与DAS等传统的超声内镜成像算法相比,SA算法成像质量好,图像分辨率高,但同时其运算过程也更为复杂,且需要对大量回波数据进行处理。如果采用传统的串行计算模式进行运算,那么该算法的实现过程将会非常耗时,系统的实时性无法保证。相控阵超声内镜发射系统由发射电路、选通电路及限幅电路三部分组成,其主要作用是通过脉冲激励、阵元选通,完成超声波信号的相控发射,实现对被测物体的合成孔径扫描。该系统以FPGA为控制核心,其中,发射电路的主要作用是产生带有延时的高压激励脉冲;选通电路采用4块MAX4968芯片,通过电路复用的方式,实现激励脉冲的16路转64路阵元选通,以激励超声换能器阵元产生超声波;限幅电路通过并联限幅的方式将电压钳制在±7V的范围内,消除了高压激励脉冲对后端接收系统的影响,保证回波信号能够几乎无衰减的进行接收与传输因此,为了能够快速实现SA算法,本文基于CUDA并行计算平台对SA算法作如下并行化处理分析:具体实现流程本文采用“CPU+GPU”的联合编程模式。其软件架构为“MATLAB+CUDA”的混合编程架构。其中,CPU端主要使用MATLAB进行回波数据的读取及最终结果的显示;GPU端使用CUDA编程计算平台完成SA算法的并行化处理。具体的实现流程如图4-5所示。首先,在CUDA中使用cudaMalloc()函数为待处理的回波数据分配全局内存;然后,通过调用cudaMemcpy()函数完成回波数据的传输,需要注意的是,在使用该函数时,要将最后一个参数设置为“cudaMemcpyHostToDevice”,以确保数据的传输方向是从CPU至GPU;通过使用两个核(kernel)函数,分别完成低分辨图像的求解和高分辨率图像的合成,其中,使用__shared__关键字为权值函数开辟共享内存;接下来,再次使用cudaMemcpy()函数,使处理后的结果自GPU传输至CPU,此时该函数的最后一个参数应设置为“cudaMemcpyDeviceToHost”;最后,释放显存空间,并在主机端对重构的高分辨率图像进行显示。为了验证上述提出方法的可行性,本文基于Field II 软件对SA算法的并行实现过程进行了仿真验证。Field II是一款由丹麦技术大学Jensen教授团队开发的仿真工具,专门应用于医学超声成像等领域[5]。在进行验证实验之前,首先需要使用Field II软件搭建一个医用相控阵超声内镜的仿真系统,该系统主要参数的设置与本文设计的相控阵超声内镜系统一致。对于超声换能器探头而言,常用的脉冲激励方式有单脉冲激励和编码激励两种。其中,单脉冲激励方式是指使用持续时间较短的单个脉冲对换能器阵元进行激励,采用这种激励方式获取的超声图像纵向分辨率高,但是由于是单脉冲且持续时间较短,因此发射能量较小,传播距离受限;编码激励方式是指采用具有一定编码序列的多个脉冲对换能器阵元进行激励,采用这种方式虽然能够增加激励时间、提高发射能量,但是降低了成像分辨率,且电路设计较为复杂,回波需要按照特定方式进行脉冲压缩结合搭建的仿真系统进行仿真验证,具体步骤如下: 在成像空间中设置7个成像散射点,并将这些散射点等间隔排布在25-55mm的轴向距离范围内; 利用本文所设计的方法,对这7个散射点进行合成孔径成像; 将成像结果进行显示,观察成像散射点的位置,判断其是否与预先设置一致。实验结果如图7所示。图中原点位置为超声换能器阵列中心所在位置,所测猪皮组织由a,b两部分组成。其中,a部分尺寸约为5mm×2mm,b部分尺寸约为3mm×2mm。从成像结果中可以很明显地分辨出a、b两个部分,且猪皮组织的成像结果与实际尺寸形状基本一致。上述两个成像实验的结果均与实际情况相符,证明了相控阵超声内镜实时成像系统的可行性与高效性。从图中可以看出,7个散射点依次排列在25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm的轴向位置,以5mm间隔等间隔分布,实验结果与预先设置一致,验证了本文提出方法的可行性。
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地质雷达在水利工程质量检测中的应用1 前言 地质雷达作为近十余年来发展起来的地球物理高新技术方法,以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图象显示等优点,备受广大工程技术人员的青睐。现已成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、水文地质调查、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查、文物及考古探测等众多领域,取得了显著的探测效果和社会经济效益,并在工程实践中不断完善和提高,必将在工程探测领域发挥着愈来愈重要的作用。而地质雷达技术用于堤防隐患的探测尚属初步阶段,通过广大物探技术人员的共同努力,达到了解和掌握不同隐患类型在雷达图像上的反映特征,在不断总结探测经验的基础上,提高异常的判断能力和精度,较确切地推定堤防工程隐患的性质和位置,以便指导有关管理单位加强堤防工程重点部位的维护和防范,提高和巩固堤防工程的运行周期和防洪能力。本文以永定河堤防工程护砌质量检测为实例,说明地质雷达技术在堤防工程探测中的应用情况,以此与同行进行切磋,推动堤防工程探测技术的发展,不妥之处,敬请批评指正。2 基本原理地质雷达与探空雷达相似,利用高频电磁波(主频为数十数百乃至数千兆赫)以宽频带短脉冲的形式,由地面通过发射天线(T)向地下发射,当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射,并返回地面,被放置在地表的接收天线(R)接收,并由主机记录下来,形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时,其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此,根据接收到的电磁波特征,既波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度、频率和波形等,通过雷达图像的处理和分析,可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征。雷达波(电磁波)在界面上的反射和透射遵循Snell定律。实际观测时,由于发射天线与接收天线的距离很近,所以其电磁场方向通常垂直于入射平面,并近似看作法向入射,反射脉冲信号的强度,与界面的反射系数和穿透介质的衰减系数有关,主要取决于周围介质与反射目的体的电导率和介电常数,对于以位移电流为主的介质,既大多数岩石介质属非磁性、非导电介质,常常满足σ/ωε<<1,于是衰减系数(β)的近似值为:既衰减系数与电导率(σ)及磁导率(μ)的平方根成正比,与介电常数(ε)的平方根成反比。而界面的反射系数为:式中Z为波阻抗,其表达式为:显然,电磁波在地层中的波阻抗值取决于地层特性参数和电磁波的频率。由此可见,电磁波的频率(ω=2πf)越高,波阻抗越大。对于雷达波常用频率范围(25~1000MHz),一般认为σ<<ωε,因而反射系数r可简写成:上式表明反射系数r主要取决于上下层介电常数差异。应用雷达记录的双程反射时间可以求得目的层的深度H:式中:t为目的层雷达波的反射时间;c为雷达波在真空中的传播速度(3m/ns);εr为目的层以上介质相对介电常数均值。3 工程概况北京市界内永定河左、右堤防于清朝乾隆年间修筑,后经数次维修和加固形成现有规模,主体为梯形,顶宽约10m,可见堤高约5~6m,堤内坡坡度为1:5~1:0,外坡相对较缓为1: 0~1: 5。堤身为人工堆积,主要由粉细砂(中下游段)、卵砾石(上游段)组成。介质构成复杂多变,分布不均,且处于包气带中,极为干燥。堤基为第四系全新统地层,岩性以粉细砂为主,下游段出现黑色淤泥质粘土夹层,层厚约7~0m。地下水位埋深(自地表计):卢沟桥附近约0m,至下游逐渐变浅,达省/市界附近(石佛寺)一带约0m。永定河卢沟桥下游至省/市界左、右堤防共划定险工段12处23段,分布在左堤约60Km和右堤约30Km范围内,其险工段内坡为浆砌石(厚约40cm——原设计标准)结合铅丝石笼构成的护砌,并于1964~1989年间营建,浆砌石护坡除可见堤身部分露出外,其余部分与铅丝石笼水平护底均埋于河滩滩地以下,一般为0~0m,外铺0m的铅丝石笼护底。这些险工段在历史上均有决口或抢险加固的记载。为满足北京市对永定河防洪设计的需要,保证该堤防渡汛万无一失,故进行地球物理勘探工作,以检测堤防工程的护砌质量,便于99年6月份之前进行加固处理。4 测试技术及资料处理为判断险工段堤内坡护险浆砌石质量的优劣,沿内坡坡脚布置一条雷达探测剖面,并按其走向连续测试。外业施测使用瑞典MALA地质仪器有限公司生产的RAMAC/GPR地质雷达系统,天线的中心频率为250MHz,收发天线的间距为6m。实测采用剖面法,且收发天线方向与测线方向平行。记录点距为2m,采样频率为3893MHz,单一记录迹线的采样点数为512,迭加次数为16,记录时窗为180ns,若取堤身土体的雷达波速为08~10m/ns,表层浆砌石的雷达波速为10~12m/ns,综合考虑该地层剖面特征,选取雷达波速中值为10m/ns,则此时该雷达系统的最小纵向分辨率为8~10cm。雷达资料的数据处理与地震反射法勘探数据处理基本相同,主要有:①滤波及时频变换处理;②自动时变增益或控制增益处理;③多次重复测量平均处理;④速度分析及雷达合成处理等,旨在优化数据资料,突出目的体、最大限度地减少外界干扰,为进一步解释提供清晰可辨的图像。处理后的雷达剖面图和地震反射的时间剖面图相似,可依据该图进行地质解释。5 成果分析地质雷达资料的地质解释是地质雷达探测的目的。由数据处理后的雷达图像,全面客观地分析各种雷达波组的特征(如波形、频率、强度等),尤其是反射波的波形及强度特征,通过同相轴的追踪,确定波组的地质意义,构制地质——地球物理解释模型,依据剖面解释获得整个测区的最终成果图。地质雷达资料反映的是地下地层的电磁特性(介电常数及电导率)的分布情况,要把地下介质的电磁特性分布转化为地质分布,必须把地质、钻探、地质雷达这三个方面的资料有机结合起来,建立测区的地质——地球物理模型,才能获得正确的地下地质结构模式。雷达资料的地质解释步骤一般为:⑴ 反射层拾取根据勘探孔与雷达图像的对比分析,建立各种地层的反射波组特征,而识别反射波组的标志为同相性、相似性与波形特征等。⑵ 时间剖面的解释在充分掌握区域地质资料,了解测区所处的地质结构背景的基础上,研究重要波组的特征及其相互关系,掌握重要波组的地质结构特征,其中要重点研究特征波的同相轴的变化趋势。特征波是指强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的反射波。同时还应分析时间剖面上的常见特殊波(如绕射波和断面波等),解释同相轴不连续带的原因等。下部架空时的图像,该剖面第三反射同相轴自剖面点4m处断开,形成“背斜”状的强反射层,此现象延续到剖面点8m处,此段浆砌石与下部土体分离导致架空,其范围与已知情况吻合。 通过雷达测试成果的地质解释共圈定出73处浆砌石存在不同程度的隐患或质量较差,这些隐患的类型一般为:①浆砌石厚度较薄;②浆砌石与下部土体分离形成架空;③浆砌石胶结不良或松散;④浆砌石出现裂缝等不良现象。 护砌整体质量较差的堤段多为年久失修严重,浆砌石与下部堤身土体接触差,多形成架(悬)空状态,造成护砌断裂、塌陷等不良现象较普遍,且多具一定规模。而造成上述现象存在的原因,笔者分析后认为浆砌石面存在许多缝隙,且砂浆质量差、少浆,下部又无防渗护层,堤身土体多由粉细砂组成,经降水入渗,粉细砂局部被冲刷淘失,在砌石与堤身土体之间形成空洞,并有继续扩大发展之趋势。该物探成果经开挖验证(见图4——开挖照片),完全符合客观实际,受到了甲方的赞誉。6 结语地质雷达以其高效快速、高精度在护险工程探测中能够发挥重要作用,取得了良好的应用效果,且对浅层或超浅层的工程探测中有着十分广阔的应用前景,然而地质雷达的探测深度和精度与所采用的天线频率有很大关系,天线的频率越低探测深度越大,则精度越低;而天线的频率越高,探测深度越浅,则精度越高。本次采用中心频率250MHz的天线进仅供参考,请自借鉴。希望对您有帮助。
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好录。杂志信息:《现代雷达》创刊于1979年,长期坚持“推动中国雷达技术发展,赶超世界先进水平”的办刊宗旨,全面报导国内外先进雷达技术,紧密跟踪雷达技术发展热点,关注我国具有自主知识产权的创新性研究成果,是我国雷达界最具代表性的刊物,国家中文核心期刊。运用于军用雷达、民用雷达;通信器材与设备;导航定位技术及设备、水中探测技术及设备;各种光电系统;与雷达配套的信息接收、传输技术及设备;工业军用计算机;测量仪器仪表;信号处理器件与设备;显示器件;射频、微波器件与防护服装;天线罩;光纤、电缆;可编程控制器件和可编程序控制器(PLC);传感器;各种电源以及其它各种与雷达相关的元器件、检测设备及材料等等。主要版块栏目:雷达总体工程、信号/数据处理、收发技术、微波技术、结构与工艺、计算机与雷达通讯、电子对抗技术、可靠性与维修性、科研与学术动态、厂商与产品介绍。
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