声回弹综合法。 3 冲击回波法 冲击回波法是用一钢珠冲击结构混凝土的表面，从而在混凝土内产生一应力 第1 章概述 波当该应力波在混凝土内遇到波阻抗差异界面即混凝土内部缺陷或混凝土底面 时，将产生反射波，接收这种反射波并进行快速傅里叶变换( f f t ) 可得到其频 谱图，频谱图上突出的峰值就是应力波在混凝土内部缺陷或混凝土底面的反射形 成的，根据其峰值频率可计算出混凝土缺陷的位置或混凝土的厚度。由于该法采 用单面测试，特别适合于只有一个测试面如路面、护坡、底板、跑道等混凝土的 检测。 4 钻芯法 钻芯法是利用专用钻机和人造金刚石空心薄壁钻头，在结构混凝土上钻取芯 样以检测混凝土强度和缺陷的一种检测方法。它可用于检测混凝土的强度，结构 混凝土受冻、火灾损伤的深度，混凝土接缝及分层处的质量状况，混凝土裂缝的 深度、离析、孔洞等缺陷。该方法直观、准确、可靠，是其他无损检测方法不 可取代的一种有效方法。钻芯法检测混凝土费用较高，费时较长，且对混凝土造 成局部损伤，因而大量的钻芯取样往往受到限制，可利用其他无损检测方法如超 声法与钻芯法结合使用，以减少钻芯数量，另一方面钻芯法的检测结果又可验证 其他无损检测方法如超声法的检测结果，以提高其检测的可靠性。 5 超声波透射法 一 超声波具有穿透能力强，检测设备简单，操作方便等优点，特别适合于对混 凝土的检测，尤其适合对大体积混凝土如大坝、桥墩、承台及混凝土灌注桩的检 测。常规的超声波对测法及斜测法 4 可检测混凝土内部的缺陷，但这需要操作 人员具有一定的工作经验，且检测精度也不够高，仅能得到某些测线上而非全断 面的混凝土质量信息。 1 2 2 混凝土检测发展方向 未来，混凝土检测技术的发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 测量方法不断推陈出新。目前工程中使用的检测方法，大多各有利弊， 没有哪一种是完美无缺的，需要发展新的检测方法。 ( 2 ) 混凝土检测技术进一步向价格便宜、应用范围广、检测速度快、操作 简便等方向发展。 ( 3 ) 检测结果的直观化、高精度。能在现场快速的得到结果。 声波透射技术由于其无损伤性，应用范围广，直观，高精度等特性。近几年 来，在土木工程质量无损检测领域得到了快速发展，已经成为一种最有前途检 测手段。 比较超声波透射技术与其他检测技术 1 与传统检测中主要采用一对超声探头发收测量超声波通过的声速和衰减 2 第1 章概进 来评定混凝土中有无缺陷的方法，超声透射成像技术的优势在于以下几点：i 确切地掌握混凝土具体的内部结构。比如裂缝出现在哪个位置，形状大小如何。 2 结构比较复杂且材料较为多样的物体同样适用。3 有较高的精度。 2 与x 光透射成像相比：l 超声透射，由于超声的能量较小，不会对检测 试样和检测造成伤害。x 光透射则有可能对试件、人体造成伤害。2 超声较x 光相比，具有更强的穿透能力检测的范同更大。 1 3 本实验室现阶段研究内容 基于混凝土检测的重要性，与超声方法在实际应用取得的好的效果，从以前 本实验室对超声混凝土检测进行了大量的研究。并研制了一台多功能超声检测系 统如图11 。它集微机主控、高压发射、程控放大、a d 采集于一体，实现超 声发射与接收、数字波形采集、声参量自动检测、动态超声信号的实时频谱分析 ( f f t ) 、数据场的三维可视化表示( 3 d 图形) 、数据分析与处理全部自动化。 软件操作简单、界面友好、功能强大。具有以下的特性： 1 支持快速数据传输处理方式下的实时绘图： 2 由程序自动控制与调整高压发射与接收放大系统： 3接收灵敏度高在正常混凝上中穿透距离谜1 0 米： 4 声参量( 声时，波幅，频谱) 快速自动判读，记录存储； 5 采集单次激励的瞬各信号的动测功能： 6系统不仅具有常规超声仪的全部功能，而且同时具有数字示波器、瞬态 记录仪、频谱分析仪的功能。 现在该仪器在国内同类产品中属于领先地位，本文的工作就是此积累的基础 上进一步向前推进，以满足建筑混凝土工程质量和安全的超声检测。 图11 u s o n i c 超卢检测系统 第l 章概述 1 4 本文主要内容 本论文的主要工作就是在原有实验室积累的基础上，围绕“发展新的混凝土 超声检测方法 这一目标，开发出一套应用软件程序，研制一台试验性的混凝土 超声成像仪，以此来检验用弹性波透射法进行混凝土材料检测的可行性和实用仪 器的开发方向。 ( 1 ) 从理论上阐述超声透射技术的原理，并分析了各种超声透射方法，提出 实用的混凝土成像检测方法，并将其应用于实验测量之中。 ( 2 ) 研制并开发出一套应用软件程序。利用新开发的透射成像软件检测有 缺陷混凝土模型，并与现有成像软件得到的图像进行比较，以检验成像效果。进 行数值模拟，分析各个参数对成像质量的影响，并比较最佳路径与直路径之间的 差异。 ( 3 ) 研制出一台具有超声发射与接收，信号数字采集，并且能与计算机相 连的智能化混凝土超声检测仪 ( 4 ) 利用试制的超声透射成像仪检测混凝土试块，将得出的成像结果与混 凝土模拟缺陷比较，来说明仪器试制的效果。 4 第2 章超声c t 成像基本原理 第2 章超声透射成像基本原理 混凝土成像基本上包括：弹性波透射成像、衍射成像及散射成像。目前，在 地质构造探测和土木工程质量检测方面，基于射线理论的弹性波透射成像是应用 效果最好成像精度最高的方法之一。以波动理论为基础的弹性波成像方法具有明 显的发展前景，但在具体应用中，仍然有许多技术问题需要研究解决。 2 1 射线透射成像原理 透射成像的数学基础是r a d o n 变换及其逆变换。函数f ( x ，y ) 的r a d o n 变换 被定义沿某一直线的积分值p 。( t ) ，也称为投影值，如图2 1 如采3 5 1 。 马( t 涂 ， 弱一 ，( z ，) 廿二 图2 1r a d o n 变换示意图 z = z c 0 8 0 + 掣s i n 口 在极坐标系下，r a d o n 变换公式如下： b ( f ) = ，f ( x ，j ，) 以= 厂( x ，y ) g ( x c o s 0 + y s i n o f ) d ，d y ( 2 1 ) f ( x , y ) = ) = 专驻丙击而争d 口仫2 ， 根据r a d o n 逆变换公式( 2 2 ) 可知，如果已知所有投影角度的数据，则可 以唯一地重建函数f ( x ，y ) ，就是根据实测投影数据重建物体内部某种物理量的 分布图像，是r a d o n 逆变换公式的具体实现过程，是从观察到的一组曲线或曲面 数据反演物理模型。 目前，基于射线理论的层析成像方法被分为两类：一类为变换重建法，另一 类为级数展开法。 5 第2 章超声c t 成像基本原理 变换重建法也叫解析法，是以准确的r a d o n 逆变换公式或其等价变换的形式为依 据，根据实测的投影数据来计算物体内部某种物性函数f ( x ，y ) 分布图像。弹性 波透射中难以满足这些要求，所以一般不宜采用变换重建法。 2 2 级数展开法 级数展开法就是离散化的数值方法。它首先要将问题离散化，即把图像 重建区域分成规则的网格单元。如图2 2 所示，假设测区共有i 条测线通 过，将测区离散划分成j = mxn 个网格。l i 为第i 条射线( 激发点s 到 接收点r 之间) 的距离。可以用r a d o n 变换来建立沿直线l i 的线积分，见 公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 。 图2 2 射线路径示意图 若成像单元足够小，则可将每个单元的f ( x ，y ) 视为常数，则式( 2 2 ) 可写 成如下的级数形式。 m p p ( f ) = j 厂( x ，j ，) d ，兰厂鲈x j ( i = i j ，n ) ( 2 3 ) 工i l 其中，r i j 为第i 条射线穿过第j 个单元的距离，x j 为f ( x ，y ) 在第j 个单元内 的平均值，m 为单元总数。 如果有n 条射线，上式则可写成矩阵形式： y | - r x( 2 4 ) 其中，y 为投影向量，r 为射线路径矩阵，x 为图像向量。射线路径矩阵r 实际 上是一个大型稀疏矩阵。在超声波透射成像中，通常采取多点( 设为r 个点) 发射， 多点( 设为s 个点) 接收，则有n = r s 条射线，一般r - - s ，可见方程的个数等于r 的 平方。未知数的个数为成像单元的数目( 亦即矩阵r 每一行的元素个数) ，而每条 6 第2 章超声c t 成像基本原理 射线只通过其中的少部分单元，因此a 中的大部分元素为0 。 若已知投影向量y ，求解图像向量x ，称为反演过程。所谓的反演过程，也 叫逆变换过程，其实就是在已知投影向量y ，求解式( 2 4 ) 得到图像向量x 的 过程。在超声透射成像中，我们可以利用射线追踪技术求得射线路径矩阵r ，通 过测量得到时间向量y ，从而最终求出慢度( 速度的倒数) 向量x 。 对于求解线性方程，我们往往采用迭代法，其过程归纳如下： ( 1 ) 定义一个初始参数模型。 ( 2 ) 使用某种射线追踪方法计算理论投影值。 ( 3 ) 对比理论投影值和观察投影值，如果残差大于给定的误差级别且未达 到给定的迭代次数，则修改参数模型。 ( 4 ) 重复以上( 2 ) ( 3 ) 步骤，直到残差满足所给定的收敛条件或达到给 定的迭代次数为止。 比较常用的两类迭代法是代数迭代法( a r t ) 和联合迭代法( s i r t ) 。s i r t 是利用一个单元内通过的所有射线的修正值来确定对这一单元的平均修正值，即 s i r t 中的一次迭代相当于a r t 中的一轮迭代，成像结果与射线次序无关。s i r t 采用平均修正值算法可以有效压制干扰信号，具有良好的收敛性，是目前普遍采 用的成像算法。 2 3 射线波速透射成像 利用射线追踪法，我们已经可以求出射线的路径矩阵r ，根据射线透射成像 理论( 2 6 ) 式，只要通过超声检测设备测量出每条射线实测走时值，就可以最 终知道物体内部不同区域波速的分布了。所以我们应该首先把成像区域剖分为m 个单元，求解下列方程： 厶1厶2 z l m 乞1乞2 乞m ln lln 2 l 撇 s l s 2 正 互 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 为大型稀疏线性方程，其中l i j 为第i 条射线在第j 个单元内的 路经长度，s j 为第j 个单元的平均慢度，t i 是第i 条射线的实测走时。 求解方程组( 2 5 ) 式的具体步骤如下： ( 1 ) 用反投影技术b p l ( b a c kp r o j e 透射i o nt e c h n i q u e ) 计算各单元平 7， 第2 章超声c t 成像基本原理 均慢度初值s 。设某一单元内有n 条射线通过，1 是其中第m 条射线通过该单元 的射线长度，且其射线总长为l _ ，走时为t - ，则通过单元所用的时间分配 乙= 乙乙厶。通过单元内的n 条射线鹧时间分配为t n = 乙，总长度分配为1 ； 厶= 窆f m ，则该单元的平均慢度值s = f n 。 ”1 您) 用射线追踪技术计算射线在各单先内的长度lij 和射线走时t c 。根据各 单元平均慢度初值或者迭代结果，应用弯曲射线追踪技术即可精确求出射线路径 矩阵。然而，在具体应用时，由于直射线近似计算较弯曲射线追踪较要快很多， 所以迭代初期一般先用直射线近似计算射线路径矩阵。然后，再用弯曲射线追踪 技术计算射线路径矩阵，进行高精度迭代成像。 ( 3 ) 用s i r t 算法校正各单元慢度值s 。设某一单元内共有n 条射线通过， 射线m 是其中的任意一条，实测走时是t m 。用直射线或者弯曲射线追踪算法， 可以求出射线m 通过该单元内的长度1 m ，以及射线总长度l m 和射线走时t a m 。 则分配给该单元的走时误差气= ( 乙一r 。) 乙k ，n 条射线通过单元内总走时 误差为厶，总射线长度为乙，单元慢度s 用下式校正： ”2 1 m 。1 以 ，l以，l s “) _ s k + 占m z 所 m = 1 肌= 1 ( 2 6 ) 如果已知测区内波速变化范围，可使用 lj + w9 ，则l1 = lj + w9 ，zi ：j ；如果j i ；i ：j 一1 ：所有程序运行后j = j + l 。 3 如果j n ，则运行第2 步。 4 如果i n ，则运行第3 步。 z 用来存储路径，l 存储最佳路径所走的路经的长度。算法3 时间复杂度为0 ( n 2 ) 【1 3 1 。 2 5 4 比较3 算法 三种算法在计算的速度、路径的储存上有着明显的差别。下面我们就要对三 种算法的优缺点、分析影响计算速度的因素。 表2 2 【1 刁三种算法的存储方法、空间复杂度、优缺点的比较 名称存储方法优点 缺点 空间复杂度 易判断二点关系，j所占空间大， 方法12 维数组以直接获得所走路径结构复杂0 ( n 2 ) d ij k s t r a 距离。 算法 结构复杂，不 方法2 最短链表节省时间。能得到所走路o ( n ) 路权矩阵径长度。 法 方法3 快速2 维数组 节省空间，逻辑简单，个易判断两点 可以直接获得所走路 关系0 ( n 2 ) d ij k s t r a 径距离。 算法 表2 2 中对三种最佳路径算法的存储方法、空间复杂度、优点、缺点进行了 比较。 下面分析三种算法在不同的时间复杂度下进行运算速度，分析时间复杂度对 运行时间的影响。比较三种方法在不同的矩阵维数时的c p u 运行的运行速度。表 2 3 中比较了三种算法，对随机生成维数为i 0 0 ，2 0 0 ，4 0 0 ，6 0 0 ，8 0 0 矩阵的运算 时间。 1 4 第2 章超声c t 成像基本原理 表2 3 - - 种算法对不同随机生成维数矩阵运算时间的比较 矩阵维数 1 0 02 0 04 0 06 0 08 0 0 时间( s ) 方法l 0 2 9 70 9 5 17 9 8 6 2 7 5 3 7 6 7 5 1 1 方法2 0 0 1 70 0 3 7o 0 8 10 1 3 80 1 9 6 方法3 0 1 6 40 8 0 75 6 1 12 2 2 2 85 7 8 7 5 从表2 3 中，可以看出方法2 比方法3 运行的速度要快很多，尤其是当矩阵维 数越大，所用的时间差别越大。这就说明时间复杂度c p u 运行的运行速度的影响： 时间复杂度越大，所用时间越多。所以当矩阵维数大的时候应该采取方法2 。然 而方法2 ，不能求出所走路径长度，所以当需要所走路径长度时，就不能使用方 法2 。 比较方法l 与方法3 ，它们的时间复杂度并没有差别，然而实际运算中，方法 3 却要比方法l 运行的要快，这主要是由于它们的空间复杂度不同的差异造成的。 方法3 的空间复杂度是方法1 的空间复杂度是2 倍。 分析空间复杂度，对程序运行速度的影响。设计一个简单的循环为5 0 0 次赋 值程序，每次循环只赋值一次。表2 4 中列出了当数组维数分别为1 ，5 0 0 ，6 0 0 ， 8 0 0 时，程序的运行时间。 表2 4 不同数组维数程序的运行时间 数组维数 l 5 0 06 0 08 0 0 时间s 0 0 0 0 0 1 20 0 0 2 0 8 70 0 0 2 1 4 20 0 0 2 2 6 3 时间复杂度为5 0 0 时是时间复杂度为1 时的1 7 3 9 倍。可见空间复杂度越大所 用的c p u 时间越长。 方法1 与方法3 不仅在空间复杂度存在着差异，在运算结构上也存在着差异。那么 我们就要讨论运算结构对运算时间的影响了。设计一个数组a ：的循环判断程序， 也就是i f 语句，和一个数组a 循环查找程序，也就是f i n d 语句。表2 5 分别显示i f 语句与f i n d 语句时间运算速度。 表2 5 不同语句的时间运算速度 数组维数 1 0 0 2 0 04 0 0 6 0 0 i f 0 5 2 0s 0 6 9 5s0 7 2 6s 0 9 7 2s f i n d0 5 7 6s0 7 1 7s0 9 7 5s1 2 5 2s 1 4 第2 章超声c t 成像基本原理 运算结构对运算时间的是有影响的。但是和空间复杂度对运行时间的影响， 以及时间复杂度对运行时间的影响是要小的多得。 1 5 第3 章数值模拟镕果结论 3 1 数值模拟结果 第3 章数值模拟结果及结论 在本文中采用数值模拟的方法柬检验透射成像软件的可行性。在本文中采取 郑州大学环境与水利学院的王运生教授丌发的w y s 2 0 0 0 透射成像软件作为参考标 准，进行参考比较。表31 中w q 代表本人开发的透射成像软件，w y s 2 0 0 0 代表壬运 生教授的透射成像软件。 表31 两种成像软件的比较参致 平均相对 成像软件接收点( 个)发射点( 个)纵向格数横向格数 误差( ) l 图3l帕1 6 图32 1 64 0o1 图31 与图32 时在同样的参数设置下，有两种不同的软件得到的成像图像， 两者除了所表示的颜色不一致外，所存在的缺陷的形状，大小位置都只一致的。 而v l y s 2 0 0 0 透射成像软件是已经成型的，可应用的软件。这就初步说明新开发的 软件在成像质量上已经达到了应用标准。 0 ，口w h n j 圈31 本文图像 2 6 0 o 2 d 第3 章数值模拟结皋及结论 3 2 发射点数、接收点数对成像质量的影响 表3 2 图33 与图34 成像的各个参数 。个i 收点l 。个；射点i 纵向格数 鼬格数b 。i 船 图。 1 61 6 圈34 3 2 。1 表3 2 中列出了图3 3 与国34 的各个参数。比较两图可以看出，当变横向 格数发、平均误差等相同的时候，仅改射点数、接受点数不同时。就纵向格数多 的就可以看到更多的细节。所以说明纵向网格化分的多少，影响成像质量。 图33 发射点数为1 6 所成的成像 图34 发射点数为3 2 所成的成像 - 。l_卧 第3 章数值模拟结果结论 3 3 横向格数对成像质量的影响 表3 3 图35 与图36 的各个参数表 接收点发射点 纵向格数横向格数 平均相对 ( 个， ( 个)谩差( ) 图”3 2 目3 63 23 2 巨35 横向捂数为2 0 时所成的像 圈36 横向格数为4 0 时所成的像 。 ； 。 l二川u酬i二川u幽 * 3 章数值罐拟结果结论 表34 图3 ，7 与图38 的各个参数表： 接1 1 5 点发射点 纵向格数横向格数 平均相对 ( 个)( 个)隈差( ) 图37 3 2 图38 1 6 1 62 0 o 一、，s ) 囤37 横向格数为1 0 时所成的像 图38 横向格数为2 0 时所成的像 1 第3 章数值模拟结果及结论 比较图3 5 与图3 6 和比较图3 7 与图3 8 可以看出，横向格数数量增加对 成像质量有影响。但横向格数数量增减对于成像质量的影响相比，发射点和接收 点数量的改变效果更为显著。 3 4 最佳路径法成像与直路径法成像之问的差异 我们知道在实际的应用中往往需要的是快速的，精确度不太高，时时的检测 成像系统。我们也知道直路径法是一种较为快速、精确度较低成像算法。是否能 用直路径算法来代替最佳路径算法呢? 在什么情况下可以用直路径来来代替最 佳路径算法呢? 直路径是在我们不知道物体内部速度分布的情况下，对射线所 走的距离的假设，然而它并不是实际上声波所走过的距离是存在误差的。她和最 佳路径算法之间的差异到底有多少呢? 比较两者之间的路程误差d 的大小。设d l 为直路径从声波发射点走到接受 点的距离，d z 为最佳路径从声波发射点走到接受点的距离。误差a d 。= ( d l - d z ) d z 。a d 为所有误差中的最大误差。表1 是在相对误差都为o 1 ，网格划分不同 的情况下，得最大误差的情况。 表3 5 路程误差d 矩阵尺寸 1 6 1 01 6 2 03 2 1 03 2 2 0 最大误差 d ( ) 9 2 3 3 8 1 3 5 3 3 4 9 结论：1 表中的最大误差不大于1 0 。直路径与最佳路径法之间并不存在十 分巨大的差异。 2 比较矩阵尺寸1 6 x1 0 与3 2 x2 0 的最大误差d ，两者只相差6 。可以看 出网格划分越细，最大误差越小。 3 比较矩阵尺寸3 2 x1 0 与3 2 x 2 0 的最大误差d ，两者只相差0 0 4 ，当 网格划分划分到一定程度后，在提高网格划分并不能很大程度上提高最大误差。 3 4 1 相同参数下两种成像质量的比较 图3 9 是最佳路径法算法所成的图像，图3 1 0 是直路径法所成的图像 第3 章数值模拟结果结论 表36 图39 与图31 0 的各个参数表 接收点发射点纵向格横向格 平均相 ( 个)( 个)数数对误差( ) 圈39 1 61 61 62 0 0l 图3l o 1 6l 61 62 00 1 l 侣i 圈39 直路径成像圉 图31 0 最佳路径成像剀 可以看出当所有参数一样的情况下，没有最佳路径和有最佳路径之间所成的 一 硼 一 第3 章数值模拟结果及结论 像之间会存在差别的。我们可以看出当网格化分比较小的情况下，两者的差异度 是很大的。 要去求解最佳路径，首先要求取接邻矩阵。所谓接邻矩阵是指，每个离散点 到所有离散点的距离矩阵。假设我们将一物体离散化为一个2 x 2 的方正， 那么就有9 个离散的点，也就是说要生成一个9 9 的矩阵。就可以得到矩阵w 。 其时间的复杂度是o ( n 2 ) 。n 是离散化后的点数。如我们把物体离散为3 2 2 0 点，n = 3 2 2 1 = 6 9 3 个点，就要生成一个6 9 3 6 9 3 的矩阵。其时间的复杂度是 0 ( 6 9 32 ) 。时间复杂度也是很大，计算速度不可能很快。 2 图3 1 1 接邻矩阵的示意图 在计算接邻矩阵时要注意，因为弹性波是只能向前传播的，所以到其后面的 点的距离都应是无穷。 前面我们讲过了网格划分的多少，相对误差的提高对提高成像的分辨率都是 有作用的。那么我们可不可以改变它们，来用直路径代替最佳路径呢? 3 4 2 提高相对误差 图3 1 2 和图3 1 4 是直路径法所成的图像，图2 是最佳路径法算法所成的图 像。 表3 7 图3 1 2 、图3 1 3 与图3 1 4 的各个参数 接收点发射点纵向格横向格平均相 ( 个)( 个) 数 数对误差 图3 1 2 1 61 61 61 00 1 图3 1 3 1 61 61 61 00 1 图3 1 4 1 61 61 61 0o 0 1 第3 章数值模拟结果爱结论 图31 2 发射点数为1 0 、相对误差为01 的直路径所成的像 图31 3 发射点数为1 0 、相对误差为01 的晟住路径所成的像 铺3 章数自拟结 结论 幽31 4 发射点数为1 0 、相对误差为00 1 的直路径所成的像 虽然图31 4 在图31 2 的基础上提高了相对误差，但是图31 2 和图31 3 还是可以看出有很大的差别的。在比较图31 3 与图3 】4 可看出虽然图3 1 3 与 图3 1 4 是存在着差异，但是和图31 2 相比，它们之间的差异度要有所减小。所 以提高相对误差的做法是可以减小直路径与最佳路径法之删的误差的。我们将同 种速度范闱的数都规定为一个数，比如说速度范围在2 0 0 0 1 2 5 0 0 m s 的规定为i ； 速度范围在2 5 0 0 1 3 0 0 0 s 的规定为2 等等。就可以比较它们图形之间差异度， 图31 3 与图31 4 之间的图形之h j 差异度d ( 5 的。 343 同时提高相对误差和同格划分度 图3i 6 和图31 7 足直路径法所成的图像，图2 是最佳路径法算法所成的图像 表38 图31 5 、图31 6 与图31 7 的各个参数袤： 接收点发射点纵向格横向格平均相 ( 个) ( 个)数 数对误差 圈31 5 0l 图31 6 3 2 0l 圈31 700 l 第3 章数值掇拟结果结论 00 嘲 7 8o h o m l o s h 1 图31 5 发射点数为2 0 、相对误差为01 的直路径所成的像 00 0 9 9 8 3 3 4 0 73 2 讳4 7 m 1 7 s 眺l 图31 6 发射点数为1 0 、相对误差为01 的最佳路径所成的像 l 第3 章蟊值模拟镕粜结论 0 0 0 s 7 4 9 7 4 5 00 h o o n 2 1 s k m b ) 图31 7 发射点数为2 0 、相对误差为00 1 的直路径所成的像 比较图i 与图2 之日j 所作路径的误差是c t 5 但在与相同平均相对误差时 在成像的图形上还是有很大的差别的。而图2 与图3 在图形上就投有很大的差别 了。比较图形误差，图2 与图3 的图形误差口 5 。图3 仅仅提高了相对误差 度。 与网格划分为1 6 i 0 ，其它成像条件相同，虽然图形误差都是口 5 的，然 而由于网格划分越细，每个格的面积越下小。所以在下同的条件下，网格划分越 细差异越小。 在成像要求不严格，成像数据足够多的情况下，可以用提高了相对误差度的 办法，用直路径代替最佳路径束缩短计算时间，从而大大提高成像的速度。为时 时检测成像提供可能性。 3 5 本章结论 1 本课题是研制开发透射成像软件，在参数完全一致的情况下，通过比较 上面两种不同成像软件得到的图像我们可以发现图像完全一样。斟为w y s 2 0 0 0 的成像效果已经在实际应用中得到检验，所以这就说明新开发的透射成豫软件也 能够达到实际应用的标准。 几hu_ 第3 章数值模拟结果及结论 2 增加发射点和接收点的个数对于成像质量的提高影响比较大。当发射点 和接收点比较少的时候，面积比较小的奇异点( 与周围部分的声速差别很大，即 颜色不同) 往往就显示不出来。这就表明想要提高检测精度，就一定要有足够多 的发射点和接收点。 3 与横向格数数量增减对于成像质量的影响相比，发射点和接收点数量的改 变效果更为显著。 4 在成像要求不严格，成像数据足够多的情况下，可以用提高了相对误差 度的办法，用直路径代替最佳路径来缩短计算时间，从而大大提高成像的速度。 为实时检测成像提供可能性。 2 8 第4 章数值模拟结果及结论 4 1 概述 第4 章混凝土超声透射成像 与传统的采用单片机形式的检测仪器不同，本文中研制的透射成像仪是以采 取的是以可编程逻辑器件为核心的电路元件，和采用v h d l 语言为主要编程语言的 设计。 1 单片机元器件中包含了c p u 、内存、计数器等组成，而可编程逻辑控制器 只有一块芯片而已。单片机时采取汇编语言进行编程的，可编程逻辑控制器采用 的是v h d l 语言。 2 可编程逻辑控制器价钱更加便宜、体积更小。 3 可编程逻辑控制器与单片机相比功能往往比较简单，常需要外部p c 机的配 厶 口o 4 v h d l 语言是以时序为基础的硬件描述语言。运行速度更快。 4 1 1 单片机 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能 集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：c p u 、 内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、 定时器，实时时钟等外围设备。单片机所采用的语言就是汇编语言陋】。 图4 i 单片机结构框图 与我们平时所用p c 机相比，它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用 第4 章数值模拟结果及结论 和开发提供了便利条件等优点。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很 难找到哪个领域没有单片机的踪迹。 计算机能执行的语言，有很多种，但从语言结构及其与计算机的关系来看可 以分为三大类型。 1 机器语言 机器语言是直接用二进制代码指令表达的计算机语言，指令是用0 和1 组成的一串代码，是计算机硬件唯一可以直接识别和执行的语言。其特点 是：1 运行速度快。2 与仪器设计相关。3 难阅读，难修改。 2 汇编语言 汇编语言( a s s e m b l yl a n g u a g e ) 是面向机器的程序设计语言。汇编语言是一 种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬 件的语言。汇编语言作为一门语言，对应于高级语言的编译器，需要一个。汇 编器”来把汇编语言原文件汇编成机器可执行的代码。 i 。瀑程卜 汇编程序 一l 。燃袅鼢 ( 完成源程序翻译成目的 l( 汇编语言程i 程序的工作) 图4 2 汇编语言编译图 汇编语言的特点：1 面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系 列计算机专门设计的。2 保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。 3 可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、c p u 、t l o 端口等。4 目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。 5 经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。 3 高级语言 高级语言：由于汇编语言依赖于硬件体系，且助记符量大难记，于是人 们又发明了更加易用的所谓高级语言。在这种语言下，其语法和结构更类 似普通英文，且由于远离对硬件的直接操作。如c + + 、b a s i c 、f