本发明涉及一种使用超声波波从物体的近端外表面检查物体的内部材料的方法。本发明还涉及一种用于执行该方法的系统以及该系统的使用。
背景技术：
1、使用超声波从物体的近端表面检查物体的内部材料的方法是已知的。这种方法用于例如焊缝的检查。在这种方法的背景下，一个已知的命题被称为逆波场外推(inversewave field extrapolation，iwex)。在iwex中，检测到的波场可以从接收到的信号追溯到其来源的位置，特别是由于提供给物体的超声波的反射和/或衍射而产生的虚拟源的位置。在检查焊缝(例如管道或板的焊缝)的情况下，虚拟源可以是焊接缺陷的位置。接收信号是逆波场外推的起点。基于接收到的信号，可以对时间进行数学反演。利用逆波场理论，将检测到的波场追溯到其来源的位置，即虚拟源的位置。波动理论既考虑了信号的振幅，也考虑了信号的延迟时间。对测量的波场进行追溯的过程称为逆波场外推。
2、实际上，这可能意味着对于在物体外部的位置x上的接收信号，及时计算接收到的信号的哪一部分可能是由物体内部的位置y上的反射和/或衍射引起的。信号的这一部分由其振幅和相位来表征。因此，在该计算中，考虑了接收到的信号的振幅、相位和到达时间(用于计算信号的哪一部分可能属于位置y)。对于每个接收到的信号，计算信号的属于位置y的这一部分。将接收到的信号的属于位置y的部分(以振幅和相位表示)相加，以获得位置y的特征值(例如也以振幅和相位表示)。在物体内，对多个位置y、y’、y”等执行该过程。所有这些位置的组合结果(所有特征值)为制作物体的内部图像提供了基础。每个位置y、y’、y”等可以例如由图像的像素表示，其中，例如像素的强度或颜色对应于特征值的振幅。
3、wo2005/068995、ep2565643和wo2018/208151提供了关于iwex的进一步背景信息。
4、虽然iwex能够进行非常详细的检查，但缺点是它可能需要相对大的存储空间和处理时间，这在该领域的移动应用程序的情况下尤其重要，因为这些移动应用程序通常需要紧凑、轻便的设备和快速的结果。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种更有效的基于iwex的方法，该方法使用超声波从物体的近端表面检查物体的内部材料。一种目的是提供这样一种方法，该方法需要更少的存储空间和/或处理时间，特别是同时提供关于内部材料的至少基本相同的相关信息。一种目的是至少提供一种替代方案。
2、本发明的一个方面提供了一种使用超声波从物体的近端表面检查物体的内部材料的方法。
3、作为步骤a.，该方法包括通过预先确定的超声波发射器组中的至少第一超声波发射器将至少第一超声波信号发射到物体的内部材料，其中，在物体的内部材料中发生第一超声波信号的反射和/或衍射。
4、作为步骤b.，该方法包括使用预定超声波接收器组中的多个超声波接收器接收来自物体的内部材料的第一超声波信号的反射和/或衍射，该多个超声波接收器在分布在物体的近端表面的至少一个维度上的位置处在声学上联接到物体的近端表面，其中，对于多个超声波接收器中的每一个超声波接收器，根据接收到的来自物体的内部材料的至少第一超声波信号的反射和/或衍射产生接收信号。
5、作为步骤c.，该方法包括组合处理由多个超声波接收器产生的接收信号，以根据逆波场外推的原理确定在物体的内部材料中的何处发生了所发射的第一超声波信号的反射和/或衍射。
6、该处理基于预定的感兴趣区域处的位置的至少一个预定虚拟网格，该预定的感兴趣区域包括物体的内部材料的一部分，至少一个虚拟网格中的每一个虚拟网格沿一系列网格线被限定，该一系列网格线沿各自的方向延伸，这些方向中的至少第一方向对应于从至少第一超声波发射器到多个超声波接收器中的一个或多个的超声波行进时间的空间梯度的至少近似局部方向。
7、已经发现，该处理因此可以变得更有效，特别是变得更快和/或减少存储空间需求，同时仍然提供与已知的方法基本相同的关于内部材料的相关信息。在已知的方法中，该处理通常基于与这种行进时间梯度不对齐的位置的笛卡尔网格。
8、特别地，已经发现该处理因此可以变得更有效，因为该处理仅沿网格线执行过滤操作就足够了，因此基本上是在一个维度中，而不是在已知的笛卡尔网格的情况下通常需要的二个维度中。
9、优选地，这些方向中的第一方向对应于相对于虚拟网格和/或相对于感兴趣区域居中布置的网格线。
10、优选地，对于至少一个虚拟网格中的至少一个虚拟网格，网格线的所述各自的方向中的至少一个方向(优选地每一个方向、另外一个方向)对应于从至少第一超声波发射器到多个超声波接收器中的一个或多个超声波接收器的超声波行进时间的空间梯度(例如所述空间梯度)的各自的至少近似局部方向。
11、以这种方式，该处理可以变得特别有效。然后，这种虚拟网格可以例如被限定为极坐标网格，特别是具有在预定的感兴趣区域之外的参考点的极坐标网格。
12、替代性地或附加地，对于至少一个虚拟网格中的至少一个虚拟网格，网格线的所述各自的方向中的至少一个方向(优选地每一个方向、另外一个方向)可以平行于各自的所述第一方向。
13、已经发现，以这种方式，该处理仍然可以比已知的方法更有效。然后，这种虚拟网格可以例如被限定为矩形网格，特别是对于矩形的不同尺寸，在网格位置之间具有不同的间距。这种矩形网格可以以各种方式定向，例如，使得网格线中的一条(例如中心的一条)网格线基本上与上述行进时间梯度的局部方向对齐。
14、可选地，至少一个虚拟网格中的至少一个虚拟网格(优选地每一个虚拟网格)的至少一条各自的网格线在使用过程中与声音传播的局部主方向成一角度延伸。
15、替代性地或附加地，至少一个虚拟网格可以包括虚拟网格，该虚拟网格的各自的网格线中的至少一条网格线(优选地每一条网格线)在多个超声波接收器和/或至少第一超声波发射器在声学上联接到近端表面的区域中不相交。
16、已经发现，有利地，虚拟网格因此可以更好地适应于实现对于不同情况、特别是考虑不同反射的不同模式的有效处理。
17、如上所述，优选地，将至少一个滤波器应用于该处理的结果，至少一个滤波器仅在沿网格线的一个或多个方向上应用，特别是不在横跨网格线的任何方向上应用。
18、这种虚拟网格的网格线可以在共同的相交区处相交，例如在共同的相交点处相交。因此，在这种情况下，网格线相互不平行。共同的相交区或共同的相交点优选地位于预定的感兴趣区域之外，特别是与预定的感兴趣区域间隔开。对于至少一个虚拟网格中的至少一个虚拟网格，非平行网格线优选地不在预定的感兴趣区域内相互交叉。非平行网格线可以特别是在感兴趣区域处一起限定出扇形形状、区段形状、饼形状、环形区段形状、梯形形状等。非平行网格线之间的角间距可以是规则的或不规则的。
19、在虚拟网格中，可以例如在网格线中的多条(例如每一条)网格线的可选择的共同的相交区或共同的相交点的对应距离处沿网格线以规则或不规则的间隔来限定位置。沿网格线的位置之间的间距可以小于、大于或等于横跨网格线的位置之间的间距。
20、优选地，在至少一个虚拟网格中的至少一个(更优选地每一个)虚拟网格中，至少在各自的虚拟网格的一个区域(优选地整个各自的虚拟网格)中，沿网格线的位置之间的间距小于横跨网格线的位置之间的间距。
21、虚拟网格可以在整个感兴趣区域上延伸，也可以不在整个感兴趣区域上延伸，并且可以可选地延伸到感兴趣区域之外。优选地，虚拟网格在感兴趣区域的至少大部分上延伸。优选地，虚拟网格的位置的至少大部分处在感兴趣区域内。虚拟网格可以包括材料之外的位置。将感兴趣区域之外和/或材料之外的位置包括在虚拟网格中可以有助于简化计算和/或以其他方式使处理更有效。
22、可选地，预定的感兴趣区域是非矩形的，例如预定的感兴趣区域具有梯形形状或环形区段形状。这种形状在作为应用的焊接检查的情况下可能特别合适。替代性地，感兴趣区域可以是不同形状的，例如感兴趣区域具有矩形形状。
23、优选地，至少一个预定虚拟网格包括多个(诸如两个、三个、四个、五个、六个、七个或八个)相互不同的预定虚拟网格，特别是对于不同网格中的每一个具有不同的网格线。
24、不同的网格可以对应于不同的行进时间梯度，这些不同的行进时间梯度与至少第一发射器和多个接收器之间的超声波信号的不同的可能的行进路径相关联。这种不同的行进路径特别地可以与内部材料中的超声波信号的可能的反射和/或衍射相关联，这将在本说明书的其他地方进一步解释。
25、例如，该处理中的至少一些可以分别基于不同网格中的每一个网格来执行，然后来自每一个网格的结果可以组合(例如叠加)成该处理的总体结果。这种组合可以包括将来自每一个网格的一些或全部结果转换成共同的网格。共同的网格可以例如对应于不同的网格中的一个网格，或对应于笛卡尔网格。因此，基于至少一个预定虚拟网格的该处理的结果随后可以被转换(特别是内插)成以矩形网格(特别是笛卡尔网格)表示的结果。
26、可选地，至少一个虚拟网格包括虚拟网格，该虚拟网格的各自的网格线具有共同的相交区(例如共同的相交点)，该共同的相交区处在多个超声波接收器和/或至少第一超声波发射器在声学上联接到近端表面的区域之外，特别是与该区域间隔开。
27、有利地，以这种方式，改进的处理可以适应各种各样的超声波行进路径，包括在物体的边界处发生一次或多次反射的情况，和/或接收器与至少第一发射器基本上间隔开的情况。
28、如果至少一个虚拟网格包括多个网格，则对于不同网格中的多个(例如每一个)网格，共同的相交区或共同的相交点可以是不同的。
29、这种共同的相交区或共同的相交点可以位于物体的近端表面处或位于物体的近端表面附近。
30、对于感兴趣区域，这种共同的相交区或共同的相交点可以超出多个超声波接收器和/或至少第一超声波发射器在声学上联接到近端表面的位置之外。
31、如果物体设置有至少一个预定反射表面，则这种共同的相交区或共同的相交点可以位于至少一个预定反射表面处或位于至少一个预定反射表面附近。替代性地或附加地，对于物体的近端表面，这种共同的相交区或共同的相交点可以超出至少一个预定反射表面之外。
32、共同的相交区或共同的相交点可以在物体内。替代性地或附加地，共同的相交区或共同的相交点可以处在物体之外，特别是处在与多个超声波接收器和/或至少第一超声波发射器在物体的近端表面的同一侧处。
33、感兴趣区域可以沿外表面和/或沿至少一个预定反射表面限定一范围。共同的相交区或共同的相交点则可以处在所述范围之外，特别是与多个超声波接收器和/或至少第一超声波发射器处在所述范围的同一侧处。替代性地或附加地，共同的相交区或共同的相交点可以处在所述范围内，优选地居中地处在所述范围内。
34、替代性地或附加地，共同的相交区或共同的相交点可以位于多个超声波接收器和/或至少第一超声波发射器在声学上联接到近端表面的区域中，特别是相对于所述区域居中。
35、位置的至少一个虚拟网格可以以各种方式预先确定，例如基于以下中的一个或多个：预定的感兴趣区域的一个或多个特性，特别是一个或多个位置；网格线之间的预定的间距，例如角间距；沿网格线的位置之间的预定的间距；至少第一超声波发射器的位置；多个超声波接收器的位置；物体的反射表面的位置；至少第一超声波信号的频率和/或波长；物体的内部材料的声速；以及一种材料的声速，该材料存在于一方面物体的内部材料和另一方面至少第一超声波发射器和多个超声波接收器中的一个或多个之间。
36、可选地，基于从至少第一超声波发射器到多个超声波接收器中的一个或多个的超声波行进时间的空间梯度的估计来预先确定位置的至少一个虚拟网格。所述估计可以基于以下各项中的至少一项：所述梯度的数值近似，该梯度的数值近似基于在待估计的梯度的局部区域中的不同位置处的超声波行进时间的计算；以及从至少第一超声波发射器到梯度的局部区域的超声波行进路径的方向和从所述局部区域到多个超声波接收器的超声波行进路径的方向。有利地，这种虚拟网格可以，例如在该区域的材料中的缺陷处或在反射表面处，与感兴趣区域中的可选择的波模式转换相结合使用。关于波模式转换的更多信息，读者请参考wo2018/208151。
37、因此，该方法可以包括估计超声波行进时间的这种空间梯度。在一些示例中，为了简化计算，由超声波接收器形成的阵列的中心被用作估计相对于接收器中的多个(例如每一个)接收器的上述梯度的参考位置。替代性地，例如，可以考虑不同接收器的各自的不同位置。
38、如上所述，至少一个虚拟网格的特定网格可以对应于与至少第一发射器和多个接收器之间的超声波信号的特定可能行进路径相关联的行进时间梯度。这种行进路径特别是在材料的一个或多个边界处或在一个或多个其他反射表面处特别地可以与超声波信号的特定反射或反射的缺失相关联。
39、例如，如果物体设置有至少一个预定反射表面，那么如果在步骤b.中，由于在第一预定位置处的反射和/或衍射而接收到超声波，则接收到的信号的至少一部分可能没有在物体内在至少一个预定反射表面上反射。
40、替代性地或附加地，如果在步骤b.中，由于在步骤a.中所发射的超声波在第一预定位置处的反射和/或衍射而接收到超声波，则在超声波信号到达预定位置之前，接收到的信号的至少一部分已经在物体内在至少一个预定反射表面上反射。
41、替代性地或附加地，如果在步骤b.中，由于在步骤a.中所发射的超声波在第一预定位置处的反射和/或衍射而接收到超声波，则在超声波信号到达第一预定位置之后，接收到的信号的至少一部分已经在物体内在至少一个预定反射表面上反射。
42、在步骤c.中，优选地分别根据不同的模式来处理接收信号，其中，所述模式中的每一种通过是否考虑在至少一个预定反射表面上的至少一次反射以及如果考虑则考虑在至少一个预定反射表面上的至少一次反射中的哪些反射来确定，从而使用相同的接收信号根据不同的模式分别对接收信号进行处理。
43、根据不同模式的处理可以特别地包括根据模式使用至少一个虚拟网格中的不同网格。
44、优选地，在步骤c.中，根据多种不同的模式、特别是对于不同模式中的每一种使用不同的虚拟网格来对接收信号进行处理。
45、根据不同模式的处理的各自的结果随后组合成总体结果，特别是叠加成总体结果。这种叠加可以特别地涉及从不同模式中获取最大振幅值(例如与这种振幅值的总和相反)。
46、使用本文中所描述的虚拟网格可以提供这样的优点，即基于在声学上可以被覆盖的区域，只有相关部分可以包括在图像计算中。虚拟网格可以这样设计，即一个方向与增加行进时间的方向对齐，另一个方向与角变化对齐。这种方法能够沿这两个方向使用不同的采样密度。
47、当使用虚拟网格进行逆波场外推并针对不同模式中的每一种使用不同的虚拟网格时，虚拟网格中的位置的数量可以针对每一种特定模式进行优化。由于分辨率通常沿横向于行进时间梯度的方向(例如，在具有共同的相交点或共同的相交区的网格线的情况下的角方向)显著较低，因此可以减少位置的数量，并因此减少处理要求。根据所使用的一种或多种模式，与全笛卡尔网格相比，这可以将逆波场外推的虚拟网格中的位置的数量减少到10％到50％。这种减少可以对采集和后续处理(提高速度)、原始扫描数据的存储(减少体积)和反向计算(减少位置)产生积极影响。后处理滤波器(诸如带通、整流和细化)只能在深度方向上应用。这简化了处理链，并能够对该部分进行加速。
48、应当理解，可以预先确定至少一个虚拟网格(即在发射和接收超声波信号之前)，因此能够以高速率执行数据收集和处理。
49、应当理解，可以根据对所研究的物体的要求来优化至少一个虚拟网格中的位置之间的相互距离。
50、另一方面提供了一种用于执行本文中所描述的方法的系统。该系统包括一组发射器、一组接收器和控制器，该控制器通信地连接到该一组发射器和该一组接收器，其中，控制器被配置成执行该方法的步骤c.。
51、可选地，控制器还被配置成执行该方法的步骤a.和/或步骤b.。
52、系统还可以包括用户界面，该用户界面被配置成从用户获得用户输入，其中，位置的至少一个虚拟网格的预先确定至少部分地基于用户输入。
53、另一方面提供了本文中所描述的、用于执行本文中所描述的方法的系统的使用。
54、应当理解，针对该方法提到的所有特征和选项同样适用于系统和使用，反之亦然。还将清楚的是，可以组合上述方面、特征和选项中的任何一个或多个。
1.一种使用超声波从物体的近端表面检查物体的内部材料的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于所述至少一个虚拟网格中的至少一个虚拟网格，所述网格线的所述各自的方向中的至少一个方向，优选地每一个方向、另外一个方向，对应于从所述至少第一超声波发射器到所述多个超声波接收器中的一个或多个超声波接收器的超声波行进时间的空间梯度的、例如所述空间梯度的各自的至少近似局部方向。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对于所述至少一个虚拟网格中的至少一个虚拟网格，所述网格线的所述各自的方向中的至少一个方向，优选地每一个方向、另外一个方向，平行于各自的第一方向。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对于所述至少一个虚拟网格中的至少一个虚拟网格，所述网格线在所述预定的感兴趣区域内不相互交叉。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个虚拟网格中的至少一个虚拟网格的、优选地每一个虚拟网格的至少一条各自的网格线在使用过程中与声音传播的局部主方向成一角度延伸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少一个预定虚拟网格包括多个相互不同的预定虚拟网格，特别是对于不同的网格中的每一个网格具有不同的网格线。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个虚拟网格包括虚拟网格，所述虚拟网格的各自的网格线中的至少一条网格线、优选地每一条网格线在所述多个超声波接收器和/或所述至少第一超声波发射器在声学上联接到所述近端表面的区域中不相交。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个虚拟网格包括虚拟网格，所述虚拟网格的各自的网格线具有共同的相交区，所述共同的相交区处于所述多个超声波接收器和/或所述至少第一超声波发射器在声学上联接到所述近端表面的区域之外，特别是与所述区域间隔开。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个虚拟网格包括虚拟网格，所述虚拟网格的各自的网格线在所述物体的近端表面处具有共同的相交区，
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述物体设置有至少一个预定反射表面，其中，所述至少一个虚拟网格包括虚拟网格，所述虚拟网格的各自的网格线在所述至少一个预定反射表面处具有共同的相交区。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述物体设置有至少一个预定反射表面，其中，所述至少一个虚拟网格包括虚拟网格，所述虚拟网格的各自的网格线具有共同的相交区，所述共同的相交区相对于所述物体的近端表面超出所述至少一个预定反射表面之外，
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述物体设置有至少一个预定反射表面，其中，所述至少一个虚拟网格包括虚拟网格，所述虚拟网格的各自的网格线具有共同的相交区，所述共同的相交区处在所述物体之外，与所述多个超声波接收器和/或所述至少第一超声波发射器在所述近端表面的同一侧处，
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述物体设置有至少一个预定反射表面，其中，所述至少一个虚拟网格包括虚拟网格，所述虚拟网格的各自的网格线具有共同的相交区，所述共同的相交区相对于所述物体的近端表面超出所述至少一个预定反射表面之外，
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个虚拟网格包括虚拟网格，所述虚拟网格的各自的网格线具有共同的相交区，所述共同的相交区处在所述物体之外，与所述多个超声波接收器和/或所述至少第一超声波发射器处在所述物体的所述近端表面的同一侧处，
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个虚拟网格包括虚拟网格，所述虚拟网格的各自的网格线在所述物体的所述近端表面处具有共同的相交区，
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于所述至少一个预定虚拟网格的所述处理的结果随后被转换成、特别是被内插成以矩形的网格表示的结果、特别是以笛卡尔网格表示的结果。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述至少一个虚拟网格中的至少一个虚拟网格、优选地每一个虚拟网格中，至少在各自的虚拟网格的一个区域中、优选地在整个各自的虚拟网格中，沿所述网格线的位置之间的间距小于横跨所述网格线的位置之间的间距。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将至少一个滤波器应用于所述处理的结果，所述至少一个滤波器仅在沿所述网格线的一个或多个方向上应用，特别是不在横跨所述网格线的任何方向上应用。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述预定的感兴趣区域是非矩形的，例如所述预定的感兴趣区域具有梯形形状。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，位置的所述至少一个虚拟网格基于以下各项中的至少一项来预先确定：
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，位置的所述至少一个虚拟网格基于从所述至少第一超声波发射器到所述多个超声波接收器中的一个或多个超声波接收器的超声波行进时间的空间梯度的估计来预先确定，所述估计优选地基于以下各项中的至少一项：
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述物体设置有至少一个预定反射表面，其中，如果在步骤b.中由于在第一预定位置处的反射和/或衍射而接收到超声波，则接收到的信号的至少一部分没有在所述物体内在所述至少一个预定反射表面上反射。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述物体设置有至少一个预定反射表面，其中，如果在步骤b.中由于在步骤a.中所发射的超声波在所述第一预定位置处的反射和/或衍射而接收到所述超声波，则在超声波信号到达预定位置之前，接收到的信号的至少一部分已经在所述物体内在所述至少一个预定反射表面上反射。
24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果在步骤b.中由于在步骤a.中所发射的超声波在所述第一预定位置处的反射和/或衍射而接收到所述超声波，则在超声波信号到达所述第一预定位置之后，接收到的信号的至少一部分已经在所述物体内在所述至少一个预定反射表面上反射。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，其中，在步骤c.中，分别根据不同的模式来处理所述接收信号，其中，所述模式中的每一种模式通过是否考虑在所述至少一个预定反射表面上的至少一次反射以及如果考虑则考虑在所述至少一个预定反射表面上的至少一次反射中的哪些反射来确定，从而使用相同的所述接收信号根据不同的模式分别对所述接收信号进行处理。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，在步骤c.中，根据多种不同的模式、特别是对于不同模式中的每一种模式使用不同的虚拟网格来对所述接收信号进行处理。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，根据不同模式的处理的各自的结果随后组合成总体结果，特别是叠加成总体结果。
28.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的系统，所述系统包括一组发射器、一组接收器和控制器，所述控制器通信地连接到所述一组发射器和所述一组接收器，其中，所述控制器被配置成执行所述方法的步骤c.。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述控制器还被配置成执行所述方法的步骤a.和步骤b.。
30.根据权利要求28或29所述的系统，所述系统还包括用户界面，所述用户界面被配置成从用户获得用户输入，其中，位置的所述至少一个虚拟网格的预先确定至少部分地基于所述用户输入。
31.使用根据权利要求28至30中任一项所述的系统来执行根据权利要求1至27中任一项所述的方法。
