本發(fā)明涉及聲學(xué)、光學(xué)及電子學(xué)相結(jié)合測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、信號(hào)處理等相關(guān)技術(shù)，特指結(jié)冰風(fēng)洞飛機(jī)模型結(jié)冰試驗(yàn)中，一種基于三維超聲成像技術(shù)的風(fēng)洞模型3D冰形在線(xiàn)測(cè)量的方法。

背景技術(shù)：

飛機(jī)結(jié)冰是飛行實(shí)踐中廣泛存在的一種現(xiàn)象，也是造成飛行安全事故的主要隱患之一，機(jī)身表面的結(jié)冰會(huì)改變飛機(jī)的繞流流場(chǎng)，導(dǎo)致部件載荷分布發(fā)生變化，從而破壞空氣動(dòng)力學(xué)性能，影響飛機(jī)的操縱性和穩(wěn)定性，危害飛行安全，輕者會(huì)使安全飛行范圍減小，重者會(huì)導(dǎo)致機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故，因此飛機(jī)結(jié)冰及其防護(hù)問(wèn)題一直是航空領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容，探索結(jié)冰機(jī)理、進(jìn)行結(jié)冰氣象條件下飛行器空氣動(dòng)力性能評(píng)估、安全評(píng)估、防/除冰等研究工作具有重要意義。

為探索結(jié)冰機(jī)理、進(jìn)行結(jié)冰氣象條件下飛行器空氣動(dòng)力性能評(píng)估、安全評(píng)估、防/除冰等研究工作，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)等三個(gè)方面開(kāi)展了相關(guān)研究工作；由于自然結(jié)冰條件下的飛行試驗(yàn)安全性低、成本高，目前主要在結(jié)冰風(fēng)洞中進(jìn)行模擬結(jié)冰試驗(yàn)，進(jìn)行飛行器結(jié)冰條件下分行性能及安全評(píng)估，驗(yàn)證防/除冰系統(tǒng)性能，驗(yàn)證CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

在風(fēng)洞結(jié)冰試驗(yàn)中，一般需要測(cè)量結(jié)冰體的厚度、形狀等信息，通常還會(huì)對(duì)機(jī)罩等復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)，對(duì)于復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)表面結(jié)冰體，更需要測(cè)量其全場(chǎng)3D 形狀，以用于CFD 氣動(dòng)性能計(jì)算；在這個(gè)過(guò)程中，獲取風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中飛機(jī)模型結(jié)冰3D 輪廓信息，一方面作為三維氣動(dòng)外形輸入數(shù)據(jù)用于計(jì)算飛機(jī)結(jié)冰條件下氣動(dòng)性能，另一方面用于驗(yàn)證CFD 計(jì)算結(jié)冰體外形結(jié)果；同時(shí)，研究表明結(jié)冰與液態(tài)水含量、平均水滴直徑、溫度、結(jié)冰時(shí)間、飛行速度和攻角等參數(shù)緊密相關(guān)，為探索這些參數(shù)對(duì)結(jié)冰生長(zhǎng)過(guò)程的影響，還需要獲取時(shí)間解析3D 冰形；另外，在進(jìn)行滿(mǎn)足飛機(jī)結(jié)冰條件下安全飛行評(píng)估時(shí)，帶時(shí)間信息的3D 冰形數(shù)據(jù)可用于預(yù)測(cè)安全飛行時(shí)間及邊界。并且，目前的結(jié)冰模擬試驗(yàn)主要是定常試驗(yàn)，而飛行狀態(tài)下自然結(jié)冰條件是非定常的，未來(lái)開(kāi)展非定常結(jié)冰試驗(yàn)，更需要在線(xiàn)測(cè)量結(jié)冰體三維形狀。

目前，已使用的冰形測(cè)量方法有以下幾種：一是用圖像傳感器對(duì)冰形拍照，這種方法一般只能定性觀(guān)察，不能精確測(cè)量冰形輪廓形狀數(shù)據(jù)；二是石膏澆注技術(shù)。通過(guò)從模型上取下冰塊進(jìn)行石膏澆模來(lái)獲得冰形，但是這種方法的勞動(dòng)強(qiáng)度高，直接破壞冰形，測(cè)量不精確；三是熱刀法，這是比較常用到的冰形測(cè)量方法，但也存在中斷試驗(yàn)、破壞冰形、測(cè)量隨機(jī)誤差大等缺點(diǎn)；另外，這三種方法都需要在結(jié)冰風(fēng)洞停車(chē)狀態(tài)下進(jìn)行，無(wú)法實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)飛機(jī)模型結(jié)冰3D輪廓信息，對(duì)后續(xù)的研究工作帶來(lái)了諸多不便。

為了實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)飛機(jī)模型結(jié)冰3D輪廓信息，研究者提出面結(jié)構(gòu)光結(jié)合雙目視覺(jué)的方法：該方法利用雙目視覺(jué)原理，采用兩臺(tái)攝像機(jī)在不同位置同時(shí)拍攝試驗(yàn)過(guò)程中的飛機(jī)模型結(jié)冰冰形，對(duì)兩幅圖像進(jìn)行預(yù)處理，立體匹配，從而進(jìn)行冰形三維重建；該方法可以實(shí)現(xiàn)3D測(cè)量，但需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，操作較為復(fù)雜，同時(shí)由于結(jié)冰體表面容易鏡面反射，將難以實(shí)現(xiàn)左右兩幅圖像的準(zhǔn)確匹配，必須在飛機(jī)模型結(jié)冰表面噴涂顏料形成漫反射，局限了實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)性。

為了克服以上方法的不足，本發(fā)明提出基于三維超聲成像技術(shù)進(jìn)行飛行器模型結(jié)冰生長(zhǎng)過(guò)程中3D 冰形在線(xiàn)測(cè)量方法：該方法使用超聲波進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了非接觸式的在線(xiàn)測(cè)量，同時(shí)可以有效降低結(jié)冰風(fēng)洞環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響；超聲波具有在異種介質(zhì)的界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，超聲成像正是運(yùn)用用這一特點(diǎn)，采用超聲聲束掃描物體，通過(guò)對(duì)反射信號(hào)的接收、處理，以獲得被掃描物體的圖像，近年來(lái)，超聲成像技術(shù)不斷發(fā)展，在三維成像方面應(yīng)用也越加廣泛，相比于其他檢測(cè)技術(shù)，超聲成像技術(shù)具有非接觸式、操作簡(jiǎn)單、在線(xiàn)測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)冰風(fēng)洞環(huán)境中，超聲波相對(duì)于圖像傳感器可以有效削弱環(huán)境中冰粒和水霧對(duì)測(cè)量的干擾。

基于超聲成像技術(shù)的風(fēng)洞模型3D冰形在線(xiàn)測(cè)量方法運(yùn)用二維超聲成像技術(shù)獲得二維超聲圖像：在采集回波信號(hào)獲得二維超聲圖像信息的同時(shí)，利用電磁定位傳感器采集超聲探頭對(duì)應(yīng)結(jié)冰模型的空間位置信息，然后經(jīng)圖像坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得待測(cè)模型的三維坐標(biāo)，從而進(jìn)行三維重建。

本發(fā)明采用非接觸式測(cè)量飛機(jī)模型3D結(jié)冰冰形輪廓，保護(hù)了冰形的輪廓信息；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)測(cè)量，無(wú)需中途停車(chē)，保證實(shí)驗(yàn)的完整性；另外，由于超聲波的回波特性，本發(fā)明可以有效減少結(jié)冰風(fēng)洞環(huán)境下水霧和冰粒對(duì)測(cè)量的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了克服傳統(tǒng)方法如熱刀法等測(cè)量冰形輪廓時(shí)破壞冰形、不能實(shí)時(shí)測(cè)量等不足，同時(shí)克服激光刀切法測(cè)量時(shí)受環(huán)境中冰粒、水霧影響較大而提出的一種效率更高、破壞性更小、實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)的冰形輪廓測(cè)量方法，該方法利用超聲探頭發(fā)射超聲信號(hào)，同時(shí)接收回波信號(hào)并進(jìn)行處理，獲得二維超聲圖像，在采集回波信號(hào)獲得二維超聲圖像信息的同時(shí)，利用電磁定位傳感器采集超聲探頭對(duì)應(yīng)結(jié)冰模型的空間位置信息，然后經(jīng)圖像坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得待測(cè)模型的三維坐標(biāo)，從而進(jìn)行三維重建，同時(shí)獲取三維超聲圖像。

其中二維成像基本步驟包括：波束形成、數(shù)字信號(hào)處理以及數(shù)字圖像處理；主要的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程包括動(dòng)態(tài)濾波、對(duì)數(shù)放大、包絡(luò)檢測(cè)和二次采樣；通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理后，用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行成像處理與優(yōu)化，該過(guò)程需要應(yīng)用到數(shù)字掃描變換技術(shù)（坐標(biāo)變換、線(xiàn)性插值）以及幀相關(guān)技術(shù)，在采集一系列二維超聲圖像的同時(shí)，采用電磁定位傳感器采集相應(yīng)的空間位置信息，這一系列空間不規(guī)則排列的二維圖像及每幅圖像采集時(shí)相應(yīng)的探頭空間位置與指向信息作為三維重建的原始信息，經(jīng)圖像坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得待測(cè)模型的三維坐標(biāo)，從而進(jìn)行三維重建。

為了更直觀(guān)的觀(guān)測(cè)結(jié)冰模型3D輪廓，本發(fā)明采用三維成像技術(shù)，把二維圖像中每個(gè)像素的灰度值放到一個(gè)最終的三維體積晶格上，形成三維超聲圖像。

本發(fā)明進(jìn)行冰形輪廓測(cè)量的步驟包括：1、發(fā)射超聲信號(hào)，同時(shí)接收回波信號(hào)并進(jìn)行處理，獲得二維超聲圖像信息；2、在采集回波信號(hào)獲得二維超聲圖像信息的同時(shí)，利用電磁定位傳感器采集相應(yīng)的超聲探頭相對(duì)結(jié)冰模型的空間位置信息；3、進(jìn)行超聲平面坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，三維重建，獲取三維超聲圖像。

步驟1中，采用全數(shù)字B超進(jìn)行二維超聲圖像的獲取，二維超聲成像步驟包括：s1、波束形成；s2、超聲回波信號(hào)處理；s3、數(shù)字圖像處理。

步驟s1波束形成包括對(duì)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的波束形成處理兩個(gè)方面，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，波束形成主要是對(duì)接收的多通道超聲回波信號(hào)進(jìn)行延時(shí)求和，對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行不同的延時(shí)可實(shí)現(xiàn)超聲回波信號(hào)的接收聚焦；本發(fā)明采用自適應(yīng)波束形成法來(lái)達(dá)到波束形成，根據(jù)回波數(shù)據(jù)的特征，動(dòng)態(tài)計(jì)算各通道加權(quán)值，進(jìn)而達(dá)到壓縮波束主瓣寬度，提高圖像分辨率的目的；符號(hào)相關(guān)和最小方差法都屬于自適應(yīng)算法，符號(hào)相關(guān)技術(shù)是用符號(hào)位表示相位的變化，可以看作是一位波束合成器的非線(xiàn)性函數(shù)；最小方差法通過(guò)保持期望方向上的增益不變，使陣列輸出能量最小化，從而獲得使圖像信噪比最高的最優(yōu)加權(quán)向量。

為了在提高圖像對(duì)比度的同時(shí)進(jìn)一步提高圖像分辨率，本發(fā)明采用特征空間與符號(hào)相干系數(shù)融合的波束形成法，把符號(hào)相干系數(shù)引入到特征空間最小方差波束形成方法中；相干系數(shù)是根據(jù)主瓣信號(hào)的相干性高，旁瓣信號(hào)相干性低的原理對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行加權(quán)優(yōu)化的，相干系數(shù)反映了回波信號(hào)的相干程度，將相干系數(shù)作為權(quán)重信息，進(jìn)行波束形成。

步驟s2超聲回波信號(hào)處理過(guò)程又包括：ss1、動(dòng)態(tài)濾波；ss2、對(duì)數(shù)放大；ss3、包絡(luò)檢測(cè)；ss4、二次采樣。

步驟ss1動(dòng)態(tài)濾波用于自動(dòng)選擇回聲信號(hào)中有價(jià)值的頻率成分，當(dāng)所發(fā)射超聲波具有較寬的頻帶時(shí)，所接收回波中的頻率成分與距離有關(guān)，在近場(chǎng)，回波頻率成分主要集中在頻帶的高端，隨著探測(cè)深度的增加，回波頻率成分足漸向頻帶的低端偏移，這是因?yàn)殡S著深度的增加，高頻成分的衰減要比低頻成分的衰減大，當(dāng)探測(cè)深度較大時(shí)，高頻成分甚至不能到達(dá)介質(zhì)的深部便已被全部吸收，動(dòng)態(tài)濾波用來(lái)篩選出近場(chǎng)強(qiáng)回聲，從而提高分辨率和信噪比，使回聲圖像的質(zhì)量得到改善；在選用動(dòng)態(tài)濾波器時(shí)，本發(fā)明考慮到有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器具有絕對(duì)穩(wěn)定的特性，易于直接根據(jù)脈沖響應(yīng)技術(shù)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)；可以在逼近任意幅度特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的脈沖響應(yīng)；可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的線(xiàn)性相位特性，因此本發(fā)明選用有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾波：有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，主要是使轉(zhuǎn)移函數(shù)H(z)在單位圓上的值H（e）逼近給定的幅度特性。采用窗函數(shù)法，用乘法累加器實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

步驟ss2對(duì)數(shù)放大電路用于壓縮回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，是保證圖像實(shí)現(xiàn)灰階顯示以突出有意義圖像信息的基礎(chǔ)，超聲回波幅度的動(dòng)態(tài)范圍很大，常可達(dá)100～110ｄB ，其中，界面的差異所引起的動(dòng)態(tài)范圍約20dＢ；聲束與界面成不同角度產(chǎn)生所謂“對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)” 引起的動(dòng)態(tài)范圍約為30dＢ，如果將回波信號(hào)簡(jiǎn)單地放大后送顯示器顯示，不僅不能獲得對(duì)應(yīng)幅度的不同輝度，還將產(chǎn)生強(qiáng)信號(hào)時(shí)的“ 闌效應(yīng) ”致使強(qiáng)信號(hào)圖像一片模糊 ，弱信號(hào)圖像星星點(diǎn)點(diǎn)，不能提取出有價(jià)值的信息；解決辦法就是對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)壓縮的回波圖成為灰階顯示回波圖，灰階顯示回波圖雖然動(dòng)態(tài)范圍小于原圖像的動(dòng)態(tài)范圍，但保留了原圖像信息的差異，因而最終得到的超聲圖像包含了各種幅度信息，使圖像層次豐富，表現(xiàn)力大大提高。

本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)放大時(shí)，采用基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）的查找表（LUT）來(lái)實(shí)現(xiàn)，LUT本質(zhì)上就是一個(gè)RAM，當(dāng)用戶(hù)通過(guò)原理圖或HDL語(yǔ)言描述了一個(gè)邏輯電路以后，PLD/FPGA開(kāi)發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，并把結(jié)果事先寫(xiě)入RAM，這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。

ss3包絡(luò)檢測(cè)：包絡(luò)檢波電路用于將對(duì)數(shù)放大器輸出的高頻回波信號(hào)變換為視頻脈沖輸出；由于回波是矩形脈沖調(diào)制的超聲振蕩，包絡(luò)檢波器的任務(wù)就是要將高頻的回波解調(diào)為視頻信號(hào)輸出。

步驟ss4二次采樣：在超聲信號(hào)處理中，需要根據(jù)有用信號(hào)來(lái)調(diào)整采樣速率，即對(duì)采樣后信號(hào)進(jìn)行抽取或插值處理，在高速抽取或插值系統(tǒng)中，一種非常有效的方法就是使用“級(jí)聯(lián)積分器梳狀（CIC）濾波器”實(shí)現(xiàn)多采樣率濾波。

完成對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理之后，要應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行成像處理與優(yōu)化，該過(guò)程需要應(yīng)用到數(shù)字掃描變換技術(shù)（坐標(biāo)變換、線(xiàn)性插值）以及幀相關(guān)技術(shù)；凸陣探頭接收的超聲回波信號(hào)，是以極坐標(biāo)形式排列的扇形區(qū)域超聲掃描，如果直接將該信號(hào)進(jìn)行顯示掃面，用直角坐標(biāo)形式顯示成像，結(jié)果必然是不正確的，因而需要進(jìn)行坐標(biāo)變換；通過(guò)坐標(biāo)變換后的坐標(biāo)點(diǎn)，不一定落在凸陣探頭的接收掃描線(xiàn)上，也不一定正好就在回波數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度上，因此，需要通過(guò)線(xiàn)性插值的方式得到改點(diǎn)數(shù)值的大小，本發(fā)明采用4點(diǎn)線(xiàn)性插值方式。

經(jīng)過(guò)放大補(bǔ)償、波束形成、信號(hào)處理、圖像處理等步驟，就完成了一線(xiàn)寬度的圖像信號(hào)采集和還原任務(wù)，改變不同部位的掃查，重復(fù)上面的過(guò)程，當(dāng)完成探頭所探測(cè)范圍的所有線(xiàn)掃查后，就完成了一幀超聲圖像掃查，能夠使得被探測(cè)部分的圖像實(shí)時(shí)的在顯示器上顯示。

在進(jìn)行三維重建時(shí)，要有二維圖像之間的空間位置信息；步驟2在采集回波信號(hào)獲得二維超聲圖像信息的同時(shí)，利用電磁定位傳感器采集超聲探頭對(duì)應(yīng)結(jié)冰模型的空間位置信息，超聲圖像數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)通過(guò)圖像采集卡和串口送給計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)完成圖像重組工作，在連續(xù)采集過(guò)程結(jié)束后,就可以得到一系列帶有空間位置信息的B超圖像數(shù)據(jù)。

在獲得圖像信息和空間位置信息之后，步驟3將經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行三維重建，同時(shí)將二維超聲圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到三維晶格上形成三維超聲圖像；重建過(guò)程中，根據(jù)每幅超聲平面的三維定位數(shù)據(jù)及定位系統(tǒng)中接收器與超聲探頭的關(guān)系得到該平面在空間絕對(duì)坐標(biāo)系中的位置，然后將不規(guī)則采集得到的超聲圖像上的每個(gè)象素放到相應(yīng)的空間晶格位置上形成三維圖像。

這中間的主要問(wèn)題有兩個(gè)：q1、一個(gè)是如何將超聲平面坐標(biāo)系上的點(diǎn)轉(zhuǎn)換到空間絕對(duì)坐標(biāo)系上；q2、如何確定實(shí)際需要重構(gòu)空間的大小。

解決問(wèn)題q1需要建立3個(gè)坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系、超聲平面坐標(biāo)系和定位系統(tǒng)中的接收器坐標(biāo)系，3個(gè)坐標(biāo)系的建立重構(gòu)算法涉及3個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系，世界坐標(biāo)系由電磁定位系統(tǒng)中的發(fā)射器確定,在重構(gòu)過(guò)程中始終保持不變，超聲平面坐標(biāo)系是B超掃描平面的坐標(biāo)系統(tǒng)，超聲平面為平面，坐標(biāo)原點(diǎn)在圖像的左上角，軸在聲束方向，軸在側(cè)向；圖像平面上每個(gè)象素點(diǎn)的坐標(biāo)都為零，定位系統(tǒng)中的接收器坐標(biāo)系，接收器固連在超聲探頭上，因此接收器坐標(biāo)系與超聲平面坐標(biāo)系間有固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

超聲平面坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：三維晶格重構(gòu)的核心是把超聲平面坐標(biāo)系上的象素點(diǎn)轉(zhuǎn)化到世界坐標(biāo)系，首先是將超聲平面坐標(biāo)系中的象素點(diǎn)轉(zhuǎn)換到貼附在超聲探頭上的接收器坐標(biāo)系上，而后根據(jù)定位系統(tǒng)提供的接收器坐標(biāo)系與發(fā)射器確定的世界坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到超聲圖像上各點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的位置。在進(jìn)行超聲平面坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，定義超聲掃面平面為，圖像平面為。

相應(yīng)的算法如下：通過(guò)標(biāo)定測(cè)量實(shí)驗(yàn),首先得到了超聲平面坐標(biāo)系與接收器坐標(biāo)系間的固定轉(zhuǎn)換關(guān)系；這一關(guān)系包括轉(zhuǎn)換矩陣及點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置，矩陣由, , 三軸在坐標(biāo)系中的空間余弦構(gòu)成；設(shè)是超聲圖像平面上的P點(diǎn)在中的坐標(biāo),是該點(diǎn)在超聲平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，；；分別是三軸在坐標(biāo)系中的空間余弦，用矩陣表示，

。則。

將超聲圖像象素點(diǎn)坐標(biāo)從轉(zhuǎn)換到由定位系統(tǒng)發(fā)射器確定的世界坐標(biāo)系內(nèi)，坐標(biāo)關(guān)系由三維定位傳感器給出；其中轉(zhuǎn)換矩陣

。

式中：分別為軸、軸、軸相對(duì)于的歐拉角。設(shè)是點(diǎn)在中的坐標(biāo)，是點(diǎn)P在世界坐標(biāo)中的位置，則。

晶格尺寸/范圍的確定：本發(fā)明為了方便三維數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)、讀取、運(yùn)算，所生成的晶格為整數(shù)坐標(biāo)晶格；取三方向刻度間隔均為1 mm，晶格為一立方體，只需得到晶格的兩個(gè)對(duì)角頂點(diǎn)及，整個(gè)晶格的大小、形狀、空間位置就可確定。

首先在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，通過(guò)初始測(cè)量，估計(jì)出世界坐標(biāo)最大值與最小值的范圍，放在相應(yīng)的定位數(shù)據(jù)中；在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，分別計(jì)算每幅二維圖像4個(gè)頂點(diǎn)空間絕對(duì)坐標(biāo)，并與初始估計(jì)的范圍比較，得到最終所有數(shù)據(jù)中世界坐標(biāo)值的最大點(diǎn)和最小點(diǎn)，以這兩點(diǎn)作為J點(diǎn)和K點(diǎn)，從而確定晶格數(shù)據(jù)。

晶格數(shù)據(jù)生成：在晶格分辨率、大小確定后，將每幅圖像上的象素點(diǎn)經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后減去晶格起始點(diǎn)，再以最近鄰相靠的辦法將它們逐一放到晶格上；當(dāng)同一晶格點(diǎn)上有多個(gè)投影象素點(diǎn)時(shí)，采用取其中最大值的方法得到最終灰度值；在所有二維圖像均放置到三維晶格上后，以空域18點(diǎn)濾波法對(duì)三維晶格數(shù)據(jù)做濾波處理，生成最終的三維超聲體積圖像。

本發(fā)明有益效果是：

1、本發(fā)明提出的冰形輪廓測(cè)量方法是非接觸式測(cè)量，可有效的避免熱刀法測(cè)量，容易破碎冰塊微小結(jié)構(gòu)，無(wú)法得到準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)。

2、本發(fā)明采用超聲成像進(jìn)行3D冰形輪廓檢測(cè)，在檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)發(fā)射超聲信號(hào)，接收回波信號(hào)，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析處理獲得二維圖像，同時(shí)根據(jù)空間位置信息進(jìn)行三維重建。相比較圖像傳感器測(cè)量方法，不需要進(jìn)行標(biāo)定，減少了操作的復(fù)雜程度。

3、本發(fā)明可以避免停車(chē)，實(shí)現(xiàn)結(jié)冰生長(zhǎng)過(guò)程中3D 冰形在線(xiàn)測(cè)量。

4、本發(fā)明受風(fēng)洞試驗(yàn)環(huán)境影響較小，與面結(jié)構(gòu)光雙目視覺(jué)方法相比，其測(cè)量過(guò)程中結(jié)冰風(fēng)洞中水霧、冰粒等環(huán)境對(duì)光線(xiàn)傳播的影響明顯減弱。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)流程圖。

圖2為本發(fā)明的超聲探頭裝置以及電磁定位傳感器的發(fā)射端和接收端分布示意圖。

圖3為硬件系統(tǒng)的工作流程。

圖4為超聲回波波束形成示意圖。

圖5為世界坐標(biāo)系、超聲平面坐標(biāo)系和定位系統(tǒng)中的接收器坐標(biāo)系以及三個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明所保護(hù)的內(nèi)容不局限于以下所述。

圖中標(biāo)號(hào)：1—超聲探頭，2—電磁定位傳感器發(fā)射端，3—待測(cè)物體，4—電磁定位傳感器接收端，5—超聲儀，6—控制器，7—微機(jī)，8—圖像采集卡，9—回波信號(hào)接收單元，10—回波信號(hào)延時(shí)單元，S(i)表示回波信號(hào)，S(o)表示經(jīng)過(guò)延時(shí)疊加波束形成后的回波信號(hào)，表示超聲掃描平面，表示二維超聲圖像平面。

基于超聲成像技術(shù)的風(fēng)洞模型3D冰形在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，該測(cè)量裝置包括：一臺(tái)超聲儀，一臺(tái)微機(jī)，一塊基于PCI總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的彩色圖像采集卡和電磁定位傳感器、俯仰角度調(diào)節(jié)器、偏轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)器；定位系統(tǒng)能給出探頭位置與指向的六自由度參數(shù)，電磁定位傳感器的發(fā)射器固定，接收器粘貼在超聲探頭上，隨探頭移動(dòng)。

采集到的回波信號(hào)和利用電磁定位傳感器采集的超聲探頭相對(duì)結(jié)冰模型的空間位置信息作為輸入數(shù)據(jù)輸入超聲儀進(jìn)行處理，得到超聲圖像數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)I，超聲圖像數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)I通過(guò)圖像采集卡和串口送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成圖像重組工作；俯仰角度調(diào)節(jié)器在30度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)超聲探頭的俯仰角度；偏轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)器在360度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)換能器的偏轉(zhuǎn)角度，同俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合保證換能器探頭對(duì)準(zhǔn)被測(cè)目標(biāo)，兩個(gè)角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合保證超聲波束準(zhǔn)確發(fā)射向結(jié)冰體的被測(cè)截面上；高度調(diào)節(jié)裝置，由安裝在現(xiàn)場(chǎng)的導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)，各裝置配合工作，保證掃描到全場(chǎng)信息。

本專(zhuān)利使用的是相控陣探頭，探頭分布128陣元，對(duì)模型進(jìn)行扇掃；為達(dá)到測(cè)量成像要求，超聲波發(fā)射頻率為30kHz；區(qū)別于常規(guī)超聲波探頭，相控陣探頭的兩個(gè)重要特性是聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦，通過(guò)改變晶片間的延時(shí)時(shí)間，讓距離焦點(diǎn)遠(yuǎn)的晶片先發(fā)射信號(hào)，而距離焦點(diǎn)近的晶片后發(fā)射信號(hào)，從而使各個(gè)晶片發(fā)射的信號(hào)同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)，并在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)高強(qiáng)度聲場(chǎng)。

二維超聲成像的過(guò)程，首先是由主控器產(chǎn)生發(fā)射脈沖，脈沖根據(jù)探頭的參數(shù)進(jìn)行延時(shí)輸出，經(jīng)過(guò)放大后驅(qū)動(dòng)探頭的陣元發(fā)射超聲波，對(duì)物體進(jìn)行掃查，完成發(fā)射任務(wù)；聲波射向被測(cè)物體表面會(huì)產(chǎn)生回波信號(hào)，當(dāng)這些回波信號(hào)被超聲探頭采集后，經(jīng)過(guò)放大補(bǔ)償、波束形成、動(dòng)態(tài)濾波等信號(hào)處理，以及圖像處理，最終就能在顯示器上真實(shí)的再現(xiàn)被測(cè)物體的圖像，這樣就完成了一線(xiàn)寬度的圖像信號(hào)采集和還原任務(wù)；改變不同部位的掃查，重復(fù)上面的過(guò)程，當(dāng)完成探頭所探測(cè)范圍的所有線(xiàn)掃查后，就完成了一幀超聲圖像掃查，且最終能在顯示器上顯示完整的一幅超聲圖像；當(dāng)完成一幀圖像的掃查后，重復(fù)的上面的過(guò)程，就能夠使得被探測(cè)部分的圖像實(shí)時(shí)的在顯示器上顯示。

本發(fā)明采用電磁定位傳感器，發(fā)射器安放在固定的位置，接收器可以粘貼在超聲探頭上，工作時(shí)隨著超聲探頭的移動(dòng)，定位系統(tǒng)能給出探頭位置與指向的六自由度參數(shù)，在連續(xù)采集過(guò)程結(jié)束后，就可以得到一系列帶有空間位置信息的超聲圖像數(shù)據(jù)。

在獲得圖像信息和空間位置信息之后，將圖像信息和空間位置信息結(jié)合進(jìn)行三維重建；重建過(guò)程中，根據(jù)每幅超聲平面的三維定位數(shù)據(jù)及定位系統(tǒng)中接收器與超聲探頭的關(guān)系得到該平面在世界坐標(biāo)系中的位置，坐標(biāo)關(guān)系由三維定位傳感器給出，同時(shí)將不規(guī)則采集得到的超聲圖像上的每個(gè)象素放到相應(yīng)的空間晶格位置上形成三維超聲圖像。

操作的隨意性使得所采集到的二維圖像在空間上排列是不規(guī)則的，再加上超聲成像的一些固有局限性，給系統(tǒng)帶來(lái)了如下問(wèn)題：1)三維非標(biāo)準(zhǔn)晶格數(shù)據(jù)到三維標(biāo)準(zhǔn)晶格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化；2)空間未被采樣點(diǎn)位置隨機(jī)性導(dǎo)致的插補(bǔ)問(wèn)題；3)重復(fù)采樣導(dǎo)致過(guò)采樣點(diǎn)的灰度處理問(wèn)題；4)采樣密度的選取問(wèn)題；5)回聲失落問(wèn)題。

解決上述問(wèn)題采用的方法：1)二維數(shù)據(jù)到三維體積數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中用最近鄰相靠法來(lái)保證足夠的精度；2)三維體積數(shù)據(jù)的插補(bǔ)可由空間域卷積運(yùn)算得到較好的效果；3)不規(guī)則采樣時(shí)超聲探頭的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度應(yīng)加以限制；4)過(guò)采樣點(diǎn)的灰度可選取該點(diǎn)上所有灰度的最大值；5)回聲失落問(wèn)題的解決方法是進(jìn)行多角度多方位重復(fù)采樣。

經(jīng)過(guò)三個(gè)坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換，將超聲平面坐標(biāo)系上的點(diǎn)轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系上；得到圖像上點(diǎn)的世界坐標(biāo)之后，為了更直觀(guān)的觀(guān)察冰形，還需要將坐標(biāo)表示在三維晶格上，為了方便三維數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)、讀取、運(yùn)算，所生成的晶格為整數(shù)坐標(biāo)晶格；取三方向刻度間隔均為1 mm，晶格為一立方體，只需得到晶格的兩個(gè)對(duì)角頂點(diǎn)，整個(gè)晶格的大小、形狀、空間位置就可確定。

首先在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，通過(guò)初始測(cè)量，估計(jì)出世界坐標(biāo)最大值與最小值的范圍，放在相應(yīng)的定位數(shù)據(jù)中；在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，分別計(jì)算每幅二維圖像4個(gè)頂點(diǎn)的世界坐標(biāo)，并與初始估計(jì)的范圍比較，得到最終所有數(shù)據(jù)中世界坐標(biāo)值的最大點(diǎn)和最小點(diǎn)，以這兩點(diǎn)作為J點(diǎn)和K點(diǎn)，從而確定數(shù)據(jù)晶格；在晶格分辨率、大小確定后，將每幅圖像上的象素點(diǎn)經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后減去晶格起始點(diǎn)，再以最近鄰相靠的辦法將它們逐一放到晶格上。

當(dāng)同一晶格點(diǎn)上有多個(gè)投影象素點(diǎn)時(shí)，采用取其中最大值的方法得到最終灰度值，在所有二維圖像均放置到三維晶格上后，以空域18點(diǎn)濾波法對(duì)三維晶格數(shù)據(jù)做濾波處理，生成最終的三維超聲體積圖像。

由于陣列換能器與超聲波接收儀的工作溫度一般在10°C以上，而安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段駐室的環(huán)境溫度在-20°C左右，因此，設(shè)備的低溫防凍保護(hù)措施尤為重要，裝置中采用絕熱、絕水材料制成的保護(hù)套對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行防水、低溫防凍保護(hù)。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的技術(shù)原理，應(yīng)被理解的本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例，凡是不脫離本發(fā)明所公開(kāi)的精神下完成的等效或修改都落入本發(fā)明保護(hù)范圍。