[发明专利]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

1.一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，f1(θ;t)=βe-α(t-τ)2cos(2πfc(t-τ)+φ)]]>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）中描述的高斯回波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)：s^1(t)=Σm=1Mf1(θm;t)+v(t),h(t)=Σm=1Mf1(θm;t)]]>式中(t)代表超声波回波信号s₁(t)的拟合估计值，θ_m＝[α_mτ_mf_cmφ_mβ_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)：s^2(t)=Σn=1Nf2(ψn;t)+v*(t)]]>=h(t)*{Σn=1Nβn*δ(t-τn*)}+v*(t)]]>g(t)=Σn=1Nf2(ψn;t)]]>又记:g0(t)=Σn=1Nβn*δ(t-τn*)]]>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。