一种基于三维超声成像技术的风洞模型3D冰形在线测量方法
阅读：1029发布：2020-08-30
专利汇可以提供一种基于三维超声成像技术的风洞模型3D冰形在线测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 使用了一种基于三维超声成像技术的 冰 形轮廓测量方法，可用于结冰 风 洞中，飞机模型结冰实验过程中，对模型结冰生长过程中3D冰形在线测量。该方法利用超声 探头 发射超声 信号 ，同时接收回波信号并进行处理，获得二维超声图像。在采集回波信号获得二维超声图像信息的同时，利用电磁 定位 传感器 采集超声探头对应结冰模型的空间 位置 信息，然后经超声平面 坐标系 到世界坐标系之间的坐标转换，获得待测模型的三维坐标，从而进行风洞模型结冰3D冰形的 三维重建 。为了更直观的观测模型结冰生长过程中3D冰形，本发明采用三维成像技术，得到模型冰形的三维超声图像。本发明提出了一种非 接触 测量方式的冰形轮廓测量方法，与目前使用的几种结冰风洞测量方法相比，可提高实验效率和实现在线测量。，下面是一种基于三维超声成像技术的风洞模型3D冰形在线测量方法专利的具体信息内容。
1.一种基于三维超声成像技术的风洞模型3D冰形在线测量方法，其特征在于，包含如下步骤：本发明进行冰形轮廓测量的步骤包括：(1)发射超声信号，同时接收回波信号并进行处理，获得二维超声图像信息；(2)在采集回波信号获得二维图像信息的同时，利用电磁定位传感器采集相应的超声探头相对结冰模型的空间位置信息；(3)坐标转换，进行三维重建，获取三维超声图像。
2.根据权利要求1所述的基于三维超声成像技术的风洞模型3D冰形在线测量方法，其特征在于：步骤(1)中，二维超声成像步骤包括：s1、波束形成；s2、超声回波信号处理；s3、数字图像处理；
采用全数字B超进行二维超声图像的获取，用相控阵探头超声波设备发射超声波，并用扇形扫描法对待测物进行扫描；在扫描时，安装旋转扫描装置，对探头俯仰角、偏转角进行控制。
3.根据权利要求1所述的基于三维超声成像技术的风洞模型3D冰形在线测量方法，其特征在于：步骤(2)采用电磁定位传感器获取超声探头相对结冰模型的空间位置信息，在探头接收回波信号，获得二维超声图像信息的同时，采集超声探头对应结冰模型的空间位置信息，超声图像数据和定位数据通过图像采集卡和串口送给计算机，由计算机完成图像重组工作，最终得到一系列带有空间位置信息的B超图像数据。
4.根据权利要求1所述的基于三维超声成像技术的风洞模型3D冰形在线测量方法，其特征在于：步骤(3)将超声平面坐标系转换到世界坐标系，进行三维重建，同时将二维超声图像数据转换到三维晶格上形成三维超声图像；重建过程中，根据每幅超声平面的三维定位数据及定位系统中接收器与超声探头的关系得到该平面在世界坐标系中的位置；然后将不规则采集得到的超声图像上的每个象素放到相应的空间晶格位置上形成三维图像。
5.根据权利要求1所述的基于三维超声成像技术的风洞模型3D冰形在线测量方法，其特征在于：步骤(3)中间的主要问题有两个：
q1：如何将超声平面坐标系上的点转换到空间绝对坐标系上；
q2：如何确定实际需要重构空间的大小；
解决问题q1需要建立3个坐标系：世界坐标系、超声平面坐标系和电磁定位传感器接收端坐标系，世界坐标系由电磁定位传感器发射端确定，在测量过程中保持不变；
通过标定测量实验,首先得到超声平面坐标系与电磁定位传感器接收端坐标系间的固定转换关系，当超声平面坐标系表示深度方向的坐标为0，且经过一个平移矩阵运算后，就构成超声图像坐标系；最后将超声图像象素点坐标从定位系统中的接收器坐标系转换到由定位系统发射器确定的世界坐标系内，坐标关系由三维定位传感器给出；
解决问题q2：晶格尺寸/范围的确定；本发明为了方便三维数据在计算机中的存储、读取、运算，所生成的晶格为整数坐标晶格，取X,Y,Z三方向刻度间隔均为1mm；晶格为一立方体，只需得到晶格的两个对角顶点K(Xmin,Ymin,Zmin)及J(Xmax,Ymax,Zmax)，整个晶格的大小、形状、空间位置就可确定；首先在数据采集过程中，通过初始测量，估计出世界坐标最大值与最小值的范围,放在相应的定位数据中；在坐标转换结束后,分别计算每幅二维图像4个顶点空间绝对坐标，并与初始估计的范围比较，得到最终所有数据中世界坐标值的最大点和最小点，以这两点作为J点和K点，从而确定晶格数据。
一种基于三维超声成像技术的风洞模型3D冰形在线测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及声学、光学及电子学相结合测量技术领域，涉及计算机视觉、计算机图形学、信号处理等相关技术，特指结冰风洞飞机模型结冰试验中，一种基于三维超声成像技术的风洞模型3D冰形在线测量的方法。
背景技术
[0002] 飞机结冰是飞行实践中广泛存在的一种现象，也是造成飞行安全事故的主要隐患之一，机身表面的结冰会改变飞机的绕流流场，导致部件载荷分布发生变化，从而破坏空气动力学性能，影响飞机的操纵性和稳定性，危害飞行安全，轻者会使安全飞行范围减小，重者会导致机毁人亡的严重事故，因此飞机结冰及其防护问题一直是航空领域重要的研究内容，探索结冰机理、进行结冰气象条件下飞行器空气动力性能评估、安全评估、防/除冰等研究工作具有重要意义。
[0003] 为探索结冰机理、进行结冰气象条件下飞行器空气动力性能评估、安全评估、防/除冰等研究工作，国内外学者从计算流体动力学（CFD）数值计算、风洞试验、飞行试验等三个方面开展了相关研究工作；由于自然结冰条件下的飞行试验安全性低、成本高，目前主要在结冰风洞中进行模拟结冰试验，进行飞行器结冰条件下分行性能及安全评估，验证防/除冰系统性能，验证CFD数值计算结果。
[0004] 在风洞结冰试验中，一般需要测量结冰体的厚度、形状等信息，通常还会对机罩等复杂形状结构进行结冰试验，对于复杂形状结构表面结冰体，更需要测量其全场3D 形状，以用于CFD 气动性能计算；在这个过程中，获取风洞实验中飞机模型结冰3D 轮廓信息，一方面作为三维气动外形输入数据用于计算飞机结冰条件下气动性能，另一方面用于验证CFD 计算结冰体外形结果；同时，研究表明结冰与液态水含量、平均水滴直径、温度、结冰时间、飞行速度和攻角等参数紧密相关，为探索这些参数对结冰生长过程的影响，还需要获取时间解析3D 冰形；另外，在进行满足飞机结冰条件下安全飞行评估时，带时间信息的3D 冰形数据可用于预测安全飞行时间及边界。并且，目前的结冰模拟试验主要是定常试验，而飞行状态下自然结冰条件是非定常的，未来开展非定常结冰试验，更需要在线测量结冰体三维形状。
[0005] 目前，已使用的冰形测量方法有以下几种：一是用图像传感器对冰形拍照，这种方法一般只能定性观察，不能精确测量冰形轮廓形状数据；二是石膏浇注技术。通过从模型上取下冰块进行石膏浇模来获得冰形，但是这种方法的劳动强度高，直接破坏冰形，测量不精确；三是热刀法，这是比较常用到的冰形测量方法，但也存在中断试验、破坏冰形、测量随机误差大等缺点；另外，这三种方法都需要在结冰风洞停车状态下进行，无法实时观测飞机模型结冰3D轮廓信息，对后续的研究工作带来了诸多不便。
[0006] 为了实时观测飞机模型结冰3D轮廓信息，研究者提出面结构光结合双目视觉的方法：该方法利用双目视觉原理，采用两台摄像机在不同位置同时拍摄试验过程中的飞机模型结冰冰形，对两幅图像进行预处理，立体匹配，从而进行冰形三维重建；该方法可以实现3D测量，但需要对相机进行标定，操作较为复杂，同时由于结冰体表面容易镜面反射，将难以实现左右两幅图像的准确匹配，必须在飞机模型结冰表面喷涂颜料形成漫反射，局限了实验的实时性。
[0007] 为了克服以上方法的不足，本发明提出基于三维超声成像技术进行飞行器模型结冰生长过程中3D 冰形在线测量方法：该方法使用超声波进行测量，实现了非接触式的在线测量，同时可以有效降低结冰风洞环境对测量的影响；超声波具有在异种介质的界面上产生反射、折射和波型转换的特点，超声成像正是运用用这一特点，采用超声声束扫描物体，通过对反射信号的接收、处理，以获得被扫描物体的图像，近年来，超声成像技术不断发展，在三维成像方面应用也越加广泛，相比于其他检测技术，超声成像技术具有非接触式、操作简单、在线测量效率高等优点，在结冰风洞环境中，超声波相对于图像传感器可以有效削弱环境中冰粒和水雾对测量的干扰。
[0008] 基于超声成像技术的风洞模型3D冰形在线测量方法运用二维超声成像技术获得二维超声图像：在采集回波信号获得二维超声图像信息的同时，利用电磁定位传感器采集超声探头对应结冰模型的空间位置信息，然后经图像坐标系到世界坐标系之间的坐标转换，获得待测模型的三维坐标，从而进行三维重建。
[0009] 本发明采用非接触式测量飞机模型3D结冰冰形轮廓，保护了冰形的轮廓信息；同时实现了在线测量，无需中途停车，保证实验的完整性；另外，由于超声波的回波特性，本发明可以有效减少结冰风洞环境下水雾和冰粒对测量的影响。
发明内容
[0010] 本发明是为了克服传统方法如热刀法等测量冰形轮廓时破坏冰形、不能实时测量等不足，同时克服激光刀切法测量时受环境中冰粒、水雾影响较大而提出的一种效率更高、破坏性更小、实时在线检测的冰形轮廓测量方法，该方法利用超声探头发射超声信号，同时接收回波信号并进行处理，获得二维超声图像，在采集回波信号获得二维超声图像信息的同时，利用电磁定位传感器采集超声探头对应结冰模型的空间位置信息，然后经图像坐标系到世界坐标系之间的坐标转换，获得待测模型的三维坐标，从而进行三维重建，同时获取三维超声图像。
[0011] 其中二维成像基本步骤包括：波束形成、数字信号处理以及数字图像处理；主要的数字信号处理过程包括动态滤波、对数放大、包络检测和二次采样；通过数字信号处理后，用数字图像处理技术对数字信号进行成像处理与优化，该过程需要应用到数字扫描变换技术（坐标变换、线性插值）以及帧相关技术，在采集一系列二维超声图像的同时，采用电磁定位传感器采集相应的空间位置信息，这一系列空间不规则排列的二维图像及每幅图像采集时相应的探头空间位置与指向信息作为三维重建的原始信息，经图像坐标系到世界坐标系之间的坐标转换，获得待测模型的三维坐标，从而进行三维重建。
[0013] 本发明进行冰形轮廓测量的步骤包括：1、发射超声信号，同时接收回波信号并进行处理，获得二维超声图像信息；2、在采集回波信号获得二维超声图像信息的同时，利用电磁定位传感器采集相应的超声探头相对结冰模型的空间位置信息；3、进行超声平面坐标系到世界坐标系的坐标转换，三维重建，获取三维超声图像。
[0014] 步骤1中，采用全数字B超进行二维超声图像的获取，二维超声成像步骤包括：s1、波束形成；s2、超声回波信号处理；s3、数字图像处理。
[0015] 步骤s1波束形成包括对发射信号和接收信号的波束形成处理两个方面，是整个系统的核心部件，波束形成主要是对接收的多通道超声回波信号进行延时求和，对各个通道进行不同的延时可实现超声回波信号的接收聚焦；本发明采用自适应波束形成法来达到波束形成，根据回波数据的特征，动态计算各通道加权值，进而达到压缩波束主瓣宽度，提高图像分辨率的目的；符号相关和最小方差法都属于自适应算法，符号相关技术是用符号位表示相位的变化，可以看作是一位波束合成器的非线性函数；最小方差法通过保持期望方向上的增益不变，使阵列输出能量最小化，从而获得使图像信噪比最高的最优加权向量。
[0016] 为了在提高图像对比度的同时进一步提高图像分辨率，本发明采用特征空间与符号相干系数融合的波束形成法，把符号相干系数引入到特征空间最小方差波束形成方法中；相干系数是根据主瓣信号的相干性高，旁瓣信号相干性低的原理对回波信号进行加权优化的，相干系数反映了回波信号的相干程度，将相干系数作为权重信息，进行波束形成。
[0017] 步骤s2超声回波信号处理过程又包括：ss1、动态滤波；ss2、对数放大；ss3、包络检测；ss4、二次采样。
[0018] 步骤ss1动态滤波用于自动选择回声信号中有价值的频率成分，当所发射超声波具有较宽的频带时，所接收回波中的频率成分与距离有关，在近场，回波频率成分主要集中在频带的高端，随着探测深度的增加，回波频率成分足渐向频带的低端偏移，这是因为随着深度的增加，高频成分的衰减要比低频成分的衰减大，当探测深度较大时，高频成分甚至不能到达介质的深部便已被全部吸收，动态滤波用来筛选出近场强回声，从而提高分辨率和信噪比，使回声图像的质量得到改善；在选用动态滤波器时，本发明考虑到有限冲击响应数字滤波器具有绝对稳定的特性，易于直接根据脉冲响应技术条件进行设计；可以在逼近任意幅度特性的同时，实现对称的脉冲响应；可以实现严格的线性相位特性，因此本发明选用有限冲激响应数字滤波器进行动态滤波：有限冲激响应数字滤波器的设计，主要是使转移函数H(z)在单位圆上的值H（e）逼近给定的幅度特性。采用窗函数法，用乘法累加器实时实现。
[0019] 步骤ss2对数放大电路用于压缩回波信号的动态范围，是保证图像实现灰阶显示以突出有意义图像信息的基础，超声回波幅度的动态范围很大，常可达100～110ｄB ，其中，界面的差异所引起的动态范围约20dＢ；声束与界面成不同角度产生所谓“对准效应”引起的动态范围约为30dＢ，如果将回波信号简单地放大后送显示器显示，不仅不能获得对应幅度的不同辉度，还将产生强信号时的“阑效应”致使强信号图像一片模糊，弱信号图像星星点点，不能提取出有价值的信息；解决办法就是对回波信号进行对数压缩，经过对数压缩的回波图成为灰阶显示回波图，灰阶显示回波图虽然动态范围小于原图像的动态范围，但保留了原图像信息的差异，因而最终得到的超声图像包含了各种幅度信息，使图像层次丰富，表现力大大提高。
[0020] 本发明在实现对数放大时，采用基于现场可编程门阵列（FPGA）的查找表（LUT）来实现，LUT本质上就是一个RAM，当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
[0022] 步骤ss4二次采样：在超声信号处理中，需要根据有用信号来调整采样速率，即对采样后信号进行抽取或插值处理，在高速抽取或插值系统中，一种非常有效的方法就是使用“级联积分器梳状（CIC）滤波器”实现多采样率滤波。
[0023] 完成对数字信号进行处理之后，要应用数字图像处理技术对数字信号进行成像处理与优化，该过程需要应用到数字扫描变换技术（坐标变换、线性插值）以及帧相关技术；凸阵探头接收的超声回波信号，是以极坐标形式排列的扇形区域超声扫描，如果直接将该信号进行显示扫面，用直角坐标形式显示成像，结果必然是不正确的，因而需要进行坐标变换；通过坐标变换后的坐标点，不一定落在凸阵探头的接收扫描线上，也不一定正好就在回波数据点对应的深度上，因此，需要通过线性插值的方式得到改点数值的大小，本发明采用4点线性插值方式。
[0024] 经过放大补偿、波束形成、信号处理、图像处理等步骤，就完成了一线宽度的图像信号采集和还原任务，改变不同部位的扫查，重复上面的过程，当完成探头所探测范围的所有线扫查后，就完成了一帧超声图像扫查，能够使得被探测部分的图像实时的在显示器上显示。
[0025] 在进行三维重建时，要有二维图像之间的空间位置信息；步骤2在采集回波信号获得二维超声图像信息的同时，利用电磁定位传感器采集超声探头对应结冰模型的空间位置信息，超声图像数据和定位数据通过图像采集卡和串口送给计算机,由计算机完成图像重组工作，在连续采集过程结束后,就可以得到一系列带有空间位置信息的B超图像数据。
[0026] 在获得图像信息和空间位置信息之后，步骤3将经坐标转换进行三维重建，同时将二维超声图像数据转换到三维晶格上形成三维超声图像；重建过程中，根据每幅超声平面的三维定位数据及定位系统中接收器与超声探头的关系得到该平面在空间绝对坐标系中的位置，然后将不规则采集得到的超声图像上的每个象素放到相应的空间晶格位置上形成三维图像。
[0027] 这中间的主要问题有两个：q1、一个是如何将超声平面坐标系上的点转换到空间绝对坐标系上；q2、如何确定实际需要重构空间的大小。
[0028] 解决问题q1需要建立3个坐标系：世界坐标系、超声平面坐标系和定位系统中的接收器坐标系，3个坐标系的建立重构算法涉及3个笛卡尔坐标系，世界坐标系 由电磁定位系统中的发射器确定,在重构过程中始终保持不变，超声平面坐标系 是B
超扫描平面的坐标系统，超声平面为 平面，坐标原点在图像的左上角， 轴在声
束方向， 轴在侧向；图像平面上每个象素点的 坐标都为零，定位系统中的接收器坐标系 ，接收器固连在超声探头上，因此接收器坐标系与超声平面坐标系间有固定的
转换关系。
超扫描平面的坐标系统，超声平面为 平面，坐标原点在图像的左上角， 轴在声
束方向， 轴在侧向；图像平面上每个象素点的 坐标都为零，定位系统中的接收器坐标系 ，接收器固连在超声探头上，因此接收器坐标系与超声平面坐标系间有固定的
转换关系。
[0029] 超声平面坐标系到世界坐标系的坐标转换：三维晶格重构的核心是把超声平面坐标系上的象素点转化到世界坐标系，首先是将超声平面坐标系 中的象素点转换到贴附在超声探头上的接收器坐标系 上，而后根据定位系统提供的接收器坐标系
与发射器确定的世界坐标系 间的转换关系得到超声图像上各点在世界
坐标系中的位置。在进行超声平面坐标系到世界坐标系进行转换时，定义超声扫面平面为，图像平面为 。
与发射器确定的世界坐标系 间的转换关系得到超声图像上各点在世界
坐标系中的位置。在进行超声平面坐标系到世界坐标系进行转换时，定义超声扫面平面为，图像平面为 。
[0030] 相应的算法如下：通过标定测量实验，首先得到了超声平面坐标系O′-x′y′z′与接收器坐标系O″-abc间的固定转换关系；这一关系包括转换矩阵O′及点在坐标系O″-abc中的位置(a′o，b′o，c′o)，矩阵由o′x′，o′y′，o′z′三轴在O″-abc坐标系中的空间余弦构成；设(ap，bp，cp)是超声图像平面上的P点在O″-abc中的坐标，(x′p，y′p，z′p)是该点在超声平面坐标系中的坐标，cos Tx，cos Ux，cos Vx；cos Ty，cos Uy，cos Vy；cos Tz，cos Uz，cos Vz分别是o′x′，o′y′，o′z′三轴在O″-abc坐标系中的空间余弦，用矩阵L，表示，
[0031] 则
[0032] 将超声图像象素点坐标从O″-abc转换到由定位系统发射器确定的世界坐标系内，坐标关系由三维定位传感器给出；其中转换矩阵
[0033]
[0034] 式中：θx，θy，θz分别为O″a轴、O″b轴、O″c轴相对于O-xyz的欧拉角。设(xo″，y。″，zo″)是点O″在O-xyz中的坐标，(xp，yp，zp)是点P在世界坐标中的位置，则
[0035] 晶格尺寸/范围的确定：本发明为了方便三维数据在计算机中的存储、读取、运算，所生成的晶格为整数坐标晶格；取X，Y，Z三方向刻度间隔均为1mm，晶格为一立方体，只需得到晶格的两个对角顶点K(Xmin，Ymin，Zmin)及 J(Xmax，Ymax，Zmax)，整个晶格的大小、形状、空间位置就可确定。
[0036] 首先在数据采集过程中，通过初始测量，估计出世界坐标最大值与最小值的范围，放在相应的定位数据中；在坐标转换结束后，分别计算每幅二维图像4 个顶点空间绝对坐标，并与初始估计的范围比较，得到最终所有数据中世界坐标值的最大点和最小点，以这两点作为J点和K点，从而确定晶格数据。
[0037] 晶格数据生成：在晶格分辨率、大小确定后，将每幅图像上的象素点经坐标转换后减去晶格起始点 ，再以最近邻相靠的办法将它们逐一放到晶格上；当同一晶格点上有多个投影象素点时，采用取其中最大值的方法得到最终灰度值；在所有二维图像均放置到三维晶格上后，以空域18点滤波法对三维晶格数据做滤波处理，生成最终的三维超声体积图像。
[0038] 本发明有益效果是：
[0039] 1、本发明提出的冰形轮廓测量方法是非接触式测量，可有效的避免热刀法测量，容易破碎冰块微小结构，无法得到准确测量数据的缺点。
[0040] 2、本发明采用超声成像进行3D冰形轮廓检测，在检测过程中，通过发射超声信号，接收回波信号，对回波信号进行分析处理获得二维图像，同时根据空间位置信息进行三维重建。相比较图像传感器测量方法，不需要进行标定，减少了操作的复杂程度。
[0041] 3、本发明可以避免停车，实现结冰生长过程中3D 冰形在线测量。
[0043] 图1为本发明的系统流程图。
[0044] 图2为本发明的超声探头装置以及电磁定位传感器的发射端和接收端分布示意图。
[0046] 图4为超声回波波束形成示意图。
[0047] 图5为世界坐标系、超声平面坐标系和定位系统中的接收器坐标系以及三个坐标系之间的转换示意图。
具体实施方式
[0048] 下面结合附图进一步说明本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。
[0049] 图中标号：1—超声探头，2—电磁定位传感器发射端，3—待测物体，4—电磁定位传感器接收端，5—超声仪，6—控制器，7—微机，8—图像采集卡，9—回波信号接收单元，10—回波信号延时单元，S(i)表示回波信号，S(o)表示经过延时叠加波束形成后的回波信号， 表示超声扫描平面， 表示二维超声图像平面。
[0050] 基于超声成像技术的风洞模型3D冰形在线测量系统如图1所示，该测量装置包括：一台超声仪，一台微机，一块基于PCI总线结构的彩色图像采集卡和电磁定位传感器、俯仰角度调节器、偏转角度调节器；定位系统能给出探头位置与指向的六自由度参数，电磁定位传感器的发射器固定，接收器粘贴在超声探头上，随探头移动。
[0051] 采集到的回波信号和利用电磁定位传感器采集的超声探头相对结冰模型的空间位置信息作为输入数据 输入超声仪进行处理，得到超声图像数据和定位数据I，超声图像数据和定位数据I通过图像采集卡和串口送给计算机，由计算机完成图像重组工作；俯仰角度调节器在30度范围内任意调节超声探头的俯仰角度；偏转角度调节器在360度范围内任意调节换能器的偏转角度，同俯仰调节机构配合保证换能器探头对准被测目标，两个角度调节机构配合保证超声波束准确发射向结冰体的被测截面上；高度调节装置，由安装在现场的导轨实现，各装置配合工作，保证扫描到全场信息。
[0052] 本专利使用的是相控阵探头，探头分布128阵元，对模型进行扇扫；为达到测量成像要求，超声波发射频率为30kHz；区别于常规超声波探头，相控阵探头的两个重要特性是声束偏转和聚焦，通过改变晶片间的延时时间，让距离焦点远的晶片先发射信号，而距离焦点近的晶片后发射信号，从而使各个晶片发射的信号同时到达焦点，并在一个小区域内形成一个高强度声场。
[0053] 二维超声成像的过程，首先是由主控器产生发射脉冲，脉冲根据探头的参数进行延时输出，经过放大后驱动探头的阵元发射超声波，对物体进行扫查，完成发射任务；声波射向被测物体表面会产生回波信号，当这些回波信号被超声探头采集后，经过放大补偿、波束形成、动态滤波等信号处理，以及图像处理，最终就能在显示器上真实的再现被测物体的图像，这样就完成了一线宽度的图像信号采集和还原任务；改变不同部位的扫查，重复上面的过程，当完成探头所探测范围的所有线扫查后，就完成了一帧超声图像扫查，且最终能在显示器上显示完整的一幅超声图像；当完成一帧图像的扫查后，重复的上面的过程，就能够使得被探测部分的图像实时的在显示器上显示。
[0054] 本发明采用电磁定位传感器，发射器安放在固定的位置，接收器可以粘贴在超声探头上，工作时随着超声探头的移动，定位系统能给出探头位置与指向的六自由度参数，在连续采集过程结束后，就可以得到一系列带有空间位置信息的超声图像数据。
[0055] 在获得图像信息和空间位置信息之后，将图像信息和空间位置信息结合进行三维重建；重建过程中，根据每幅超声平面的三维定位数据及定位系统中接收器与超声探头的关系得到该平面在世界坐标系中的位置，坐标关系由三维定位传感器给出，同时将不规则采集得到的超声图像上的每个象素放到相应的空间晶格位置上形成三维超声图像。
[0056] 操作的随意性使得所采集到的二维图像在空间上排列是不规则的，再加上超声成像的一些固有局限性，给系统带来了如下问题：1)三维非标准晶格数据到三维标准晶格数据的转化；2)空间未被采样点位置随机性导致的插补问题；3)重复采样导致过采样点的灰度处理问题；4)采样密度的选取问题；5)回声失落问题。
[0057] 解决上述问题采用的方法：1)二维数据到三维体积数据转换中用最近邻相靠法来保证足够的精度；2)三维体积数据的插补可由空间域卷积运算得到较好的效果；3)不规则采样时超声探头的移动方向和移动速度应加以限制；4)过采样点的灰度可选取该点上所有灰度的最大值；5)回声失落问题的解决方法是进行多角度多方位重复采样。
[0058] 经过三个坐标之间的转换，将超声平面坐标系上的点转换到世界坐标系上；得到图像上点的世界坐标之后，为了更直观的观察冰形，还需要将坐标表示在三维晶格上，为了方便三维数据在计算机中的存储、读取、运算，所生成的晶格为整数坐标晶格；取 三方向刻度间隔均为1 mm，晶格为一立方体，只需得到晶格的两个对角顶点，整个晶格的大小、形状、空间位置就可确定。
[0059] 首先在数据采集过程中，通过初始测量，估计出世界坐标最大值与最小值的范围，放在相应的定位数据中；在坐标转换结束后，分别计算每幅二维图像4个顶点的世界坐标，并与初始估计的范围比较，得到最终所有数据中世界坐标值的最大点和最小点，以这两点作为J点和K点，从而确定数据晶格；在晶格分辨率、大小确定后，将每幅图像上的象素点经坐标转换后减去晶格起始点，再以最近邻相靠的办法将它们逐一放到晶格上。
[0060] 当同一晶格点上有多个投影象素点时，采用取其中最大值的方法得到最终灰度值，在所有二维图像均放置到三维晶格上后，以空域18点滤波法对三维晶格数据做滤波处理，生成最终的三维超声体积图像。
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