动态多线程多通道超声信号处理装置及处理方法
【专利摘要】动态多线程多通道超声信号处理装置及处理方法，属于超声波自动探伤【技术领域】。本发明所述处理装置包括控制器单元、超声收发单元和超声探头单元。该发明采用多线程的处理方式，实现了动态完成多通道超声探头的信号触发与采集、噪声抑制及缺陷分析，利用本发明装置及处理方法，对不同的处理过程和处理线程均采用独立的线程，利用多线程处理器的多线程运算优势，同时对多个超声通道的超声信号进行数据采集、处理与分析，共享处理器及内存资源，保护数据不发生冲突，采用指针形式的内存管理方式，减少内存移动数据的时间，从而改进超声信号的数据采集、处理与分析的效率，提高超声信号装置的重复发射接收频率，提高超声自动探伤装置的可靠性。
【专利说明】动态多线程多通道超声信号处理装置及处理方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超声波自动探伤【技术领域】，特别涉及一种动态多线程多通道超声信号处理装置及处理方法。
【背景技术】
[0002]超声检测在无损检测【技术领域】具有广泛的应用，随着计算机系统的高速发展及信号处理方法的不断改进，超声自动探伤系统得到了广泛的应用，超声自动探伤过程，包括:自动运行控制检测机构带动超声探头进行扫查运动、自动发射超声波、自动检测超声回波信号、并进行超声信号的滤波、分析及缺陷分析。以上超声自动探伤过程，都需要计算机系统具有较快的运行效率，以便提高扫查过程中的超声重复发射接收频率。
[0003]已有超声信号的数据处理过程，从信号的采集、信号的处理到信号的分析，采用的是顺序执行，单线程方式，需要等待所有数据处理过程完成之后才能进入下一个超声波发射，超声信号回波采集一滤波一分析的数据自动处理过程，当采样频率较高时，对于多通道数据同时处理时，就容易出现延时等待的问题，降低了数据重复采集、处理和分析的频率，特别是在超声探伤过程中，超声的发射接收重复频率是至关重要的一项指标，若超声发射接收的重复频率低，就容易导致漏探的现象出现，低效率的超声信号采集与处理装置及方法会降低探伤工作的工作效率、准确性和可靠性，对于探伤结构和零件的安全性造成一定的影响。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，针对多个超声波探伤通道，实现实时发射超声波，采集超声信号，同时处理与分析不同通道的超声信号，提高超声波发射与回波信号采集的重复频率，提出一种基于多线程的多通道超声信号收发装置及处理方法。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]一种动态多线程多通道超声信号处理装置，其特征在于:该超声信号处理装置包括控制器单元、超声收发单元和超声探头单元；其中，所述的控制器单元包括多线程处理器、至少一个A/D转换器、至少一个D/A转换器和至少一个I/O控制器；所述的多线程处理器包括信号采集器、噪声抑制器和缺陷分析器；所述的超声收发单元包括至少一个超声收发器；所述的超声探头单元包括至少一个超声探头；所述的每一个A/D转换器的输入端与对应的超声收发器的超声回波信号输出端连接；所述的的每一个D/A转换器的输出端与超声收发器的增益设置信号输入端连接；所述的的每一个I/O控制器的输出端与对应的超声收发器的超声触发信号输入端连接；所述的每一个超声收发器的超声激发输出端与对应的超声探头的超声激发输入端连接；所述的每一个超声收发器的超声回波输入端与对应的超声探头的超声回波输出端连接；所述的信号采集器包括至少一个采集信号队列；所述的噪声抑制器包括至少一个滤波信号队列；所述的缺陷分析器包括至少一个分析信号队列；所述的信号采集器从每一个A/D转换器采集超声信号并放入对应的采集信号队列头部；所述的噪声抑制器从每一个采集信号队列中的尾部读取超声信号并放入对应的滤波信号队列的头部；所述的缺陷分析器从每一个滤波信号队列中的尾部读取超声信号并放入对应的分析信号队列的头部。
[0007]所述的控制器单元采用计算机、嵌入式计算机、智能手机和智能平板电脑中的一种或几种的组合。
[0008]所述的多线程处理器采用多线程CPU、多线程GPU、FPGA和DSP中的一种或几种的组合。
[0009]所述的超声探头采用压电超声探头、电磁超声探头和激光超声探头中的一种或几种的组合。
[0010]所述的超声收发单元的超声收发器采用与超声探头类型对应的压电超声收发器、电磁超声收发器和激光超声收发器中的一种或几种的组合。
[0011]本发明提供的一种动态多线程多通道超声信号处理方法，其特征在于该方法包括如下步骤:
[0012]a)分配采集信号队列存储区，可存储L个采集信号存储区的地址，该队列采用队尾入队，队首出队的队列数据结构；分配滤波信号队列存储区，可存储M个滤波信号存储区的地址，该队列采用队尾入队，队首出队的队列数据结构；分配分析信号队列存储区，可存储N个分析信号存储区地址，该队列采用队尾入队，队首出队的队列数据结构；
[0013]b)同时启动超声信号采集线程、超声信号噪声抑制线程和超声信号缺陷分析线程;
[0014]c)所述的超声信号采集线程采用如下步骤:
[0015]1.分配信号存储区，该存储区地址为P ；
[0016]i1.从对应的A/D转换器读入超声信号，并放入地址为P的数据存储区中；
[0017]ii1.判断采集信号队列是否已满，若已满，则等待直至采集信号队列空出至少一个位置；
[0018]iv.信号存储区地址P入采集信号队列；
[0019]v.主程序是否需要结束，如果结束，则结束线程，否则跳转到步骤i ;
[0020]d)所述的超声信号噪声抑制线程包括如下步骤:
[0021]1.滤波信号队列是否为满，如未满，则跳转到步骤ii，如已满，则跳转到步骤V ;
[0022]i1.采集信号队列的队首信号存储区地址Q出队列；
[0023]ii1.对信号存储区地址Q的信号进行数字滤波处理，抑制噪声；
[0024]iv.将信号存储区地址Q存入滤波信号队列；
[0025]V.主程序是否需要结束，“是”则结束超声信号噪声抑制线程；“否”则跳转到步骤i ;
[0026]e)所述的超声信号缺陷分析线程包括如下步骤:
[0027]1.分析信号队列是否为满，如未满，则跳转到步骤ii，如已满，则跳转到步骤V ；
[0028]i1.滤波信号队列的队首信号存储区地址R出队列；
[0029]ii1.对信号存储区地址R的信号进行缺陷分析，识别缺陷；
[0030]iv.保存缺陷信息；
[0031]V.释放地址为R的信号存储区空间；[0032]v1.主程序是否需要结束，“是”则清理分析信号队列中的所有信号存储区地址对应的数据存储空间，结束超声信号缺陷分析线程；“否”则跳转到步骤i ;
[0033]f)超声信号采集线程、超声信号噪声抑制线程和超声信号缺陷分析线程是否均结束，“是”则结束程序，“否”则等待所有线程均结束。
[0034]本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果:
[0035]本发明采用多线程的处理方式，实现了动态完成多通道超声探头的信号触发与采集、噪声抑制及缺陷分析，利用本发明装置及处理方法，对不同的处理过程和处理线程均采用独立的线程，利用多线程处理器的多线程运算优势，同时对多个超声通道的超声信号进行数据采集、处理与分析，共享处理器及内存资源，保护数据不发生冲突，采用指针形式的内存管理方式，减少内存移动数据的时间，从而改进超声信号的数据采集、处理与分析的效率，提高超声信号装置的重复发射接收频率，提高超声自动探伤装置的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是本发明所述的动态多线程多通道超声信号处理装置结构图。
[0037]图2是图1所示实施例的多线程处理器的信号流程图。
[0038]图3是图1所不实施例的/[目号处理方法流程图。
[0039]1-控制器单元；10-多线程处理器；11-A/D转换器；
[0040]12-D/A 转换器；13-1/0 控制器；
[0041]101-信号采集器；102-噪声抑制器；103-缺陷分析器；
[0042]104-采集信号队列；105-滤波信号队列；106-分析信号队列；
[0043]2-超声收发单元；3-超声探头单元；31-超声探头；
[0044]41-超声信号采集线程；42-超声信号噪声抑制线程；43-超声信号分析线程;
[0045]CPU-Central Processing Unit,中央处理器；
[0046]GPU-Graphics Processing Unit,图形处理器；
[0047]FPGA-Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列；
[0048]DSP-Digital Signal Processor,数字信号处理器。
【具体实施方式】
[0049]下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。
[0050]图1是本发明所述的动态多线程多通道超声信号处理装置结构图，该装置包括控制器单元1、超声收发单元2和超声探头单元3 ;其中，所述的控制器单元I包括多线程处理器10、至少一个A/D转换器11、至少一个D/A转换器12和至少一个1/0控制器13 ;所述的多线程处理器10包括信号采集器101、噪声抑制器102和缺陷分析器103 ;所述的超声收发单元2包括至少一个超声收发器21 ;所述的超声探头单元3包括至少一个超声探头31 ;所述的每一个A/D转换器11的输入端与对应的超声收发器21的超声回波信号输出端连接；所述的的每一个D/A转换器12的输出端与超声收发器21的增益设置信号输入端连接；所述的的每一个I/o控制器13的输出端与对应的超声收发器21的超声触发信号输入端连接；所述的每一个超声收发器21的超声激发输出端与对应的超声探头31的超声激发输入端连接；所述的每一个超声收发器21的超声回波输入端与对应的超声探头31的超声回波输出端连接；所述的信号采集器101包括至少一个采集信号队列104 ;所述的噪声抑制器102包括至少一个滤波信号队列105 ;所述的缺陷分析器103包括至少一个分析信号队列106 ;所述的信号采集器101从每一个A/D转换器11采集超声信号并放入对应的采集信号队列104头部；所述的噪声抑制器102从每一个采集信号队列104中的尾部读取超声信号并放入对应的滤波信号队列105的头部；所述的缺陷分析器103从每一个滤波信号队列105中的尾部读取超声信号并放入对应的分析信号队列106的头部。
[0051]所述的控制器单元I采用计算机、嵌入式计算机、智能手机和智能平板电脑中的一种或几种的组合。本实施例中，控制器单元I采用计算机。
[0052]所述的多线程处理器10采用多线程CPU、多线程GPU、FPGA和DSP中的一种或几种的组合。本实施例中，多线程处理器10采用四核八线程CPU。
[0053]所述的超声探头31采用压电超声探头、电磁超声探头和激光超声探头中的一种或几种的组合。本实施例中，超声探头31均采用中心频率为2.5MHz的压电超声探头。
[0054]所述的超声收发单元2的超声收发器21采用与超声探头31类型对应的压电超声收发器、电磁超声收发器和激光超声收发器中的一种或几种的组合。本实施例中，超声收发器21均采用压电超声收发器。
[0055]所述的动态多线程多通道超声信号处理方法针对每一路超声采集信号采用如下步骤:
[0056]a)分配采集信号队列104存储区，可存储L个采集信号存储区的地址，该队列采用队尾入队，队首出队的队列数据结构；分配滤波信号队列105存储区，可存储M个滤波信号存储区的地址，该队列采用队尾入队，队首出队的队列数据结构；分配分析信号队列106存储区，可存储N个分析信号存储区地址，该队列采用队尾入队，队首出队的队列数据结构；
[0057]b)同时启动超声信号采集线程41、超声信号噪声抑制线程42和超声信号缺陷分析线程43 ；
[0058]c)所述的超声信号采集线程41采用如下步骤:
[0059]1.分配信号存储区，该存储区地址为P ；
[0060]i1.从对应的A/D转换器11读入超声信号，并放入地址为P的数据存储区中；
[0061]ii1.判断采集信号队列104是否已满，若已满，则等待直至采集信号队列104空出至少一个位置；
[0062]iv.信号存储区地址P入采集信号队列104 ；
[0063]V.主程序是否需要结束，如果结束，则结束线程，否则跳转到步骤i ;
[0064]d)所述的超声信号噪声抑制线程42包括如下步骤:
[0065]1.滤波信号队列120是否为满，如未满，则跳转到步骤ii，如已满，则跳转到步骤
V；
[0066]i1.采集信号队列104的队首信号存储区地址Q出队列；
[0067]ii1.对信号存储区地址Q的信号进行数字滤波处理，抑制噪声；本实施例中，采用带通滤波法，设置下截止频率为1.5MHz，上截止频率为6MHz ；
[0068]iv.将信号存储区地址Q存入滤波信号队列105 ；
[0069]V.主程序是否需要结束，“是”则结束超声信号噪声抑制线程；“否”则跳转到步骤i ;
[0070]e)所述的超声信号缺陷分析线程43包括如下步骤:
[0071]1.分析信号队列106是否为满，如未满，则跳转到步骤ii，如已满，则跳转到步骤
V ；
[0072]i1.滤波信号队列105的队首信号存储区地址R出队列；
[0073]ii1.对信号存储区地址R的信号进行缺陷分析，识别缺陷；本实施例中，采用DAC曲线阈值判断法分析信号中是否存在缺陷信号；
[0074]iv.保存缺陷信息；
[0075]V.释放地址为R的信号存储区空间；
[0076]v1.主程序是否需要结束，“是”则清理分析信号队列106中的所有信号存储区地址对应的数据存储空间，结束超声信号缺陷分析线程；“否”则跳转到步骤i ;
[0077]f)超声信号采集线程41、超声信号噪声抑制线程42和超声信号缺陷分析线程43是否均结束，“是”则结束程序，“否”则等待所有线程均结束。
[0078]本发明采用多线程的处理方式，实现了动态完成多通道超声探头的信号触发与采集、噪声抑制及缺陷分析，利用本发明装置及处理方法，对不同的处理过程和处理线程均采用独立的线程，利用多线程处理器的多线程运算优势，同时对多个超声通道的超声信号进行数据采集、处理与分析，共享处理器及内存资源，保护数据不发生冲突，采用指针形式的内存管理方式，减少内存移动数据的时间，从而改进超声信号的数据采集、处理与分析的效率，提高超声信号装置的重复 发射接收频率，提高超声自动探伤装置的可靠性。
【权利要求】
1.一种动态多线程多通道超声信号处理装置，其特征在于:该超声信号处理装置包括控制器单元(I)、超声收发单元(2)和超声探头单元(3);其中，所述的控制器单元(I)包括多线程处理器(10)、至少一个A/D转换器(11)、至少一个D/A转换器(12)和至少一个I/O控制器(13);所述的多线程处理器(10)包括信号采集器(101)、噪声抑制器(102)和缺陷分析器(103);所述的超声收发单元(2)包括至少一个超声收发器(21);所述的超声探头单元(3)包括至少一个超声探头(31);所述的每一个A/D转换器(11)的输入端与对应的超声收发器(21)的超声回波信号输出端连接；所述的的每一个D/A转换器(12)的输出端与超声收发器(21)的增益设置信号输入端连接；所述的的每一个I/O控制器(13)的输出端与对应的超声收发器(21)的超声触发信号输入端连接；所述的每一个超声收发器(21)的超声激发输出端与对应的超声探头(31)的超声激发输入端连接；所述的每一个超声收发器(21)的超声回波输入端与对应的超声探头(31)的超声回波输出端连接；所述的信号采集器(101)包括至少一个采集信号队列(104);所述的噪声抑制器(102)包括至少一个滤波信号队列(105);所述的缺陷分析器(103)包括至少一个分析信号队列(106);所述的信号采集器(101)从每一个A/D转换器(11)采集超声信号并放入对应的采集信号队列(104)头部；所述的噪声抑制器(102)从每一个采集信号队列(104)中的尾部读取超声信号并放入对应的滤波信号队列(105)的头部；所述的缺陷分析器(103)从每一个滤波信号队列(105)中的尾部读取超声信号并放入对应的分析信号队列(106)的头部。
2.权利要求1所述的动态多线程多通道超声信号处理装置，其特征在于:所述的控制器单元(I)采用计算机、嵌入式计算机、智能手机和智能平板电脑中的一种或几种的组合。
3.权利要求1所述的动态多线程多通道超声信号处理装置，其特征在于:所述的多线程处理器(10)采用多线程CPU、多线程GPU、FPGA和DSP中的一种或几种的组合。
4.权利要求1所述的动态多线程多通道超声信号处理装置，其特征在于:所述的超声探头(31)采用压电超声探头、电磁超声探头和激光超声探头中的一种或几种的组合。
5.权利要求4所述的动态多 线程多通道超声信号处理装置，其特征在于:所述的超声收发单元(2)的超声收发器(21)采用与超声探头(31)类型对应的压电超声收发器、电磁超声收发器和激光超声收发器中的一种或几种的组合。
6.一种采用如权利要求1所述装置的动态多线程多通道超声信号处理方法，其特征在于:该方法采用如下步骤: a)分配采集信号队列(104)存储区，可存储L个采集信号存储区的地址，该队列采用队尾入队，队首出队的队列数据结构；分配滤波信号队列(105)存储区，可存储M个滤波信号存储区的地址，该队列采用队尾入队，队首出队的队列数据结构；分配分析信号队列(106)存储区，可存储N个分析信号存储区地址，该队列采用队尾入队，队首出队的队列数据结构； b)同时启动超声信号采集线程(41)、超声信号噪声抑制线程(42)和超声信号缺陷分析线程(43); c)所述的超声信号采集线程(41)采用如下步骤: i.分配信号存储区，该存储区地址为P ； ii.从对应的A/D转换器(11)读入超声信号，并放入地址为P的数据存储区中； iii.判断采集信号队列(104)是 否已满，若已满，则等待直至采集信号队列(104)空出至少一个位置； iv.信号存储区地址P入采集信号队列(104)； v.主程序是否需要结束，如果结束，则结束线程，否则跳转到步骤i ; d)所述的超声信号噪声抑制线程(42)包括如下步骤:i.滤波信号队列(120)是否为满，如未满，则跳转到步骤ii，如已满，则跳转到步骤V； ii.采集信号队列(104)的队首信号存储区地址Q出队列； iii.对信号存储区地址Q的信号进行数字滤波处理，抑制噪声； iv.将信号存储区地址Q存入滤波信号队列(105)； v.主程序是否需要结束，“是”则结束超声信号噪声抑制线程；“否”则跳转到步骤i ; e)所述的超声信号缺陷分析线程(43)包括如下步骤:i.分析信号队列(106)是否为满，如未满，则跳转到步骤ii，如已满，则跳转到步骤V； ii.滤波信号队列(105)的队首信号存储区地址R出队列； iii.对信号存储区地址R的信号进行缺陷分析，识别缺陷； iv.保存缺陷信息；` v.释放地址为R的信号存储区空间； vi.主程序是否需要结束，“是”则清理分析信号队列(106)中的所有信号存储区地址对应的数据存储空间，结束超声信号缺陷分析线程；“否”则跳转到步骤i ; f)超声信号采集线程(41)、超声信号噪声抑制线程(42)和超声信号缺陷分析线程(43)是否均结束，“是”则结束程序，“否”则等待所有线程均结束。
【文档编号】G01N29/22GK103487511SQ201310162733
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年5月6日 优先权日:2013年5月6日
【发明者】邹诚, 孙振国, 陈强 申请人:清华大学