本發(fā)明涉及超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高分辨率超聲掃描顯微鏡的加速處理方法。

背景技術(shù)：

超聲掃描顯微鏡主要利用不同材料對(duì)超聲波聲阻抗、對(duì)聲波的吸收以及反射的不同，來(lái)探測(cè)材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、缺陷等，可以實(shí)現(xiàn)在不破壞材料的前提下進(jìn)行檢測(cè)，可以檢測(cè)材料內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)、內(nèi)部裂紋、分層缺陷、空洞、氣泡等等。由于采用高頻(15mhz-2ghz)的超聲系統(tǒng)，超聲掃描顯微鏡具有極高的分辨率，因此特別適用于集成電路、mems、大功率電力電子器件、航空電子及材料等領(lǐng)域的失效分析及質(zhì)量控制。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多精密且體積微小的器件問(wèn)世并得到廣泛的應(yīng)用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及制作工藝復(fù)雜，缺陷尺寸僅為幾個(gè)微米甚至更小，需要采用高分辨(最高可達(dá)0.75um)的超聲掃描顯微鏡實(shí)施檢測(cè)。在掃描檢測(cè)的過(guò)程中，高分辨率的超聲掃描顯微鏡需要采集和處理海量的超聲數(shù)據(jù)，且對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，傳統(tǒng)方法難以滿足，亟待新的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決上述的技術(shù)問(wèn)題而提供一種高分辨率超聲掃描顯微鏡的加速處理方法，解決了超聲掃描顯微鏡在實(shí)現(xiàn)高分辨率掃描檢測(cè)的情況下的海量數(shù)據(jù)采集和處理的低效率造成實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種高分辨率超聲掃描顯微鏡的加速處理方法，包括步驟：

s1.設(shè)置超聲掃描參數(shù)，然后啟動(dòng)掃描；

s2.開辟兩個(gè)數(shù)據(jù)處理線程以并行方式進(jìn)行大規(guī)模超聲數(shù)據(jù)的采集和處理，數(shù)據(jù)采集通過(guò)設(shè)置專用超聲數(shù)據(jù)門的方式，使僅針對(duì)感興趣區(qū)域的超聲回波信號(hào)采集，并根據(jù)設(shè)置的掃描區(qū)域判斷是否掃描完畢，若在掃描中，則繼續(xù)數(shù)據(jù)采集，掃描結(jié)束，則進(jìn)行步驟s22；數(shù)據(jù)處理線程通過(guò)以下步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：

s21.判斷并等待采集卡緩存內(nèi)的超聲數(shù)據(jù)量是否滿足設(shè)定數(shù)據(jù)量，滿足則進(jìn)行步驟s22；不滿足則繼續(xù)等待；

s22.通過(guò)直接內(nèi)存存取dma技術(shù)高速將采集卡緩存中的超聲數(shù)據(jù)載入到內(nèi)存；

s23.對(duì)每個(gè)掃描點(diǎn)的全超聲a波形數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化，保留生成超聲掃描圖像所需預(yù)定數(shù)據(jù)；

s24.根據(jù)設(shè)置的掃描區(qū)域判斷是否掃描完畢，若在掃描中，則進(jìn)行步驟s21，掃描結(jié)束，則進(jìn)行步驟s3；

s3.將每個(gè)掃描點(diǎn)簡(jiǎn)化后的超聲數(shù)據(jù)合并，并通過(guò)設(shè)置的超聲圖像生成方式，形成相應(yīng)的超聲掃描圖像；

s4.獲取超聲圖像顯示控件的尺寸，計(jì)算超聲圖像顯示控件的尺寸與生成的大尺寸圖像之間的長(zhǎng)寬比值，通過(guò)抽樣方法將大尺寸超聲圖像轉(zhuǎn)換為控件大小再進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

所述感興趣區(qū)域?yàn)榇龗呙杵骷?nèi)部某一特定的界面區(qū)域，所述專用超聲數(shù)據(jù)門覆蓋該感興趣區(qū)域，以使該感興趣區(qū)域的超聲回波信號(hào)被采集。

步驟s21中，所述設(shè)定數(shù)據(jù)量由用戶提前設(shè)定。

所述預(yù)定數(shù)據(jù)包括如正峰值、負(fù)峰值以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間軸位置；所述超聲掃描圖像包括正峰值圖像、負(fù)峰值圖像、tof圖像以及相位圖像。

所述超聲掃描參數(shù)包括掃描區(qū)域、分辨率、焦距、超聲波接收發(fā)射模塊的增益、阻尼、重復(fù)頻率、采集數(shù)據(jù)門的位置及長(zhǎng)度、掃描方式以及超聲圖像生成方式。

所述對(duì)每個(gè)掃描點(diǎn)的全超聲a波形數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化，保留生成超聲掃描圖像所需預(yù)定數(shù)據(jù)的步驟如下：

逐一比較每個(gè)掃描點(diǎn)的數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)大小，獲得每個(gè)掃描點(diǎn)的數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)最大值與數(shù)據(jù)最小值，記錄數(shù)據(jù)最大值與數(shù)據(jù)最小值所對(duì)應(yīng)的位置。

所述專用超聲數(shù)據(jù)門采集數(shù)據(jù)的方式是，采用一個(gè)前表面門的方式鎖定被掃描器件的上表面，專用超聲數(shù)據(jù)門跟隨前表面門，則專用超聲數(shù)據(jù)門的數(shù)據(jù)采集起點(diǎn)位于待掃描器件內(nèi)部且與上表面的距離為超聲波在被掃描器件中的傳播速度與專用超聲數(shù)據(jù)門距離前表面門的時(shí)間常量的乘積。

本發(fā)明通過(guò)設(shè)置超聲掃描參數(shù)，啟動(dòng)掃描流程后，以并行方式進(jìn)行大規(guī)模超聲數(shù)據(jù)的采集和處理，在數(shù)據(jù)采集中，采用專用超聲數(shù)據(jù)門的方式定位感興趣區(qū)域的超聲回波信號(hào)，減少冗余數(shù)據(jù)量，在數(shù)據(jù)處理中通過(guò)直接內(nèi)存存取dma技術(shù)高速讀取超聲數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，針對(duì)生成的大尺寸超聲圖像，以抽樣方法實(shí)時(shí)顯示，從而實(shí)現(xiàn)了高分辨率超聲掃描顯微鏡的加速處理。

本發(fā)明其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.采用并行方式進(jìn)行超聲數(shù)據(jù)采集和處理，提高了掃描速率和實(shí)時(shí)性。

2.采用專用超聲數(shù)據(jù)門的方式，只針對(duì)感興趣區(qū)域的超聲回波信號(hào)進(jìn)行采集，減少了冗余數(shù)據(jù)的采集，提高了超聲信號(hào)的采集效率。

3.采用直接內(nèi)存存取(dma)技術(shù)高速讀取采集卡緩存中的超聲數(shù)據(jù)，不需要依賴于cpu的大量中斷負(fù)載，提高了數(shù)據(jù)的吞吐量

4.將每個(gè)掃描點(diǎn)的全超聲a波形數(shù)據(jù)段簡(jiǎn)化為一定的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，只保留了生成超聲掃描圖像所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)一步去除冗余數(shù)據(jù)。

5.對(duì)生成的大尺寸超聲圖像通過(guò)抽樣的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，減少了內(nèi)存的消耗和cpu的工作量。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明的高分辨率超聲掃描顯微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本發(fā)明高分辨率超聲掃描顯微鏡的加速處理方法的流程圖。

圖3本發(fā)明的專用超聲數(shù)據(jù)門采集示意圖。

具體實(shí)施方式

下面，結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明并不局限于所列的實(shí)施例。

參見圖1所示，如圖1所示為本發(fā)明所用的高分辨率超聲掃描顯微鏡的結(jié)構(gòu)，包括工控機(jī)、固定于高精度三維掃描機(jī)構(gòu)上的超聲波接收發(fā)射模塊、與工控機(jī)連接的ad數(shù)據(jù)采集卡，工控機(jī)根據(jù)設(shè)置的掃描區(qū)域控制高精度三維掃描機(jī)構(gòu)執(zhí)行掃描運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)上的待掃描器件的完全掃描，并實(shí)時(shí)通過(guò)ad數(shù)據(jù)采集卡采集超聲數(shù)據(jù)。在掃描中，工控機(jī)通過(guò)直接內(nèi)存存取(dma)的方式高速讀取ad數(shù)據(jù)采集卡緩存內(nèi)的超聲數(shù)據(jù)，且以并行的方式處理數(shù)據(jù)。

該方法的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示，本掃描方法是通過(guò)設(shè)置超聲掃描參數(shù)，啟動(dòng)掃描流程，以并行的方式進(jìn)行大規(guī)模超聲數(shù)據(jù)的采集和處理，在數(shù)據(jù)的采集中，采用專用超聲數(shù)據(jù)門的方式只采集感興趣區(qū)域的超聲信號(hào)，減少冗余數(shù)據(jù)量，在數(shù)據(jù)處理中，通過(guò)直接內(nèi)存存取(dma)技術(shù)高速讀取采集卡緩存內(nèi)的超聲數(shù)據(jù)，并對(duì)全超聲a波形數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，針對(duì)生成的大尺寸超聲圖像，以抽樣的方法實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)高分辨率超聲掃描顯微鏡的加速處理。具體的本掃描方法，包括以下步驟：

步驟一、設(shè)置超聲掃描參數(shù)，包括掃描區(qū)域、分辨率、焦距、超聲波接收發(fā)射模塊的參數(shù)、采集數(shù)據(jù)門的位置及長(zhǎng)度、掃描方式以及超聲圖像生成方式。

通過(guò)設(shè)置掃描區(qū)域、分辨率以及掃描方式，工控機(jī)可計(jì)算得出掃描點(diǎn)的間隔和范圍，并生成掃描路徑；超聲波接收發(fā)射模塊的參數(shù)設(shè)置是通過(guò)調(diào)焦、增益調(diào)整操作，自動(dòng)計(jì)算或者觀察超聲回波信號(hào)的波形，使得感興趣區(qū)域的信號(hào)幅值最大，即聚焦超聲波信號(hào)至該區(qū)域；專用超聲數(shù)據(jù)門的位置及長(zhǎng)度設(shè)置要保證數(shù)據(jù)門能夠覆蓋感興趣區(qū)域并能實(shí)時(shí)調(diào)整；超聲圖像的生成方式是最終處理數(shù)據(jù)的方法，如正峰值圖像、負(fù)峰值圖像、tof圖像以及相位圖像等。主要參數(shù)設(shè)置后，開啟掃描流程。

步驟二、開辟兩個(gè)數(shù)據(jù)處理線程以并行方式進(jìn)行大規(guī)模超聲數(shù)據(jù)的采集和處理，數(shù)據(jù)采集通過(guò)設(shè)置專用超聲數(shù)據(jù)門30的方式，定位感興趣區(qū)域40的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并根據(jù)步驟一中設(shè)置的掃描區(qū)域判斷是否掃描完畢，在掃描中，則繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掃描結(jié)束，則直接進(jìn)行步驟b；

專用超聲數(shù)據(jù)門采集數(shù)據(jù)的方式如圖3所示，采用一個(gè)前表面門10的方式鎖定被掃描器件的上表面20，專用超聲數(shù)據(jù)門30跟隨前表面門20，距離前表面門20的時(shí)間為常量t0，則數(shù)據(jù)采集的起點(diǎn)位于待掃描器件內(nèi)部距離上表面20為l，計(jì)算為

l＝t0*v0(1)

其中v0為超聲波在被掃描器件中的傳播速度。通過(guò)該方式能確保采集的數(shù)據(jù)為被掃描器件內(nèi)部同一層，排除了因工作臺(tái)或者被掃描器件底部不平整所引起的誤差。而檢測(cè)層的厚度計(jì)算為將專用超聲數(shù)據(jù)門的長(zhǎng)度t1代入式(1)中替換t0而得出。

其中，數(shù)據(jù)處理線程又具體包括以下步驟：

步驟a：判斷并等待ad數(shù)據(jù)采集卡緩存內(nèi)的超聲數(shù)據(jù)量是否滿足一定數(shù)據(jù)量，滿足則進(jìn)行步驟b；不滿足則繼續(xù)等待。判斷ad數(shù)據(jù)采集卡緩存內(nèi)的一定數(shù)據(jù)量是用戶提前設(shè)定的，即每次讀取的數(shù)據(jù)量可根據(jù)具體性能調(diào)整該參數(shù)。

步驟b：通過(guò)直接內(nèi)存存取(dma)技術(shù)高速將采集卡數(shù)據(jù)載入到內(nèi)存，不需要依賴于cpu的大量中斷負(fù)載，提高了數(shù)據(jù)的吞吐量。

步驟c：數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化，對(duì)每個(gè)掃描點(diǎn)的全超聲a波形數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，只保留生成超聲圖像所需要的預(yù)定的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如正負(fù)峰值、負(fù)峰值以及其相對(duì)應(yīng)的位置；

設(shè)每個(gè)掃描點(diǎn)的數(shù)據(jù)段為s[n]，即具有n個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)逐一比較每個(gè)數(shù)據(jù)大小，得出數(shù)據(jù)段的最大值smax和最小值smin，并記錄其對(duì)應(yīng)的位置nmax和nmin，篩選出來(lái)數(shù)據(jù)后，利用該篩選出來(lái)的數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出正負(fù)峰值到來(lái)的時(shí)間，以正峰值為例，采用以下式(2)可獲得正峰值到來(lái)的時(shí)間：

tmax＝t0+nmax/f(2)

其中f為采樣頻率。如此數(shù)據(jù)量由n個(gè)簡(jiǎn)化到4個(gè)，大大去除了冗余數(shù)據(jù)量。

步驟d：根據(jù)步驟一中設(shè)置的掃描區(qū)域判斷是否掃描完畢，在掃描中，則進(jìn)行步驟a，掃描結(jié)束，則進(jìn)行步驟三；

步驟三、掃描結(jié)束后，將每個(gè)掃描點(diǎn)簡(jiǎn)化后的數(shù)據(jù)合并，并通過(guò)步驟一中設(shè)置的生成圖像方式，形成相應(yīng)的超聲掃描圖像，如正峰值圖像、負(fù)峰值圖像、tof圖像以及相位圖像；

步驟四、獲取超聲圖像顯示控件的尺寸，計(jì)算超聲圖像顯示控件的尺寸與生成的大尺寸圖像之間的長(zhǎng)寬比值，通過(guò)抽樣的方法將大尺寸圖像轉(zhuǎn)換為控件大小，再進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

設(shè)超聲圖像顯示控件顯示的數(shù)據(jù)為sp[wp][lp]，生成的圖像數(shù)據(jù)為so[wo][lo]，其中l(wèi)p和wp分別為超聲圖像顯示控件顯示的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)寬尺寸，lo和wo分別為生成的圖像的長(zhǎng)寬尺寸，則超聲圖像顯示控件顯示的數(shù)據(jù)的與生成的圖像數(shù)據(jù)的生成的圖像數(shù)據(jù)長(zhǎng)寬比值分別為：

則通過(guò)抽樣的方法，可獲得超聲圖像顯示控件顯示數(shù)據(jù)為：

sp[wy][lx]＝so[floor(wy*rw)][floor(lx*rl)]

(4)

其中wy＝0,1,2,3…wp-1，lx＝0,1,2,3…lp-1，函數(shù)floor()為向下取整。

如此，生成大尺寸圖像通過(guò)抽樣的方式進(jìn)行加速顯示，減少了內(nèi)存的消耗和cpu的工作量，最終實(shí)現(xiàn)高分辨率超聲掃描顯微鏡的加速處理。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。