一种应用于超声相控阵井壁成像检测的回波信号处理方法与流程

本发明涉及超声成像检测技术领域，具体涉及一种应用于超声相控阵井壁成像检测的回波信号处理方法。

背景技术：

超声井壁成像检测技术主要利用井壁或套管壁反射回波提取的幅度信息，识别多种类型的缺陷(裂缝和孔洞等)，最终以回波幅度图的形式清晰直观地显示井壁的状况。超声相控阵井壁成像检测技术，相较于传统超声井壁成像技术具有避免探头旋转、聚焦点可调等优点，近年来得到了广泛的关注。然而，由于超声信号的非平稳特性，超声相控阵的聚焦特性和井壁回波信号容易受到井下复杂环境的影响，使得井壁回波信号信噪比低，从而造成成像结果的准确性较差。

超声回波信号处理方法是影响最终井壁检测系统成像质量好坏的重要因素之一，超声相控阵井壁回波信号处理主要包括两方面：1)将多路接收到的回波信号进行延时补偿并叠加合成，即实现相控波束形成过程；2)对合成后的回波进行包络提取，在包络信号的基础上提取井壁幅度数据，用于最终的成像显示。目前最常用的井壁回波包络提取方法是采用希尔伯特变换法。该方法简单实用，在信号规律性、周期性及频率特性较强的情况下，采用希尔伯特变换法获取的信号包络清晰、光滑、没有畸变，不需要作进一步的拟合处理。但是，该方法的一个弊端是它会将回波信号中的高次谐波也一同提取出来，产生不光滑的毛刺，降低井壁幅度数据提取的稳定性和准确性，使得最终的井壁成像结果中出现误检的情况，降低超声相控阵井壁成像检测的可靠性。

由上述内容可知，对于超声相控阵井壁成像检测，需要进一步改进井壁超声回波的信号处理方法，以保证超声相控阵井壁成像检测的可靠性，减小井壁成像结果中由于幅度数据提取不准确而造成的误检情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为解决由于井下复杂环境造成的超声相控阵井壁回波信号信噪比低、成像检测效果差的技术问题，本发明针对超声相控阵井壁成像检测，提出一种井壁超声回波信号处理方法。利用该方法对回波信号进行信号处理，能够获得更为平滑、稳定的井壁回波包络信号，使得井壁幅度数据的提取更为准确，从而有效地提高检测系统的信噪比，增强图像对比度，获得更好的井壁成像显示效果。

为解决上述问题，本发明提供的一种应用于超声相控阵井壁成像检测的回波信号处理方法，该方法包括：

步骤1)利用超声相控阵接收到的井壁回波信号生成相控波束；

步骤2)对相控波束采用复小波变换算法进行处理，提取获得包络信号；

步骤3)对提取的包络信号进行峰值判断，取包络信号中的最大值作为井壁回波的幅度数据。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤1)具体包括：

步骤101)利用插值因子对超声相控阵接收到的各路井壁回波信号进行一阶线性插值处理，并按照设定的延时规则对插值处理后的各路信号进行延时补偿；

步骤102)对延时补偿后的多个回波信号进行叠加计算，形成相控波束。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤101)中经一阶线性插值处理的信号表示为：

其中，x(n)和x(n+1)分别表示第n个和第n+1个动态阵元插值前的回波信号，x′(n)表示第n个动态阵元插值后的回波信号，k和l分别是下一周期采样数据和当前采样数据的权重，且k+l等于系统采样精度与延时精度之比；

所述步骤101)中延时补偿的计算公式表示为：

τi＝di/c

其中，τi为第i个阵元的延时，di为聚焦点到第i个阵元的声程，c为井下环境中的声速。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤102)中叠加计算后形成的相控波束表示为：

其中，(x,z)为扫描平面内成像点位置坐标，si(t)为第i个阵元接收的回波信号。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤2)具体包括：

步骤201)对相控波束采用复小波变换算法进行处理得到复信号，复小波变换计算公式表示为：

其中，wtx(a,b)表示对信号x(t)基于参数a与b的小波变换，a和b分别为函数的尺寸及平移因子，φ(t)为小波基函数，t表示时间；根据小波分析的最大匹配原则，选取morlet复小波作为井壁超声回波信号复小波变换的小波基函数，morlet复小波函数的数学表达式为：

式中，β为形状控制参数，ω为角频率；

步骤202)对复信号进行求模运算获得包络信号，包络信号的计算公式表示为：

其中，e表示取包络，re和im分别表示取实部和取虚部。

本发明的一种应用于超声相控阵井壁成像检测的回波信号处理方法优点在于：本发明的方法在进行相控波束形成后，采用复小波变换法对井壁回波信号进行包络提取，该方法能够通过选用与井壁回波信号中心频率相同的复小波基函数，更为精确地提取所需频率的信号，以获得更为平滑、稳定的井壁回波包络信号，使得井壁幅度数据的提取更为准确，从而有效地提高检测系统的信噪比，增强图像对比度，获得更好的井壁成像显示效果。

附图说明

图1为本发明提供的应用于超声相控阵井壁成像检测的回波信号处理方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种应用于超声相控阵井壁成像检测的回波信号处理方法进行详细说明。

本发明针对超声相控阵井壁成像检测，提出一种井壁超声回波信号处理方法，用于解决由井下复杂环境造成的超声相控阵井壁回波信号信噪比低、成像检测效果差的技术问题。

本发明的方法在进行相控波束形成后，采用复小波变换法对井壁回波信号进行包络提取，以获得更为平滑、稳定的井壁回波包络信号，使得井壁幅度数据的提取更为准确，从而有效地提高检测系统的信噪比，增强图像对比度，获得更好的井壁成像显示效果。

本发明提供的一种应用于超声相控阵井壁成像检测的回波信号处理方法，该方法具体包括：

步骤1)利用超声相控阵接收到的井壁回波信号生成相控波束；

步骤2)对相控波束采用复小波变换算法进行处理，提取获得包络信号；

步骤3)对提取的包络信号进行峰值判断，取包络信号中的最大值作为井壁回波的幅度数据。

基于上述回波信号处理方法，如图1所示，在本实施例中，超声相控阵井壁成像检测的回波信号处理基本步骤包括：相控波束形成(即多路回波信号的延时、叠加)、对波束形成后的回波信号进行包络提取，以及在获得井壁回波信号包络的基础上提取井壁幅度数据，用于最终的成像显示。

下面对本发明方法中的相控波束形成、包络提取和幅度数据提取操作分别进行详细说明。

(1)相控波束形成

相控波束形成的具体步骤包括：

步骤101)根据实际的相控阵检测系统延时精度，利用插值因子对超声相控阵接收到的n路原始井壁回波信号进行一阶线性插值处理，只保留与延时有关的插值点上的波形数值，并按照设置的延时规则对n路数据进行延时补偿。

原始的采样数据x(n)经过插值处理后表示为：

上式中，x(n)和x(n+1)分别表示第n个和第n+1个动态阵元插值前的回波信号，x′(n)表示第n个动态阵元插值后的回波信号，k和l分别是下一周期采样数据和当前采样数据的权重，且k+l等于系统采样精度与延时精度之比。

然后按照设置的延时规则对n路数据进行延时补偿，延时规则由换能器孔径形状和聚焦点位置决定，在本实施例中，延时补偿的计算公式表示为：

τi＝di/c

其中，τi为第i号阵元的延时，di为聚焦点到第i号阵元的声程，c为井下泥浆环境中的声速。

步骤102)对延时补偿后的多个回波信号进行叠加计算，叠加后的回波信号表达式为：

其中，i(x,z)表示叠加计算后形成的相控波束，(x,z)为扫描平面内成像点位置坐标，si(t)为第i号阵元接收的回波信号。

(2)包络提取

包络提取的具体步骤包括：

步骤201)对相控波束形成后的回波进行包络提取，这里采用复小波变换提取回波信号包络，得到复信号。对于回波信号x(t)，其复小波变换计算公式表示为：

其中，wtx(a,b)表示对信号x(t)基于参数a与b的小波变换，a和b分别为函数的尺寸及平移因子，φ(t)为小波基函数，t表示时间。根据小波分析的最大匹配原则，在本实施例中，选取morlet复小波作为井壁超声回波信号复小波变换的小波基函数，morlet复小波函数的数学表达式为：

上式中，β为形状控制参数，ω为角频率。

步骤202)在复小波变换获得信号x(t)对应的复信号表示的基础上，对该复信号进行求模运算，即获得原信号x(t)的信号包络，计算公式为：

其中，e表示取包络，re和im分别表示取实部和取虚部。

(3)幅度数据提取

为获取井壁回波的幅度数值，具体处理方法是对提取的包络信号进行峰值判断，即取x(t)中的最大值作为井壁回波的幅度数据，完成信号处理操作。

在实际系统当中，假设采样后的数字序列为x(n)，若存在点x(i)，使得在序列x(n)当中，对于任意n(n≠i)，都有x(i)>x(n)，则取x(i)为该扫描点处的井壁回波幅度数据。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。