[科普中國]-二維成像

二維成像檢測1.超聲波斷層成像檢測

超聲斷層成像檢測技術(shù)用來檢測樹木內(nèi)部腐朽超聲斷層成像是從不同方向收集數(shù)據(jù)得到樹木橫截面圖像，而且可應(yīng)用不同類型的超聲波，但最常用的是縱波，超聲圖像可以根據(jù)波的參數(shù)特性來重新塑造，如傳播時間、振幅、波形頻譜和周期等; 同時，能量分配和能量流動對于提高圖像的對比是非常重要的參數(shù)(Bethge et al.，1996)。Bauer 等(1991)應(yīng)用超聲斷層成像法對立木的早期腐朽進行了檢測，通過超聲再現(xiàn)圖像和照片圖像的對比，得到了較一致的結(jié)果，圖像的清晰度在4 ～5 cm 之間，表明該方法能有效地檢測出立木的腐朽。對存在有危險的市區(qū)的道邊樹木進行了二維超聲斷層掃描，取得了良好的效果。應(yīng)用超聲斷層成像法與阻抗測定儀獲得的圖像和數(shù)據(jù)相比較得出，他們的檢測結(jié)果之間存在一致性(Comino et al.，2000 )。在檢測時，傳感器圍繞固定在選定進行斷層掃描的樹干橫截面上，樹干截面周長上布置16 個等距離的檢測點。每一次測量，通過改變發(fā)射傳感器和接受傳感器的相互位置，這樣就可以得到120 個獨立的測量值。測量樹木橫斷面的波速在1 000 ～1 800 m·s 之間，具有腐朽區(qū)域聲波傳播速度要比沒有腐朽的區(qū)域低，這是由于受到真菌的侵害而造成的樹干組織結(jié)構(gòu)的密度降低(Socco et al.，2002 )。另外，把超聲斷層成技術(shù)應(yīng)用于檢測立木由于受到白腐的侵蝕而引起的木材降等，而且樹木橫斷面二維圖像可以通過軟件來塑造，這可以用來評價從地面起不同樹高橫截面超聲波的傳播速度，受到侵蝕的木材超聲波傳播速度降低(Bucur，2004 )。事實上、關(guān)于超聲斷層掃描術(shù)檢測樹木存在一些問題，主要是如何有效地連接傳感器到樹皮上、木材的各向異性和信號的發(fā)散等，這就便使波傳播時間的檢測精確度下降。即便存在誤差，但這是應(yīng)用聲波無損檢測立木最好的解決方法(Nicolotti et al.，2003)。

超聲波檢測儀：目前 常 見 的 超 聲 波 測 定 儀 有 瑞 士 生 產(chǎn) 的 SYLVATEST 和PUNDIT (ponable ultrasonic non-destructive digital indicating tester )以及Arborsonic Decay Detector，都可以對木材內(nèi)部腐朽進行檢測，也可以對立木材質(zhì)進行評價。其中，SYLVATEST 能夠檢測超聲波在木材中的傳播和能量，而且體積較小，便于野外使用;PUNDIT 檢測儀是一種超聲脈沖速度測量儀，該儀器已經(jīng)被廣泛的使用者所接受，它可以用來檢測樹木的腐朽、裂紋、空洞以及測量表層厚度和彈性模量;Arborsonic 腐朽檢測儀最初在日本設(shè)計并用來檢測木制電桿，后來英國的研究人員經(jīng)過改進，用它來檢測和評價立木和伐倒木內(nèi)部腐朽或缺陷，該檢測儀對早期腐朽的類型是比較敏感的。利用Arborsonic 腐朽檢測儀進行檢測時，為使樹木的木質(zhì)部接觸，大多數(shù)樹種的樹皮外層需要剝?nèi)ィ梢钥闯鲈摍z測方法有一定的要求，但Arborsonic 腐朽檢測儀是非入侵式，目前依然在大量地使用。

超聲波檢測技術(shù)易受外界的干擾，如何將傳感器與被測材料更好地耦合是常見問題，將是提高超聲斷層成像檢測對立木的關(guān)鍵技術(shù)。

2.應(yīng)力波斷層掃描檢測應(yīng)力波斷層掃描檢測原理及方法與應(yīng)用現(xiàn)狀應(yīng)力波層析成像是近年來發(fā)展起來的一個比較新的成像方法，屬于以射線理論為基礎(chǔ)的波速走時成像。由于介質(zhì)的基本物理性質(zhì)不同，應(yīng)力波在其中的傳播速度、吸收系數(shù)等參數(shù)也不相同。應(yīng)用這個基本原理，可以作為分析或測定介質(zhì)的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的依據(jù)(王學(xué)勝，2005 )。與傳統(tǒng)的應(yīng)力波檢測方法相比，應(yīng)力波斷層掃描檢測方法為克服與路徑相關(guān)的檢測問題，采用多個傳感器，依據(jù)各傳感器之間應(yīng)力波傳播速度的相對值來進行測量，并把這種差異性以圖像的形式表現(xiàn)出來。從開始到結(jié)束的連續(xù)4 ～32 個傳感器圍繞樹干進行布置，可以快速地測量大量數(shù)據(jù)。通過一個小錘敲擊每一個傳感器來產(chǎn)生應(yīng)力波，當(dāng)敲擊其中一個傳感器時，其他的傳感器同時測量傳播時間。測量過程由手掌大小的計算機控制，整個檢測裝置可以放進一個箱子里，這對野外檢測立木的攜帶非常方便。

采用4 ～8 個傳感器檢測立木內(nèi)部缺陷，能夠檢測出最小缺陷的面積隨傳感器的增多而變小; 并且，如果缺陷是圓形的，能被檢測缺陷的最小面積能夠計算出來(Devos et al.，2002 )。將應(yīng)力波法與聲學(xué)斷層成像技術(shù)相結(jié)合對樹木內(nèi)部缺陷檢測做了可行性研究，結(jié)果表明選擇合適的傳感器數(shù)量和布置方式可以獲取樹木內(nèi)部缺陷基本的截面形狀;同時測定圍繞立木四周多個傳感器間的傳播時間，并形成應(yīng)力波斷層掃描圖像，結(jié)果表明:8 個傳感器的二維應(yīng)力波儀器能夠基本檢測原木或立木的早期腐朽(Ferenc，2000)。然而，為了更好地確定樹木內(nèi)部的早期腐朽，檢測系統(tǒng)需要有更多的傳感器，這樣才能得到高分辨率的二維木材橫截面圖(Krajewski et al.，2004)。采用此法進行立木腐朽檢測，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波斷層成像技術(shù)能夠很好地反映木材內(nèi)部腐朽情況，通過圖像能觀測到腐朽發(fā)生的部位、面積和大小利用應(yīng)力波法對原木內(nèi)部腐朽檢測的相關(guān)內(nèi)容進行研究，結(jié)果表明應(yīng)力波測試儀能準(zhǔn)確判斷不同樹種原木內(nèi)部的嚴(yán)重腐朽，并且能夠得到原木內(nèi)部腐朽基本形狀的二維圖像(楊學(xué)春等，2005 )。

在國內(nèi)首次對應(yīng)力波木材橫斷面二維圖像重建機制進行了探索，并提出了應(yīng)用直射線追蹤和代數(shù)重建法可以基本實現(xiàn)對原木內(nèi)部空洞缺陷二維圖像的重建;設(shè)計并編制了原木內(nèi)部缺陷二維圖像成像的計算機軟件，加快進行大量數(shù)據(jù)反演的速度和精度，通過原木空洞缺陷檢測試驗，驗證了提出的理論和技術(shù)的可行性和實用性(閆在興，2006 )。對東北林區(qū)3 個針葉樹種和9 個闊葉樹種的原木內(nèi)部腐朽應(yīng)用Arbotom 應(yīng)力波檢測系統(tǒng)進行檢測，并對原木內(nèi)部腐朽面積的實際估算值和檢測估算值進行比較分析，結(jié)果表明:Arbotom 應(yīng)力波無損檢測系統(tǒng)可以獲取原木內(nèi)部腐朽的二維圖像，但檢測準(zhǔn)確率較低，建議采用多點測量和改進應(yīng)力波測試儀器，以提高檢測準(zhǔn)確率(楊學(xué)春等，2007 )。對取自黑龍江省帶嶺林區(qū)4 個主要樹種的10 個含有2 種缺陷的原木樣本進行測試和分析，結(jié)果表明:當(dāng)原木直徑在20 ～40cm 范圍內(nèi)時，若需對原木缺陷進行精確測量，要求圖像擬合度接近90% 和誤差率在0. 1 左右時，至少需12 個傳感器才能滿足要求;當(dāng)不需要對原木缺陷進行精確測量，只需確定缺陷的大致位置時，宜選用10 個傳感器進行測量;當(dāng)僅僅需要判斷原木是否存在缺陷時，選用6 個傳感器就能滿足要求(王立海等，2008)。使用彈性波層析成像技術(shù)對美國林務(wù)局納西比特營地脂松活立木進行檢測，結(jié)果表明: 彈性波層析成像技術(shù)能夠模擬出不規(guī)則樹干形狀并以二維圖像方式直觀地顯示立木腐朽部位、程度、大小及形狀等情況，基于此方法發(fā)展的設(shè)備，具有檢測方便、有效、實用性強等特點 ( 梁善慶等， 2008a)。

應(yīng)力波檢測儀：應(yīng)力波測定儀品牌很多，如德國FrankRinn 和ML 公 司 生 產(chǎn) 的 電 子 錘(electronic hammer )和ARBOTOM，美 國 生 產(chǎn) 的JAMES-V，匈 牙 利 的Fakopp，德國的Picussonic Tomograph 等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品基本都是以測定應(yīng)力波傳播時間的儀器。應(yīng)力波時間儀電子錘和匈牙利產(chǎn)的Fakopp 測定儀可用于木 材 和 樹 木 的 檢 測;而 德 國 產(chǎn) 的Picussonio Tomograph 和ARBOTOM 是具有多通道的應(yīng)力波測定儀(如前者具有13 個通道)。其中，Picussoni Tomograph 是一種用來評價樹木腐朽的非入侵式檢測工具，它的工作原理是: 應(yīng)力波在帶有腐朽的木材中傳播比在健康的木材中時間要長。通過測定圍繞在樹干上的一系列檢測點發(fā)射信號到相應(yīng)的點接受信號所需的時間，這樣應(yīng)力的相對速度就能計算出來，通過樹木橫截面的二維圖像就能產(chǎn)生，可以通過圖像的顏色判別樹木內(nèi)部是否存在腐朽。ARBOTOM 是一種新的脈沖斷層掃描，通過脈沖測量對樹木或原木內(nèi)部狀態(tài)進行可視化，可以獲得樹木橫切面內(nèi)部的二維或三維圖像。，從圖像中很容易發(fā)現(xiàn)木材內(nèi)部健康與腐朽情況以及腐朽的程度，因而在古樹名木的健康監(jiān)測中應(yīng)用廣泛。

應(yīng)力波斷層成像技術(shù)能夠很好地反應(yīng)木材內(nèi)部腐朽情況，通過圖像能觀測到腐朽存在的部位、面積和大小。其缺點是:容易把細(xì)小開裂指示為小面積腐朽; 嚴(yán)重腐朽和空洞的顏色區(qū)別不大，還需要借助其他檢測方法來進一步確認(rèn)。對于野外研究，應(yīng)進一步提高該檢測法的系統(tǒng)和程序。這項研究對于野外的森林學(xué)者和管理人員在應(yīng)用無損檢測技術(shù)評價立木健康條件是非常有利的，同時對于經(jīng)濟節(jié)約有很重要的意義。

3.電阻斷層成像檢測法電阻斷層檢測原理及應(yīng)用：電阻斷層成像是一種非破損方法，可以得到一個樹干的電阻圖。真菌引起的木材腐朽能夠改變木材的電特性，因為它改變了木材的水分和密度。早在1987 年，就論證了由于樹木腐朽的地方真菌增加，同時流動的水分也增加，這些都導(dǎo)致了電阻率的增加，這個研究為電阻率檢測法奠定了理論基礎(chǔ)(Shortle et al.，1987)。電阻成像檢測法就是根據(jù)木材腐朽阻抗的不同檢測木材內(nèi)部腐朽的。由于對應(yīng)于某種腐朽的阻抗的變化在一個很大的范圍，所以斷層掃描的過程變得非常復(fù)雜。

現(xiàn)在已經(jīng)有研究者(Weihs et al.，1999 )對電阻斷層掃描進行了應(yīng)用，阻抗斷層成像是一種非破損方法，可以得到一個樹干的電阻圖，這種檢測法可以在實驗室和野外同時使用。Bertallot 等(2000 )對檢測的每一個樹木橫截面運用16 個等距離的電極來進行檢測，然后在數(shù)學(xué)軟件Matlab 中使用“牛頓算法”來進行數(shù)據(jù)處理，最后可以得到二維的樹干截面電阻抗圖，可以判別樹木內(nèi)部是否存在腐朽。用相對阻抗的原位檢測法檢測立木的內(nèi)部缺陷，用樹干的有效電阻率檢測通有低頻交流電信號的樹干區(qū)域，發(fā)現(xiàn)有腐朽的一組樹顯示的有效電阻率比健康樹木的高，通過大量的試驗表明這種方法檢測較大腐朽有很高的準(zhǔn)確度(Bertil et al.，2004)。

電阻測定儀：現(xiàn)在有許多電阻測定儀如Shigometer，PiCUS Treetronic 和Conditionmete 電阻儀都可以用來檢測樹木的 電 阻。其 中Shigometer 電 阻 儀 是 一 種 由Shigo(1974)研制并以其名字命名的儀器，并且測量精度比較高。它由2 根固定距離的電極和1 個安培計組成，將電極插入樹木組織結(jié)構(gòu)便能很快讀出其電阻率，能反映出樹木生長狀況和力情況，這種 Shigometer 電阻儀的電極，插入一個非常狹小的孔進入樹干，這個孔是非常小的，減少了對樹木的損傷程度，Shigometer 電阻儀作為一種樹木早期腐朽檢測方法是可選擇的。

PiCUS Treetronic 電阻儀通過檢測樹木區(qū)域的電流或電阻計算并繪制相應(yīng)的相對電阻圖，根據(jù)不同材質(zhì)對應(yīng)不同的電阻值，確定木材缺陷情況。由于電阻成像檢測法是根據(jù)木材腐朽阻抗的不同檢測木材內(nèi)部腐朽的，而對應(yīng)于某種腐朽的阻抗的變化在一個很大的范圍，所以斷層掃描的過程變得非常復(fù)雜。在現(xiàn)實使用和對圖像的解釋存在一定的困難。

4.地探雷達檢測地探雷達檢測原理及應(yīng)用：地質(zhì)雷達檢測是根據(jù)射頻脈沖的傳播、反射和衍射，它對于木材的電導(dǎo)率和電容率是非常靈敏的。對于檢測物質(zhì)和初步的調(diào)查，雷達波的頻率采用1000 ～1 500 MHz。通常地面穿透性雷達測量使用小型偶極天線單反射波形來完成的，對于木材腐朽檢測，使用的單天線為1 500 MHz，這種檢測技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于原木和樹木的缺陷檢測(Miller et al.，1989)。Mucciardi 等(2002 )研究表明:由于信號會受到樹木的密度、濕度等因素的影響，在對圖像的解釋方面有一定的困難。

樹木雷達裝置：樹木雷達裝置圖像系統(tǒng)可以產(chǎn)生高分辨率和非入侵式的樹干內(nèi)部結(jié)構(gòu)和根部結(jié)構(gòu)圖像，這種圖像填補了定量分析樹木健康和樹木結(jié)構(gòu)完整性的空白。樹木雷達裝置系統(tǒng)顯示樹木和根部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖像是一種新的和獨創(chuàng)的應(yīng)用地面滲透雷達(GPR )技術(shù)。這種創(chuàng)新檢測系統(tǒng)提供樹干覆蓋范圍的 100% 數(shù)據(jù)圖像，顯示360°的立體木材結(jié)構(gòu)圖。TRUSystem 裝置是由TreeRadar 公司生產(chǎn)的，此樹木雷達圖像可以提供由于受到腐朽引起的木材結(jié)構(gòu)完整性受損的樹干腐朽內(nèi)部信息和確定危險樹木，它可以顯示樹干內(nèi)部缺陷和腐朽程度，甚至是很難檢測的早期階段; 同時，可以看清地表以下樹根結(jié)構(gòu)的深度、形狀和大小的樹根結(jié)構(gòu)圖，而且該檢測是快速、便攜式及無損檢測。樹木雷達裝置由便攜式的電池電源采集系統(tǒng)和特殊的雷達天線組成，該檢測系統(tǒng)關(guān)鍵的功能是它自帶的軟件模塊TreeWin，這個后處理數(shù)據(jù)分析包以數(shù)字波形的方式讀出現(xiàn)場測量值，并能將數(shù)據(jù)變成樹干內(nèi)部的截面圖，綠線代表樹皮的位置，紅線表示樹木內(nèi)缺陷的大小。

5.紅外檢測紅外成像檢測原理及應(yīng)用：紅外成像檢測法是一種應(yīng)用紅外放射來測量物體的散熱量的成像技術(shù)，用木材中的極性基團或木材中的水分子對紅外光能量的吸收強弱來判斷該物質(zhì)的數(shù)量多少或疏密。反常的木材組織結(jié)構(gòu)，如空洞、腐朽和節(jié)子等就會有所不同，根據(jù)帶有這些缺陷的樹木與健康樹木之間不同導(dǎo)熱率來判別木材內(nèi)部是否存在缺陷(Alessandra，2003 )。對紅外影響木材的密度、節(jié)子、腐朽和空洞因素的研究，提出用紅外成像技術(shù)檢測木材缺陷是一種切實可行的方法(Toshinari，2000)。紅外成像技術(shù)被認(rèn)為是一種快速、安全、易掌握的技術(shù)方法，能夠提供樹木內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。應(yīng)用熱紅外成像技術(shù)可以分析和診斷木材的早期腐朽，這也是近年來的一種新型無損檢測木材缺陷的方法(Alessandra，2003)。

紅外成像檢測儀：紅外成像檢測儀的基本裝置是在不同的波長 (2 ～5. 6 μm 之間)有一個工作的掃描儀，并連接一個監(jiān)視器或能夠記錄磁盤的帶有液氮的電視攝像機。溫度分發(fā)的不同在黑色和白色是可見的，隨后被標(biāo)上不同的色調(diào)。電視攝像機的靈敏度大約是0.1 (在0 和35 之間)。在20 ～25 m 的距離可以進行操作，因此，它可以測量高大的樹木。但它在造林中的應(yīng)用存在一些困難，因為木材熱量的性質(zhì)受到許多因素的影響，一些內(nèi)在的因素如年輪生長幅度、密度和各向異性，其他的外部因素如溫度、濕度和光。在檢測時，每一次測量都要與周圍的溫度進行比較，并隨時都要用環(huán)境熱梯度來進行校準(zhǔn)。

所以，這種儀器最好在夜間使用，當(dāng)在沒有陽光和樹根表面濕度時進行檢測效果比較好。熱紅外成像法的優(yōu)點是快速和無損分析。由于這種儀器的價格較高和對檢測的結(jié)果很難解釋，使得它的應(yīng)用受阻。

6.射線檢測射線檢測原理：射線檢測基本原理是: 當(dāng)射線透射木材及木質(zhì)復(fù)合材料時要被吸收一部分，其強度被衰減，用射線接收傳感器直接測量窄小范圍內(nèi)透過試樣前后射線強度的變化，根據(jù)射線衰減率以及試樣的平均吸收系數(shù)分析木材及木質(zhì)復(fù)合材料的密度、含水率變化以及缺陷等。X 射線(或γ射線)技術(shù)是最開始應(yīng)用無損檢測方法檢測木質(zhì)材料內(nèi)部信息的方法之一，也可以用來測量木材微密度。X 射線計算機斷層掃描可提供三維的關(guān)于被測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。斷層掃描或切割圖像能夠顯示被測物體主要坐標(biāo)軸垂直的幾個圖像，斷層掃描可以通過顏色和灰度作為代號。

射線檢測方法的應(yīng)用：用計算機斷層射線掃描成像技術(shù)(CT)研究原木內(nèi)部缺陷已經(jīng)歷了約30 年，此項技術(shù)被認(rèn)為是檢測木材內(nèi)部缺陷最有前景的技術(shù)之一 ( 梁善慶等， 2008b)。X 射線和中子放射性成像和計算機斷層掃描(CT)己經(jīng)廣泛應(yīng)用到原木和樹木的內(nèi)部性質(zhì)圖像檢測。在20 世紀(jì)中期曾有學(xué)者利用γ放射來檢測立木的腐朽的放射性元素，但γ 射線儀被證明太笨重不適合用來野外作業(yè)，在20 世紀(jì)80 年代用X 射線電視系統(tǒng)對木材腐朽進行檢測，并使用了便攜式X 射線斷層掃描儀來檢測樹木的空洞。應(yīng)用X 射線計算機斷層掃描和核磁共振技術(shù)，檢測了用于造材原木，取得較好的成果，大大提高了木材的利用率(Temnerud et al.，1998;Guddanti et al.，1998 )。應(yīng)用X 射線計算機斷層掃描技術(shù)檢測蘇格蘭松(Pinus sylvestris)樹木的內(nèi)部腐朽，對檢測結(jié)果做了一定研究，取得良好的效果(Rust，1999 )。Habemehl(1982)提出2 種類型的便攜式設(shè)備對樹木進行檢測: 一種是平行放射系統(tǒng)，另一種是扇形放射系統(tǒng)。放射源是采用銫137，放射出的γ射線一個量子的能量是662 keV。試驗結(jié)果表明，樹干空洞和腐朽的大小和位置能夠被觀測出來。

通過計算機斷層掃描技術(shù)來檢測樹木 ( 或原木) 不是一個新的概念，Habermehl(1982 )就已經(jīng)使用。但這種技術(shù)沒有廣泛的應(yīng)用，需要解決X 射線或γ 射線需要必要的保護設(shè)施和射線源的控制、相對高的成本等。對于立木檢測，移動設(shè)備是必須的。在德國的飛利浦大學(xué)發(fā)展了一種可移動的CT 掃描，盡管這種檢測技術(shù)很好，得到的結(jié)果也很好，基本上處于實驗室研究階段，特別是對野外木材缺陷如立木腐朽的檢測仍需進一步研究。過去10 年進行的大量CT 技術(shù)檢測木材內(nèi)部缺陷研究，取得了較為滿意的結(jié)果;然而CT 技術(shù)在木材領(lǐng)域廣泛普及，尚有技術(shù)和經(jīng)濟問題有待解決。1

二維成像系統(tǒng)設(shè)計超聲聲波在介質(zhì)中的傳播是一個比較復(fù)雜的過程，傳統(tǒng)研究方法大多基于簡單的介質(zhì)參數(shù)、采用波動方程計算并仿真出聲波傳播規(guī)律，為工程應(yīng)用提供理論支撐和先驗?zāi)Ｐ?。而對于復(fù)雜的聲波介質(zhì)，如組成成分復(fù)雜的介質(zhì)、多孔介質(zhì)等，難以通過數(shù)學(xué)表達式準(zhǔn)確地將聲波的傳輸特征表達出來，故難以得到供工程應(yīng)用的直觀的先驗?zāi)Ｐ?。因此設(shè)計了實時聲波二維成像系統(tǒng)，通過在待測介質(zhì)中激發(fā)出超聲波體波，采用掃描的方法獲得體波在介質(zhì)中傳播的動態(tài)。該系統(tǒng)可為復(fù)雜介質(zhì)中聲波的傳播規(guī)律和特點提供直觀的先驗?zāi)Ｐ汀?/p>

檢測原理超聲波激勵 ，灰黑色薄板為待測物體切片，白色部分為超聲波發(fā)射換能器。當(dāng)薄板厚度和換能器長度尺寸 H 可比擬的時候，能在薄板中較好的激勵出超聲波，用涂有耦合劑的接收換能器在物體表面檢測 就能可視化地檢測到體波在物體內(nèi)部的傳播規(guī)律。被測薄板俯視圖，圖中 T 為超聲波發(fā)射2a換能器，物體表面上的黑點代表超聲波接收換能器測量的位置，在該平面上有這樣的檢測點xmax×ymax個。采用右側(cè)脈沖波形激勵超聲換能器 ，使之發(fā)射超聲波。聲波在薄板中傳播，到達接收T換能器所在的位置A，可觀察到A 點的時間－聲壓波形。規(guī)定激勵脈沖下降沿時刻為t0，每隔單位時間t后有t1～tn時刻。就任意點A而言，在每一單位時刻具有瞬態(tài)能量f（t）?，F(xiàn)在考慮t1時刻薄板上的任意一點A（x，），在該點存在瞬時能量 （x，，t），y f y 1，按照成像原理，可認(rèn)為薄板上有xmax×ymax個像素點，將各點瞬時能量作為灰度值，可繪制出t1時刻瞬時超聲波形圖。同理，可以得到t2～tn時刻的瞬時波形圖，若連續(xù)觀察各連續(xù)時刻的瞬時波形圖，則將得到聲波在被測物體中的實時傳播波過程。

在系統(tǒng)上電完成后，上位機選定并打開一個串口，作為和下位機通信的鏈路。上位機通過發(fā)送控制方向幀（CMD_DIR）和設(shè)置初始位置幀（CMD_LSTR）控制接收換能器移動，以確定圖2中的像素坐標(biāo)原點（0，0），并以同樣方法設(shè)置像素坐標(biāo)終點（x， ）。之后，上位機通過自動運max ymax行幀（CMD_AUTO），讓下位機進入自動采集狀態(tài)。下位機在自動運行狀態(tài)下，不斷返回當(dāng)前位置（x，）y以及該位置的采樣值序列 （x，，t）～（x，，t）。f y 0 f y n最終，計算機根據(jù)采樣值繪制出各時刻的波形圖。

系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)框圖：基于上文中提出的檢測原理，綜合應(yīng)用機械、電子和計算機接口等相關(guān)技術(shù)，設(shè)計了圖3所示的檢測系統(tǒng)。其中，計算機端的上位機軟件，通過 RS232串口向微控制器發(fā)布一系列控制命令，實現(xiàn)了由雙軸絲桿滑臺帶動超聲波接收換能器精確移動到各超聲成像像素點；微控制器亦能控制超聲發(fā)射和采集電路，將各像素點的聲波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，傳輸給上位機；上位機最終根據(jù)各像素點的采樣值輸出成像。

系統(tǒng)主要部分設(shè)計

超聲波 射和接收 路：針對不同厚度的待測薄板，需要尺寸上與之匹配的換能器，才能得到較好的效果。而換能器的尺寸和工作頻率之間又存在一定的關(guān)系，因此所設(shè)計的超聲波收發(fā)電路，應(yīng)具有一定的工作帶寬。是超聲波發(fā) 射 電 路，選 用 了 驅(qū) 動 容 性 負(fù) 載 性 能 較 好 的TPS2811作為超聲波發(fā)射換能器驅(qū)動器，該驅(qū)動器的圖騰式輸出達2A，最高工作頻率可達到10MHz（方波），能勝任本系統(tǒng)的要求。

上下位機通信接口：綜合考慮該裝置數(shù)據(jù)量、系統(tǒng)任務(wù)量后，下位機的控制核心選用了 ATMEL公司的 ATmega16單片機。它和上位機軟件之間的字節(jié)流由 RS232保證。為了進一步保證通信質(zhì)量，實驗中自定義了如表1所示的通信協(xié)議幀格式。其中命令字段和數(shù)據(jù)字段包含了諸如移動坐標(biāo)、產(chǎn)生超聲波激勵信號、回饋采樣值等信息。命令字定義了圖4中的7種幀，每種幀格式中包含了與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)位長和數(shù)據(jù)位內(nèi)容，校驗位字節(jié)用以對數(shù)據(jù)幀檢錯。對協(xié)議幀的解析通過狀態(tài)機來實現(xiàn)。默認(rèn)處于IDLE狀態(tài)，僅 當(dāng) 獲 取 了 2 個 正 確 的 引 導(dǎo) 碼 后 才 能 進 入STATE2狀態(tài)，并根據(jù)命令字和數(shù)據(jù)位作進一步解析，最終正確解析命令和收發(fā)數(shù)據(jù)。

雙杠滑臺：由成像原理可知，單位尺寸上像素點越多，則成像分辨率越高，因此，在設(shè)計中，采用絲杠滑臺來精確控制超聲波接收換能器的微距移動，減小像素點間距，提高分辨率。設(shè)計中的滑臺由結(jié)構(gòu)完全相同的兩組裝置組成，分別控制了接收換能器在x 軸和y 軸方向上的精確移動。每一組裝置均由一個步進電機帶動絲杠傳動工作臺移動 。系統(tǒng)中，滑臺的負(fù)載為質(zhì)地較輕的超聲波換能器，因此選用了扭矩較小的二相混合式步進電機，該電機最小步距角為，結(jié)合絲桿42BYG0231．8°的傳動比，能控制超聲波換能器沿任意軸向移動的最小步距為 。0．1mm

實驗結(jié)果和分析實驗采用厚為7mm 的有機玻璃板為檢測對象，成像區(qū)域約為 ，選用中心頻率約為20mm×20mm的壓電超聲波換能器作為超聲波發(fā)射源。200kHz上位機控制成像時間間隔t為 ，將數(shù)據(jù)保2μs存在磁盤中，通過程序與 Matlab接口，由 Matlab繪制出各時刻的檢測波形，能觀察7a到頭波波峰抵達成像區(qū)域中頭波的波谷抵達7b成像區(qū)。反映出頭波在傳播過程中7a d有明顯的衰減。因?qū)嶒炛羞x用的超聲波換能器的Q值較大，故從成像中能觀察到較多的余震。2

二維成像算法概述待處理信號在某個基或字典上可稀疏表示是CS理論應(yīng)用的前提。因此，壓縮感知理論應(yīng)用于雷達成像的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題是，對雷達回波數(shù)據(jù)的稀疏性進行分析，建立雷達回波信號稀疏化的數(shù)學(xué)模型。目前利用壓縮感知理論進行合成孔徑雷達成像算法的研究主要可以分為2類：一是通過對成像所需要的所有回波數(shù)據(jù)直接進行二維隨機采樣以實現(xiàn)降維測量，降維測量前需要獲取全部用于成像的回波數(shù)據(jù)，這樣沒有從根本上緩解系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率上的壓力；二是通過距離－方位二維解耦，在壓縮感知雷達成像過程中只對距離向數(shù)據(jù)或者方位向數(shù)據(jù)運用壓縮感知理論進行處理。

基于壓縮感知理論的SAR二維成像算法基于壓縮感知理論的方位回波壓縮方法

雷達回波數(shù)據(jù)經(jīng)距離向壓縮處理后，假設(shè)在某一距離單元內(nèi)不同方位位置強散射點的個數(shù)為N，利用稀疏重建算法求解式（10）可以得到方位向上的稀疏系數(shù)β，即實現(xiàn)了相同距離單元內(nèi)的散射點在方位向上的分離，從而實現(xiàn)SAR成像。雷達回波數(shù)據(jù)可利用壓縮感知理論先經(jīng)過距離向壓縮，再經(jīng)方位壓縮算法實現(xiàn)二維成像。實現(xiàn)壓縮感知距離壓縮算法時，輸入信號為雷達回波原始信號，輸出的SAR圖像為一維距離向圖像；實現(xiàn)壓縮感知方位壓縮算法時，輸入信號為距離壓縮后的信號，參考信號為式（5），稀疏基為式（8），輸出的SAR圖像為二維SAR圖像。

SAR二維壓縮感知成像流程

將基于壓縮感知理論的信號壓縮算法和匹配濾波法相結(jié)合，給出了基于壓縮感知理論的二維SAR成像流程?；趬嚎s感知理論的SAR成像算法既可以在距離向或方位向上單獨使用，也可以同時使用。為表述方便，在本文中定義距離向用壓縮感知技術(shù)進行壓縮、方位向匹配濾波的成像算法為RCS成像算法，距離向匹配濾波、方位向用壓縮感知技術(shù)進行壓縮的成像算法稱為 ACS成像算法，距離向和方位向上均使用壓縮感知技術(shù)進行壓縮的成像算法稱為RACS成像算法。

SAR壓縮感知成像處理結(jié)果本節(jié)利用仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)對所提出的基于壓縮感知的SAR成像算法的有效性進行驗證。在利用SAR回波數(shù)據(jù)進行成像處理過程中，我們采用托普利茲矩陣作為測量矩陣對SAR回波信號進行降維測量，利用SL0算法對目標(biāo)信息進行恢復(fù)。仿真計算時充分考慮了距離徙動校正（RangeMi－grationCorrection，RMC）對SAR成像的影響。

理想點目標(biāo)仿真

首先在觀測場景中設(shè)置了30個理想點目標(biāo)，按照表1的雷達仿真參數(shù)對回波信號進行處理。

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可以看出，RD算法距離向和方位向上均存在旁瓣，當(dāng)目標(biāo)距離過近時，不利于目標(biāo)的區(qū)分；RCS算法成像結(jié)果則有效抑制了距離向上的旁瓣，方位向上還有一定模糊；利用 RACS算法的成像，距離向和方位向上的旁瓣均得到抑制，在一定程度上提高了目標(biāo)的分辨率。

顯示了基于 RACS算法在種不同降采樣率下所得到的SAR圖像，從中也可以看到降采樣率的降低，圖像的視覺效果越來越差，也就是說重建目標(biāo)信號的信噪比越來越小。顯示了降采樣率CR=0．05時的SAR圖像，目標(biāo)幾乎不能辨認(rèn)，這是因為測繪帶寬度為300m的區(qū)域內(nèi)分布30個點目標(biāo)，而雷達距離向的分辨率是1m，這相當(dāng)于目標(biāo) 的 稀 疏 度 僅 為 10%，不 滿 足 測 量 值3