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超声层析成像(Ultrasonic Process Tomography,UPT)基于不同介质中的超声波传播特性,通过超声传感器阵列向被测区域发射超声波信号构建声学敏感场,同时获得超声波由于场内声阻抗分布不均产生的衰减和渡越时间等信息,进而利用图像重建算法重建被测场域内介质分布图像。超声层析成像具有非侵入性、成本低、响应迅速、可视化等优点,可准确、全面地实现复杂动态过程的可视化重建以及分布参数的估计。目前,超声层析成像系统仍然存在模态单一和数字化、集成化程度不高等问题,为满足工业复杂过程测试领域对测试系统的高速性、可扩展性和多模态兼容性等要求,本文设计并实现了一套16通道透射/反射双模态超声层析成像系统,并提出一种双模态图像重建方法。具体研究工作包括:(1)设计并实现了一套基于CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect)工业标准总线的双模态超声层析成像系统。该系统包括传感器阵列、标准正弦电压激励模块、多路复用开关模块、数据采集模拟前端模块、数字解调模块与CPCI数据传输模块。系统采用1MHz激励,平均信噪比在52dB,数据采集速度为625帧每秒,可实现超声透射/反射成像功能。(2)设计并实现了一种基于FPGA(Field-Programmable Gate Array)的双模态UPT激励源控制和解调方法。在FPGA内部实现了幅值和频率可调的电压激励源,并通过数字乘法解调和首波最大值提取法实现透射幅值衰减数据和反射渡越时间数据的同步并行解调处理和提取。(3)设计了一种基于投影路径的透射反射双模态融合图像重建算法,并对双模态超声层析成像系统进行了实验测试。采用铜棒和PVC棒作为不同声阻抗的被测对象,开展了系统静态试验,应用基于投影路径的透射反射双模态融合图像重建算法,实现了超声透射成像、超声反射成像和超声双模态成像。设计的UPT系统应用双模态算法提高了系统图像重建精度,为工业过程层析成像问题提供了解决方案。