超声成像方法、计算机可读介质、超声检测仪与流程

本发明涉及一种盛装有不均匀流体的容器的超声检测，具体涉及一种盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法，一种存储有超声成像程序的计算机可读介质，一种超声检测仪。

背景技术：

1、特高压变压器出线装置等关键连接部位仅依靠绝缘油热胀冷缩自然循环，属于半“死油区”状态，该区域一旦发生放电击穿，由于短路电流不经过绕组，放电能量大，成为高风险区域，严重影响特高压电网安全。

2、当前，对于特高压变压器出线装置等关键连接部位的监测方法分为油色谱检测路线、铁心接地电流检测路线、铁心接地高频局放检测路线等。这些检测方法主要检测故障状态的特性，不能有效监测变压器内部状态变换的全过程。

3、理论上，超声波可以用于特高压变压器出线装置的非接触式检测，但特高压变压器出线装置内盛装的绝缘油工作时会因热胀冷缩产生热循环，并致使不同位置、不同时刻的绝缘油的声学特性产生变化，从而影响检测精度。以单通道超声波垂直入射式扫描检测为例，其检测时间过长，绝缘油声学特性造成的误差在时间的积累下致使精度极低。以阵列超声波扫描检测为例，阵列超声波需要合成声束，难以实现有效聚焦，检测分辨率低，精度差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法，一种存储有超声成像程序的计算机可读介质，一种超声检测仪，以提高盛装有不均匀流体的容器的超声成像的精度。

2、本发明的技术方案是：

3、一种盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法，包括：

4、步骤s20、获取在第二盛装有不均匀流体的容器的检测平面内进行的m次发射接收过程中第三发射位置、n个第三声压测量位置，以及在发射后时长t时第三声压测量位置的第三声压，m≥1，n≥2；

5、步骤s21、使用第二盛装有不均匀流体的容器的对应于所述检测平面的超声仿真模型和所述步骤s21获得的数据测算所述m次发射接收过程中第i个第三发射位置发射的超声波传播到p点的传播时间和所述超声波从p点传播到第j个第三声压测量位置的传播时间，使用全聚焦成像算法测算p点像素值；遍历所述超声仿真模型内的点为p点，得到所述超声仿真模型内的所有点的像素值，其中，i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n；

6、步骤s22、输出所述超声仿真模型内的所有点的像素值；

7、所述超声仿真模型的构建方法包括以下步骤：

8、步骤s10、在所述检测平面内环绕扫描第一盛装有不均匀流体的容器，在环绕扫描所述第一盛装有不均匀流体的容器的每一次发射接收过程中，在第一发射位置rs发射所述超声波，在发射后时长t时分别测量的n个第一声压测量位置rr处的第一声压uobs(t,rr,rs)；

9、步骤s11、建立所述第一盛装有不均匀流体的容器的扫描面结构仿真模型，离散化处理所述扫描面结构仿真模型，添加离散处理后的波动规则，配置每一离散点的声速，得到扫描面声速场模型

10、步骤s12、使用梯度优化算法迭代修正所述扫描面声速场模型得到拟合于所述步骤s10的扫描面内声速场的扫描面声速场模型

11、步骤s13、使用所述扫描面声速场模型测算其内任意两点间的最短传播时长tof，所述扫描面声速场模型中所有的两点间最短传播时长构成所述超声仿真模型。

12、优选的，设k≥0，在所述步骤s12中，使用梯度优化算法迭代修正所述扫描面声速场模型的方法包括以下步骤：

13、步骤s120、在第k+1次迭代前，在扫描面声速场模型中模拟所述步骤s10的所有发射接收过程，所述扫描面声速场模型输出其测算的发射后时长t时相应位置的第二声压

14、设

15、

16、若则终止迭代，得到扫描面声速场模型若则进行第k+1次迭代；ξ为第二声压与第一声压的最大阈值；

17、步骤s121、在第k+1次迭代时，梯度算子

18、gk+1＝jtδuk    (2)其中，j代表jacobian矩阵，δuk为扫描面声速场模型输出的第二声压与第一声压的差；

19、使用梯度优化算法寻找搜索方向和搜索步长，更新扫描面声速场模型

20、

21、式中，αk+1为迭代步长，dk+1为搜索方向，dk+1＝f(gk+1)；

22、令k＝k+1，继续执行步骤s120。

23、进一步优选的，在所述步骤s121中，dk+1＝-gk+1，αk+1为使用线搜索方法得到的迭代步长。

24、进一步优选的，在所述步骤s10中，在每一次发射接收过程中，在所述第一发射位置向第一射向发射所述超声波，所述第一发射位置、所述第一射向和n个第一声压测量位置均设置在扫描面上；在所述步骤s120中，在扫描面声速场模型νkp中模拟所述步骤s10的一次发射接收过程的方法是：以所述步骤s10中的一次发射接收过程中所述第一发射位置、n个所述第一声压测量位置与所述第一盛装有不均匀流体的容器的相对位置为参照基础，根据所述扫描面结构仿真模型的位置，分别确定第二发射位置和n个第二声压测量位置，设置在所述第二发射位置模拟发射的第二超声波的参数，所述第二超声波仿真所述超声波，所述扫描面声速场模型测算发射第二超声波后时长t时的所述第二声压测量位置的第二声压。

25、优选的，所述盛装有不均匀流体的容器为变压器出线装置，在所述步骤s20中，n＞31。

26、优选的，在所述步骤s11中，设置离散化处理的最大网格尺寸δs，对所述扫描面结构仿真模型进行离散化处理；

27、所述离散处理后的波动规则为

28、

29、其中，u(x,z,t)为声压场，(x,z)分别为扫描面内离散点的横坐标、纵坐标，t为时间，v(x,z)为离散点(x,z)处的声速，δt为计算时间步长，δs为最大网格尺寸，m表示差分精度阶数的0.5倍，c为差分系数。

30、进一步优选的，在所述步骤s11中，最大网格尺寸δs为所述超声波的最小波长的1/8；所述计算时间步长δt满足vmin是检测平面内介质的最小声速。

31、进一步优选的，在所述步骤s13中，设离散点p在前一声传播深度内，对应于位置(xp,zp)；点q在后一声传播深度内，对应于位置(xq,zq)，则点p、点q两离散点的虚拟传播时长

32、

33、式中，ν(xp,zp)为离散点(xp,zp)的声速；

34、若点p、点q在同一声传播深度内，或者，点p、点q不在相邻的两个声传播深度内，或者，点p、点q在相邻的两个声传播深度内，但点p在后一声传播深度内，点q在前一声传播深度内，则令tofpq＝∞，表示声波暂不能在在p、q之间传播；

35、对于点p、点q不在相邻的两个声传播深度内，且点p所属的声传播深度在点q所属的声传播深度之前，则使用最短路径搜索算法测算点p和点q之间的最短声传播时长，更新tofpq。

36、又进一步优选的，在所述步骤s13中，对于点p、点q不在相邻的两个声传播深度内，且点p所属的声传播深度在点q所属的声传播深度之前，使用viterbi最短路径搜索算法测算点p和点q之间的最短声传播时长。

37、优选的，在所述步骤s20中，使用超声波发射器发射超声波，所述超声波发射器为由m个超声波发射单元组成的线性阵列式超声波发射器，使用超声波接收器测量n个第三声压测量位置处的声压，所述超声波接收器为由n个超声波接收单元组成的线性阵列式超声波接收器，n≥m＞2。

38、优选的，在所述步骤s21中，所述全聚焦成像算法为

39、

40、其中，i(x,z)为离散点(x,z)处的像素值，h( )为希尔伯特变换，m为第三发射位置的个数，n为第三声压测量位置的个数，uij为第i个第三发射位置发射的超声波传播到第j个第三声压测量位置的第三声压，ti(x,z)表示第i个第三发射位置发射的超声波传播到(x,z)位置处的传播时间，tj(x,z)表示超声波从离散点(x,z)位置传播到第j个第三声压测量位置的传播时间。

41、一种存储有超声成像程序的计算机可读介质，所述超声成像程序被处理器执行后实现前述的盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法。

42、一种超声波检测仪，包括固定架、m个超声波发射单元、n个超声波接收单元、处理器，其特征在于，还包括前述的存储有超声成像程序的计算机可读介质，所述超声波发射单元用于发射与所述超声波相同的第四超声波，所述m个超声波发射单元、n个超声波接收单元和所述固定架固定连接，并使m个所述超声波发射单元的第四超声波射向和n个所述超声波接收单元的声压测量位置设置在同一平面上。

43、本发明的有益效果是：

44、1.本发明的盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法中：步骤s20是为了获取在第二盛装有不均匀流体的容器的检测平面内进行的m次发射接收过程中第三发射位置、第三射向、n个第三声压测量位置，以及在发射后时长t时第三声压测量位置的第三声压；步骤s21中，使用第二盛装有不均匀流体的容器的对应于检测平面的超声仿真模型和全聚焦成像算法，结合所述步骤s21获得的数据，得到所述超声仿真模型内的所有点的像素值；步骤s22中，输出所述超声仿真模型内的所有点的像素值，就可以实现对第二盛装有不均匀流体的容器的检测平面内介质的超声成像。在超声仿真模型的构建方法中，

45、步骤s10是为了获得使用设置在检测平面内的二维声场扫描第一盛装有不均匀流体的容器的检测平面的实测数据，以便于在步骤s11和步骤s12中，得到与第一盛装有不均匀流体的容器的检测平面内介质的超声声速特性相同的扫描面声速场模型步骤s11是为了建立第一盛装有不均匀流体的容器的扫描面声速场模型步骤s12是为了优化扫描面声速场模型使得到的扫描面声速场模型拟合于所述步骤s10的扫描面内声速场。步骤s13是利用得到的扫描面声速场模型确定扫描面声速场模型中任意两点间的最短超声传播时长，得到的所有的两点间最短传播时长就构成了对应于检测平面的超声仿真模型，这样就可以应用于步骤s21中。使用该超声仿真模型构建方法构建的超声仿真模型解决了不均匀流体介质声速特性不易测量的难题，其应用于盛装有不均匀流体的容器的超声成像时，可以提高成像精度。

46、2.本发明的盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法中：在所述步骤s12中，使用梯度优化算法可以提高声速场模型的优化效率。

47、3.本发明的盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法中：在所述步骤s121中，dk+1＝-gk+1，αk+1为使用线搜索方法得到的迭代步长。其对应于最速梯度下降优化算法，收敛速度快，优化效率高。

48、4.本发明的盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法中：在所述步骤s10中，在每一次发射接收过程中，在1个所述第一发射位置向第一射向发射所述超声波，与从2个以上的第一发射位置发射超声波后相比，第一声压测量位置的声压不会出现叠加，可以区分每个超声波在检测平面内的作用效果。同样的，在步骤s120中模拟的每一次发射接收过程中，在1个第二发射位置向第二射向发射所述超声波。所述第一发射位置、所述第一射向和n个第一声压测量位置均设置在扫描面上，可以形成设置在检测平面内的二维声场。

49、5.本发明的盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法中：变压器内盛装绝缘油后，其属于盛装有不均匀流体的容器。实际使用时，变压器内的绝缘油量一致性较好，因而重现度高。由于变压器出线装置尺寸较大，n＞31，可以有效提高超声波接收范围，增加计算区域，提高检测效率；同时增加数据量，可以在反演计算声速场模型时有更多参考量，提高声速场模型的拟合度。

50、6.本发明的盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法中：现有的波动方程适用的介质为连续性的，而盛装有不均匀流体的容器的介质的超声传播特性不一致，只有离散化处理后，才能在此基础上对不同介质配置声速。在扫描面结构仿真模型中添加离散处理后的波动方程，配置扫描面结构仿真模型内各离散点的初始声速，得到扫描面声速场模型这样，构造出了模拟声传播特性的初始扫描面声速场模型，以便于进行优化拟合。

51、7.本发明的盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法中：在所述步骤s11中，对模型空间进行离散化处理时，取所述超声波的最小波长的1/8为最大网格尺寸δs，这样可以精细区分超声波传播路径上的介质。计算时间步长δt满足vmin是检测平面内介质的最小声速，这样得到的离散点在进行有限差分正演模拟计算时，可以在保证差分格式的稳定性同时有效削弱声波在传播过程中的物理频散现象。

52、8.本发明的盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法中：在所述步骤s13中，由于网格尺寸小于波长，同一深度位置网格近似认为是各向同性介质，声速不发生变化，因此，

53、设离散点p在前一声传播深度内，对应于位置(xp,zp)；点q在后一声传播深度内，对应于位置(xq,zq)，则点p、点q两离散点的虚拟传播时长

54、

55、式中，v(xp,zp)为离散点(xp,zp)的声速；

56、若点p、点q在同一声传播深度内，或者，点p、点q不在相邻的两个声传播深度内，或者，点p、点q在相邻的两个声传播深度内，但点p在后一声传播深度内，点q在前一声传播深度内，则令tofpq＝∞，表示声波暂不能在在p、q之间传播；

57、对于点p、点q不在相邻的两个声传播深度内，且点p所属的声传播深度在点q所属的声传播深度之前，则使用最短路径搜索算法测算点p和点q之间的最短声传播时长，更新tofpq。

58、9.本发明的盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法中：使用超声波发射器发射超声波，所述超声波发射器为由m个超声波发射单元组成的线性阵列式超声波发射器，使用超声波接收器测量n个第三声压测量位置处的声压，所述超声波接收器为由n个超声波接收单元组成的线性阵列式超声波接收器，n≥m＞2。这样可以提高数据采集效率。

59、10.本发明的存储有超声成像程序的计算机可读介质中，超声成像程序被处理器执行后实现前述的盛装有不均匀流体的容器的超声成像方法，其重现方法的一致性较好，且计算效率率，成像速度快。

60、11.本发明的超声波检测仪，包括固定架、m个超声波发射单元、n个超声波接收单元、处理器和前述的存储有超声成像程序的计算机可读介质，所述m个超声波发射单元、n个超声波接收单元和所述固定架固定连接，并使m个所述超声波发射单元的第四超声波射向和n个所述超声波接收单元的声压测量位置设置在同一平面上，使用它可以对第二盛装有不均匀流体的容器进行超声检测成像。