一种基于高斯回波模型测量薄层材料厚度的方法

摘要

本发明公开了一种基于高斯回波模型测量薄层材料厚度的方法。其步骤包括：1）将薄层材料放置于基体材料表面，使超声波探头分别位于基体材料和薄层材料正上方，测得基体材料和薄层材料的超声波回波信号s₁(t)、s₂(t)；2）利用高斯回波模型对基体材料回波信号s₁(t)进行迭代拟合，得到去除噪声后的拟合信号h(t)；3）利用脉冲回波模型对薄层材料回波信号s₂(t)进行迭代拟合，得到拟合结果；4）选取薄层材料回波信号s₂(t)拟合结果中的前两项回波，两项回波分别对应的脉冲回波模型参数空间中抵达时间分量为τ₁，τ₂，已知薄层材料中超声波传播速度为c，则薄层材料的厚度D＝(τ₂-τ₁)·c/2。本发明可以实现对薄层材料厚度的测量，且可以获得小于采样间距的测量精度。

主权项

一种基于高斯回波模型测量薄层材料厚度的方法，采用扫描超声波显微镜，扫描超声波显微镜包括超声波探头(1)、三维直线电机(2)、导轨(3)、基体材料(4)、薄层材料(5)、水槽(6)、电机控制器(7)、超声波发射接收器(8)、计算机(9)，水槽(6)底部放有基体材料(4)，基体材料(4)上设有薄层材料(5)，基体材料(4)上方设有超声波探头(1)，超声波探头(1)上端与三维直线电机(2)固定，导轨(3)上设有三维直线电机(2)，超声波探头(1)与超声波发射接收器(8)相连，三维直线电机(2)与电机控制器(7)相连，计算机(9)分别与电机控制器(7)、超声波发射接收器(8)相连；其特征在于方法的步骤如下：1)将薄层材料(5)放置于基体材料(4)表面，并置于盛有水的水槽(6)中，开启扫描超声波显微镜；2)调节扫描超声波显微镜的三维直线电机(2)的Y轴电机使超声波探头(1)位于基体材料(4)正上方，测量基体材料(4)表面的超声波回波信号s₁(t)；3)建立高斯回波模型，$f_1(\theta ;t)={\mathrm{\beta e}}^{-\alpha {(t-\tau )}^2}\cos (2\pi f_c(t-\tau )+\phi )$θ＝[ατf_cφβ]式中f₁(θ；t)代表高斯回波的时域信号，其中t为时间参量，θ代表高斯回波模型的参数空间，参数空间具体包括衰减参数α，抵达时间参数τ，中心频率参数f_c，相位参数φ，幅度参数β；4)将M个步骤3)中的高斯回波模型进行线性叠加后记作h(t)，以ν(t)表示高斯白噪声，利用h(t)拟合基体材料(4)表面的超声波回波信号s₁(t)：${\hat{s}}_1\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{f}_1({\theta }_m;t)+v\left(t\right),h\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{f}_1({\theta }_m;t)$式中代表超声波回波信号s₁(t)的拟合估计值，θ_m＝[α_m τ_m f_cm φ_m β_m]为M个被叠加高斯回波中第m项回波所对应的参数空间取值；5)寻找到薄层材料(5)伸出基体材料(4)表面的部分，即薄层材料(5)上下表面完全浸在水中的部分，并调节扫描超声波显微镜的三维直线电机(2)的Y轴电机使超声波探头(1)位于薄层材料(5)此部分的正上方，测量薄层材料(5)的超声波回波信号s₂(t)；6)基于超声波回波信号s₁(t)拟合结果h(t)建立超声探头脉冲回波模型，f₂(ψ；t)＝β^*h(t‑τ^*)ψ＝[β^* τ^*]式中f₂(ψ；t)代表脉冲回波的时域信号，其中t为时间参量，ψ为脉冲回波模型的参数空间，参数空间具体包括幅度参数β^*，抵达时间参数τ^*；7)将N个步骤6)中描述的超声探头脉冲回波模型进行线性叠加后记作g(t)，以ν^*(t)表示高斯白噪声，利用g(t)拟合薄层材料(5)的超声波回波信号s₂(t)：$\begin{array}{c}{\hat{s}}_2\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{f}_2({\psi }_n;t)+v^{*}\left(t\right)\\ =h\left(t\right)*\left\{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\beta }_n^{*}\delta (t-{\tau }_n^{*})\right\}+v^{*}\left(t\right)\end{array}$$g_2\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{f}_2({\psi }_n;t)$又记:$g_0\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\beta }_n^{*}\delta (t-{\tau }_n^{*})$式中代表超声波回波信号s₂(t)的拟合估计值，为N个被叠加脉冲回波中第n项回波所对应的参数空间取值；8)已知薄层材料中超声波传播速度为c，薄层材料的厚度D＝(τ₂‑τ₁)·c/2。