1 引言
    層析成像CT(Computed Tomography)是指通過物體外部檢測到的數(shù)據(jù)來重建物體內部(橫截面)信息的技術，又稱為計算機輔助斷層成像技術。它是把不可分割的對象假想切成一系列薄片，分別給出每一薄片上的物體圖像，然后再把該系列圖像疊加起來，從而得到物體內部圖像。它是一種由數(shù)據(jù)到圖像的重建技術，通過偽彩色圖像反映被測材料或制件內部質量，定性、定量分析其缺陷，從而提高檢測的可靠性。層析成像技術創(chuàng)新了探測物質內部結構。該技術可應用于多種能量波和粒子束，如X射線、電子質子、超聲波等。
    CT應用超聲波能量稱為超聲層析成像U-CT(Ultrasonic-Computed Tomography)。早期研究假設超聲波在物體內部以直線傳播，利用發(fā)射器到接收器之間的時間延遲或振幅衰減，重建物體內部的聲速、吸收特性等參數(shù)。但實際超聲波具有明顯的衍射特征，在界面上具有顯著的折射、衍射，因而傳播路徑復雜，這使得U-CT的理論研究和X射線層析成像(X-CT)有所不同。獲得更清晰的圖像檢測效果則成為首要問題，因此，這里提出一種超聲層析成像檢測系統(tǒng)的設計。

2 超聲CT陣列檢測方法
    針對超聲層析成像檢測中數(shù)據(jù)提取較困難的特點，為提高精度，在深入研究超聲場的特點，結合數(shù)字化技術，這里并未采用目前主流的依次排列的一線式布置方法，而是采用環(huán)繞式陣列檢測方法，如圖1所示。

    根據(jù)試件形狀，將探頭陣列按照一定次序捆綁在試件周圍，其原則是應均勻布置，這樣有利于數(shù)據(jù)處理過程中網(wǎng)格的劃分和射線追蹤。在脈沖信號的控制下，當其中一個作為發(fā)射探頭時，其余探頭作為接收探頭，各個探頭依次發(fā)射超聲波信號。探頭的個數(shù)由所測試件的大小、測量精度、網(wǎng)格劃分情況等因素決定。采取該布置方法的優(yōu)點：可實現(xiàn)任意形狀試件的檢測，具有良好的通用性；獲得較精確的檢測信息。

3 基于DSP的超聲CT成像系統(tǒng)的總體設計
    該系統(tǒng)由超聲發(fā)射接收電路、信號采集、控制電路、信號處理與顯示部分組成，如圖2所示。整個超聲CT成像檢測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)(聲時)采集、數(shù)據(jù)處理，以及圖像處理顯示3部分構成。所需設備和元件包括：若干超聲發(fā)射探頭和接收探頭；由單片機組成的脈沖控制電路；2個讀寫存儲器RAM；2個由DSP組成的數(shù)字信號處理電路(分別內置射線追蹤程序和反演迭代程序)，及DSP驅動的顯示陣列LCD。

    超聲發(fā)射裝置是由脈沖控制電路以一定周期發(fā)射超聲波，接收探頭接收信號后，通過高精度計時器得到最小走時矩陣，并存儲于存儲器1，從而完成數(shù)據(jù)采集；由存儲器1中的最小走時矩陣初步建立(假定超聲直線傳播)介質內部的慢度矩陣，南慢度矩陣按照射線追蹤得到走時路徑，存儲于存儲器2，按照存儲器1，2中的信息，經(jīng)DSP處理，完成方程求解，得到最終精確的慢度矩陣，完成該系統(tǒng)的核心功能一數(shù)據(jù)處理；重建的慢度矩陣轉化為灰度值，由DSP控制LCD顯示陣列。最后由工程技術人員對照標準的無缺陷的介質，分析試件，確定有無缺陷，缺陷的位置，大小以及嚴重情況。

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4 圖像重建算法
    實現(xiàn)超聲層析成像有正演和反演兩個基本過程。正演是反演的基礎，其模型選取與求解精度直接影響反演變精度；而反演過程實際是對問題的最優(yōu)化過程。反演方法一般分為變換重建法和級數(shù)展開法兩大類。由于級數(shù)展開法通過離散重建區(qū)域，降低原有問題的非線性，適合投影數(shù)據(jù)不夠精確、不能完全且以射線為曲線的層析成像。根據(jù)反演的理論基礎，層析成像分為以射線理論為基礎的射線層析和以波動理論為基礎的波動層析。目前CT技術從直射層析成像向彎曲射線層析成像發(fā)展。反演方法由最小二乘法發(fā)展到各種約束條件下的加權阻尼最小二乘法以及統(tǒng)計法，如最大熵法。觀測參數(shù)由單一走時數(shù)據(jù)向多參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)展。反演方法則從線性(代數(shù)重建法、聯(lián)合跌代重建法等方法)向非線性(梯隊法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法和遺傳算法等方法)方向發(fā)展。射線追蹤是確定波從激發(fā)點傳至接收點的射線路徑及其走時的主要技術。因為層析面上各點的波速不相等，波傳播的路徑是一個與材料不均勻性相關的曲線，其真實路徑未知，所以可采用射線追蹤理論求取其真實路徑。而射線追蹤算法分為向前處理與向后處理兩部分。
    (1)向前處理先計算離散網(wǎng)格模型上所有邊界點的最小走時，然后計算發(fā)射點單元所在列各單元邊界上所有離散點的最小走時。并記錄對應的次級源，接著對發(fā)射點單元所在行各單元邊界上所有點的計算與第二步相同。在求出每網(wǎng)格內局部走時的基礎上，對發(fā)射源發(fā)出的射線在整個模型上的走時相加便得到全局最小走時。
    (2)向后處理根據(jù)向前處理中得到的各單元邊界上所有計算點的最小走時及相應次級源，追蹤所有發(fā)射點到接收點間具有最小走時的射線路徑。首先求出接收點所在單元邊界上走時最小的離散點，以走時最小的離散點為新的接收點，重復上一步驟向前推，直到發(fā)射點所在單元為止。將發(fā)射點與最后的射線交點相連。即完成全部向后處理。

5 層析結果
    圖4為假設模型的網(wǎng)格分布圖，其背景區(qū)域的速度為v0=4．000 m／s，異常區(qū)(即黑色區(qū)域)速度為v1=3 000 m／s。探頭布置采用環(huán)繞方式，利用線性插值射線追蹤算法和聯(lián)合迭代重建算法得到速度層析圖像，結果如圖5所示，從圖5中可清晰發(fā)現(xiàn)低速區(qū)。因此，解決了圖像檢測中圖像清晰度不高的困擾。此設計方案可運用到各種需要利用超聲波圖像檢測的領域。

6 結論
    本文所采用的陣列檢測方法，在射線追蹤算法和SIRT重建方法的基礎上，所提取的走時數(shù)和超聲波數(shù)目大大增加，這樣在相同的迭代次數(shù)條件下，得到結果更精確，重建圖像結果更清晰準確。