專利名稱：基于柔性超聲相控陣的牛科動物生長狀況監測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及動物超聲檢測技術領域，具體涉及運用柔性超聲相控陣監測?？苿游锷L情況的裝置。
背景技術：
近年來，我國畜牧業持續、健康、穩步發展，已經成為我國農村經濟的支柱產業，規模化、專業化、自動化、信息化是畜牧業未來發展的方向。隨著生活水平以及對生活品質要求的不斷提高，人們對畜禽產品的品質和安全性要求也越來越高。牛科動物生長狀況信息的采集和分析是提高?？苿游镳B殖現代化水平、提高牛科動物產品的品質和安全性的重要手段和途徑。通過監測?？苿游锷L狀況的變化情況可以對牛科動物的進食情況、飼養環境進行評測，根據生長狀況的變化及時調整喂養形式及飼養環境，并為?？苿游锲贩N刷選與品質鑒定提供準確的數據和依據。目前?？苿游锷L狀況主要根據?？苿游锏纳L期和飼養人員的個人經驗來判斷，具有一定的誤判性和不確定性。通過無損檢測技術實時監測?？苿游锷L狀況以及生長變化情況，如肉牛的脂肪與肌肉厚度、奶牛乳房的健康狀況、母牛胎兒的發育情況等，可以針對牛科動物的健康狀況、飼養環境和發育階段做出較為準確的估計和分析，從而對牛科動物養殖及時采取各種應對的措施。由于具有檢測速度快、分辨率高、方向性好、穿透能力強、成本低和無損傷等優點，超聲無損檢測技術在動物檢測領域中得到 了廣泛的應用。目前的動物超聲檢測設備一般為手持式、探頭為剛性探頭、使用電纜連接的超聲檢測儀。這類手持式超聲檢測儀在實際檢測應用中存在著以下不足(I)由于硬件的局限，其計算能力、存儲空間、運算速度和數據處理精度均較受限，需要對檢測對象逐個檢測，不適合大規模圈養式牛科養殖場長時間監測使用；(2)剛性超聲探頭往往由于與被檢測牛科動物的檢測表面接觸不完全而造成耦合效果不好，同時剛性超聲探頭對被檢測牛科動物檢測表面的擠壓也容易造成被檢測?？苿游锏牡钟|和反抗，導致檢測數據不準確；(3)對于多探頭超聲檢測裝置，使用電纜有線連接的方式在檢測過程中極不方便，多條電纜既增加了裝置的重量也限制了各個電纜所連接探頭的檢測移動范圍，降低了裝置的靈活性和實用性。

實用新型內容對目前技術所存在的上述不足，本實用新型提出基于柔性超聲相控陣的?？粕L狀況監測裝置，該裝置通過采用柔性超聲換能器陣列實現超聲探頭的柔性化，通過超聲相控陣與無線通信模塊的集成而實現無線連接、低輻射、高精度的超聲檢測，同時適用于多種牛科動物、不同檢測部位、多檢測端的超聲檢測，具有方便、實用性與可擴展性強的優點。為了實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案基于柔性超聲相控陣的牛科動物生長狀況監測裝置，包括若干個無線柔性超聲相控陣檢測端與一個數據處理中心；無線柔性超聲相控陣檢測端與數據處理中心之間通過無線網絡及光纖通信網絡進行網絡連接和數據通信；無線柔性超聲相控陣檢測端完成相控超聲信號的發射和接收；數據處理中心則根據各個無線柔性超聲相控陣檢測端的接收信號數據，完成檢測參數計算、檢測成像、綜合分析的數據處理。 進一步的，所述數據處理中心包括數據處理服務器、數據存儲服務器、多任務管理服務器、人機交互平臺和通信模塊；其中數據處理服務器、數據存儲服務器、人機交互平臺、通信模塊分別與多任務管理服務器相連接；數據處理服務器與數據存儲服務器相連接；所述數據處理服務器負責各個無線柔性超聲相控陣檢測端檢測參數的計算以及各個無線柔性超聲相控陣檢測端發送過來數據的處理；數據存儲服務器用于存儲數據處理中心所接收的檢測數據；所述人機交互平臺用于人機交互中的檢測參數輸入與控制，以及檢測處理結果的顯示；所述通信模塊用于數據處理中心與各個無線柔性超聲相控陣檢測端之間的網絡連接及數據通信。進一步的，所述無線柔性超聲相控陣檢測端包括柔性探頭模塊、超聲發射模塊、超聲接收模塊、控制模塊、輸入模塊和無線模塊，其中柔性探頭模塊分別與超聲發射模塊、超聲接收模塊連接；控制模塊分別與超聲發射模塊、超聲接收模塊、輸入模塊、無線模塊連接；所述超聲發射模塊用于驅動柔性探頭模塊中的超聲相控陣探頭發射超聲波；所述超聲接收模塊用于接收和處理回波信號；所述柔性探頭模塊用于聲電信號的相互轉換；所述輸入模塊用于牛科動物編號與無線柔性超聲相控陣檢測端控制命令的輸入；所述無線模塊用于無線柔性超聲相控陣檢測端與數據處理中心之間通信數據的收發；所述控制模塊用于控制超聲的發射與接收、柔性超聲相控換能器陣列的收發切換、柔性探頭模塊中柔性超聲相控陣探頭各個陣元的收發延時以及無線模塊數據的發送與接收。進一步的，所述柔性探頭模塊由柔性超聲相控陣探頭、多路開關、相控陣延時單元組成，其中柔性超聲相控陣探頭由多個柔性集成化超聲換能器陣元排列而成，采用二維的面型排列結構，柔性超聲相控陣探頭中各陣元之間的相對位置是可調的；所述超聲發射模塊由順次連接的發射控制單元、波形形成器、D/A轉換器和功率放大器組成，其中超聲波信號選用頻率范圍為f5MHz的超聲脈沖串，其波形參數存儲于波形形成器中；所述超聲接收模塊由順序連接的程控放大器、A/D轉換器和數字濾波器組成；所述控制模塊由微處理器、延時控制單元、存儲器和數據緩存單元組成，微處理器分別與延時控制單元、存儲器和數據緩存單元連接；所述控制模塊通過向無線模塊發出指令，與數據處理中心進行網絡連接與數據通信；在發射超聲檢測信號時，控制模塊向發射控制單元發出控制指令，并通過延時控制單元設置相控陣延時單元中各個陣元通道的發射延時和發射相移，此時多路開關調整為打開發射的狀態；在接收超聲檢測信號時，多路開關調整為打開接收的狀態，控制模塊通過延時控制單元設置相控陣延時單元中各個陣元通道的接收延時和接收相移?；谌嵝猿曄嗫仃嚨呐？苿游锷L狀況監測方法，使用上述監測裝置，其中，無線柔性超聲相控陣檢測端的工作流程包括以下步驟步驟11，確定無線柔性超聲相控陣檢測端柔性探頭模塊的超聲發射中心頻率、陣列形式和陣列大小；步驟12，輸入監測的?？苿游锞幪枺缓笤跈z測對象表面涂上超聲耦合劑，將無線柔性超聲相控陣檢測端的超聲發射模塊與監測對象表面充分接觸，并將無線柔性超聲相控陣檢測端進行固定；步驟13，發射和接收超聲相控陣檢測信號，對柔性超聲探頭模塊中各個陣元進行定位檢測，然后將接收到的超聲相控陣檢測信號數據發送至數據處理中心；步驟14，根據接收到數據處理中心的檢測參數發射超聲信號，然后將接收到的超聲相控陣檢測回波信號數據發送至數據處理中心；步驟15，若收到數據處理中心調整參數的控制命令，則按照數據處理中心發送來的新的檢測參數進行檢測參數調整，重復步驟15 ;若收到數據處理中心檢測完成的控制命令，無線柔性超聲相控陣檢測端進入休眠狀態；步驟16，當收到數據處理中心啟動檢測任務的指令時，重新進入工作狀態，返回步驟13 ；所述數據處理中心的工作流程包括以下步驟步驟21，選擇需要檢測的?？苿游锞幪柵c檢測的內容，數據處理中心向需要啟動檢測的無線柔性超聲相控陣檢測端發送啟動檢測任務的指令；步驟22，接收到無線柔性超聲相控陣檢測端的連接請求時，根據無線柔性超聲相控陣檢測端的連接信息進行判斷是否允許無線柔性超聲相控陣檢測端連接；若不允許連接，則向申請連接的無線柔性超聲相控陣檢測端發送拒絕連接的信息；若允許連接，則記錄無線柔性超聲相控陣檢測端的連接信息，并建立與之對應的檢測任務；
步驟23，數據處理中心接收到無線柔性超聲相控陣檢測端的陣元檢測數據時，多任務服務器進入與該無線柔性超聲相控陣檢測端相對應的檢測任務，由數據處理服務器根據各個陣元回波信號的時域相關性計算所選陣元與參考陣元的相對位置，多任務服務器通過通信模塊將所選陣元的相對位置數據反饋至無線柔性超聲相控陣檢測端；步驟24，數據處理中心接收到無線柔性超聲相控陣檢測端的監測對象檢測數據時，首先將監測對象檢測數據存儲于數據存儲服務器，然后由多任務管理服務器判斷當前的檢測任務是否已完成；步驟25，如果檢測任務仍未完成，則重新調整檢測的位置，并利用自適應聚焦算法對各個陣元的預設相位初值進行發射/接收參數的調節，然后通過通信模塊向無線柔性超聲相控陣檢測端發送需要調整的檢測參數；步驟26，如果檢測任務已完成，數據處理中心向無線柔性超聲相控陣檢測端發送檢測完成的命令，然后依次完成以下步驟步驟26. 1，根據當前檢測任務存儲于數據存儲服務器中的檢測數據進行超聲成像處理；相控陣檢測端的歷史檢測任務的檢測結果進行綜合分析，畫出所監測?？苿游镫S時間變化的生長情況變化曲線；步驟26. 3，將所監測不同的牛科動物生長情況變化曲線進行對比分析；步驟26. 4，將所監測?？苿游锏馁Y料、超聲成像圖像、所監測?？苿游锷L情況變化曲線以及所監測不同的?？苿游锷L信息對比曲線的檢測結果在人機交互平臺上顯示；步驟26. 5，終止檢測任務，并斷開與該無線柔性超聲相控陣檢測端的網絡連接。[0034]與現有技術相比，本實用新型具有以下優點1.對不同外形的?？苿游餀z測部位具有較高的適用性，能檢測牛科動物脂肪與肌肉厚度、奶牛乳房健康狀況與母牛胎兒發育情況。與使用剛性探頭的超聲檢測裝置相比，本實用新型中無線柔性超聲相控陣檢測端使用柔性超聲相控陣探頭，可以適應不同表面以及復雜表面的超聲監測，與外形不規則的?？苿游餀z測部位表面有效耦合，柔性化的超聲探頭也減少了對所檢測牛科動物的干擾，提高了無線柔性超聲相控陣檢測端的適用性和檢測精度。2.無線柔性超聲相控陣檢測端實現小型化和集成化。與使用有線電纜的超聲檢測裝置相比，本實用新型中無線柔性超聲相控陣檢測端使用無線通信方式，無線柔性超聲相控陣檢測端體積小、硬件復雜度低，因此檢測端的生產成本也相對較低，且使用靈活方便，擴展時只需要增加相應數量的無線柔性超聲相控陣檢測端體即可，系統可擴展性好。3.檢測裝置使用方便、快捷。與單陣元探頭超聲檢測方法相比，超聲相控陣在不移動超聲探頭的情況下，可以實現更大范圍的檢測；同時，通過各陣元的相位調節、振幅控制與聲束形成等方法，實現檢測超聲波發射和接收聚焦、變孔徑、變跡等相控效果，可以減少檢測過程中由于探頭移動所造成的誤差，并提高了超聲檢測相控成像效果。4.具有較高的檢測精度和檢測效果。與手持式超聲檢測儀相比，本實用新型中無線柔性超聲相控陣檢測端與數據處理中心分離，有效規避了目前我國加工工藝不高的缺點，數據處理中心可在后方使用復雜的成像和計算算法，提高了超聲檢測的精度。5.實現了對?？苿游锏倪h程監測與實時監測。本實用新型可以遠程監測和記錄?？苿游镌诒O測過程中的生長狀況資料，便于集中處理和監控不同地點養殖的?？苿游铮约皩⑴？苿游锊煌瑐€體之間、同一個體不同時間的生長狀況進行對比，及時實施合理的飼養方案，有利于提聞所養殖?？苿游锏钠焚|和安全性。

圖1是基于柔性超聲相控陣的?？苿游锷L狀況監測裝置的結構圖；圖2是無線柔性超聲相控陣檢測端的結構框圖；圖3是數據處理中心的結構框圖；圖4是實施例柔性超聲相控陣的陣列形式結構示意圖；圖5是柔性超聲相控陣探頭的動態聚焦示意圖；圖6是柔性超聲相控陣探頭的坐標圖；圖7是實施例超聲波檢測背膘厚度的示意圖；圖8 (a)是實施例檢測背膘厚度時的超聲發射時域波形示意圖；圖8(b)是圖8(a)中超聲發射陣元接收到的超聲波回波信號示意圖；圖8(c)是圖8(b)中超聲波回波信號的小波變換模值示意圖；圖9是無線柔性超聲相控陣檢測端的工作流程圖；圖10是數據處理中心的工作流程圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
實施例基于柔性超聲相控陣的?？苿游锷L狀況監測裝置結構圖如圖1所示，由若干個無線柔性超聲相控陣檢測端與一個數據處理中心構成。無線柔性超聲相控陣檢測端與數據處理中心之間通過無線網絡及光纖通信網絡進行網絡連接和數據通信；無線柔性超聲相控陣檢測端完成相控超聲信號的發射和接收；數據處理中心則根據各個無線柔性超聲相控陣檢測端的接收信號數據，利用各種檢測算法完成檢測參數計算、檢測成像、綜合分析等數據處理。圖2是無線柔性超聲相控陣檢測端的結構框圖。本無線柔性超聲相控陣檢測端包括柔性探頭模塊、超聲發射模塊、控制模塊、超聲接收模塊、輸入模塊和無線模塊。柔性探頭模塊分別與超聲發射模塊、控制模塊、超聲接收模塊連接；控制模塊分別與柔性探頭模塊、超聲發射模塊、超聲接收模塊、輸入模塊、無線模塊連接。所述柔性探頭模塊由柔性超聲相控陣探頭、多路開關、相控陣延時單元組成，其中柔性超聲相控陣探頭由多個柔性集成化超聲換能器陣元排列而成，采用二維的面型排列結構，柔性超聲相控陣中各陣元之間的相對位置是可調的； 其中相控陣延時單元由多個可控延時器131與多個可控相移器132構成。所述超聲發射模塊由順序連接的發射控制單元、波形形成器、D/A轉換器和功率放大器組成，其中超聲波信號選用頻率范圍為f5MHz的超聲脈沖串，其波形參數存儲于波形形成器中；所述超聲接收模塊由順序連接程控放大器、A/D轉換器和數字濾波器組成；所述控制模塊由微處理器、延時控制單元、存儲器和數據緩存單元組成，微處理器分別與延時控制單元、存儲器和數據緩存單元連接；所述無線模塊所使用的無線通信方式可以根據所在無線網絡的覆蓋情況來選擇超寬帶、WiFi兩種無線通信方式中的一種，優先選擇超寬帶無線通信方式；所述控制模塊通過向無線模塊發出指令，與數據處理中心進行網絡連接與數據通信；在發射超聲檢測信號時，控制模塊向發射控制單元發出控制指令，并通過延時控制單元設置相控陣延時單元中各個陣元通道的發射延時和發射相移，此時多路開關調整為打開發射的狀態；在接收超聲檢測信號時，多路開關調整為打開接收的狀態，控制模塊通過延時控制單元設置相控陣延時單元中各個陣元通道的接收延時和接收相移。數據處理中心的結構框圖如圖3所示，數據處理中心包括數據處理服務器、數據存儲服務器、多任務管理服務器、人機交互平臺和通信模塊。其中數據處理服務器、數據存儲服務器、人機交互平臺、通信模塊分別與多任務管理服務器相連接；數據處理服務器與數據存儲服務器相連接。所述數據處理服務器負責各個無線柔性超聲相控陣檢測端檢測參數的計算以及各個無線柔性超聲相控陣檢測端發送過來數據的處理；所述數據存儲服務器用于存儲數據處理中心所接收的檢測數據；所述人機交互平臺用于人機交互中的檢測參數輸入與控制以及檢測處理結果的顯示;[0065]所述通信模塊用于數據處理中心與各個無線柔性超聲相控陣檢測端之間的網絡連接及數據通信。本實施例中無線柔性超聲相控陣檢測端中柔性超聲相控陣探頭由多個柔性集成化超聲換能器陣元排列而成，可以采用的柔性超聲相控陣的陣列形式結構示意圖如圖4所示，包括線形41、矩形42、圓形43、環形44;各個陣列形式分別選擇一個陣元作為參考陣元，本實施例中所采用的四個陣列形式的參考陣元40如圖4所標示。上述陣列形式可以根據實際檢測情況進行陣列形式選擇，其中線形41陣列結構簡單，數據處理復雜度低，適合二維超聲成像的應用；矩形42、圓形43陣列適合進行三維超聲成像的應用；環形44陣列則適合對環狀外形檢測對象進行二維成像的應用；上述陣列形式結構中的柔性集成化超聲換能器單元的數目可以按照對應陣列形式結構進行增減；其中柔性超聲相控陣探頭中各個陣元的相對位置可以根據被檢測對象表面形狀進行調整。本實施例采用超聲相控陣聚焦成像技術進行超聲掃描成像，其中柔性超聲相控陣探頭動態聚焦示意圖如圖5所示。延時控制單元通過設置相控陣延時單元13中各個陣元通道的延時時間與預設的相位初值。其中第m個陣元與參考陣元所發射相控超聲信號之間的相位差為
權利要求1.基于柔性超聲相控陣的牛科動物生長狀況監測裝置，其特征在于包括若干個無線柔性超聲相控陣檢測端與一個數據處理中心；無線柔性超聲相控陣檢測端與數據處理中心之間通過無線網絡及光纖通信網絡進行網絡連接和數據通信；無線柔性超聲相控陣檢測端完成相控超聲信號的發射和接收；數據處理中心則根據各個無線柔性超聲相控陣檢測端的接收信號數據，完成檢測參數計算、檢測成像、綜合分析的數據處理。
2.根據權利要求1所述的基于柔性超聲相控陣的牛科動物生長狀況監測裝置，其特征在于所述數據處理中心包括數據處理服務器、數據存儲服務器、多任務管理服務器、人機交互平臺和通信模塊；其中數據處理服務器、數據存儲服務器、人機交互平臺、通信模塊分別與多任務管理服務器相連接；數據處理服務器與數據存儲服務器相連接；所述數據處理服務器負責各個無線柔性超聲相控陣檢測端檢測參數的計算以及各個無線柔性超聲相控陣檢測端發送過來數據的處理；數據存儲服務器用于存儲數據處理中心所接收的檢測數據；所述人機交互平臺用于人機交互中的檢測參數輸入與控制，以及檢測處理結果的顯示；所述通信模塊用于數據處理中心與各個無線柔性超聲相控陣檢測端之間的網絡連接及數據通信。
3.根據權利要求1所述的基于柔性超聲相控陣的牛科動物生長狀況監測裝置，其特征在于所述無線柔性超聲相控陣檢測端包括柔性探頭模塊、超聲發射模塊、超聲接收模塊、控制模塊、輸入模塊和無線模塊，其中柔性探頭模塊分別與超聲發射模塊、超聲接收模塊連接；控制模塊分別與超聲發射模塊、超聲接收模塊、輸入模塊、無線模塊連接；所述超聲發射模塊用于驅動柔性探頭模塊中的超聲相控陣探頭發射超聲波；所述超聲接收模塊用于接收和處理回波信號；所述柔性探頭模塊用于聲電信號的相互轉換；所述輸入模塊用于?？苿游锞幪柵c無線柔性超聲相控陣檢測端控制命令的輸入；所述無線模塊用于無線柔性超聲相控陣檢測端與數據處理中心之間通信數據的收發；所述控制模塊用于控制超聲的發射與接收、柔性超聲相控換能器陣列的收發切換、柔性探頭模塊中柔性超聲相控陣探頭各個陣元的收發延時以及無線模塊數據的發送與接收。
4.根據權利要求3所述的基于柔性超聲相控陣的?？苿游锷L狀況監測裝置，其特征在于所述柔性探頭模塊由柔性超聲相控陣探頭、多路開關、相控陣延時單元組成，其中柔性超聲相控陣探頭由多個柔性集成化超聲換能器陣元排列而成，采用二維的面型排列結構，柔性超聲相控陣探頭中各陣元之間的相對位置是可調的。
5.根據權利要求3所述的基于柔性超聲相控陣的?？苿游锷L狀況監測裝置，其特征在于所述超聲發射模塊由順次連接的發射控制單元、波形形成器、D/A轉換器和功率放大器組成，其中超聲波信號選用頻率范圍為f5MHz的超聲脈沖串，其波形參數存儲于波形形成器中。
6.根據權利要求3所述的基于柔性超聲相控陣的?？苿游锷L狀況監測裝置，其特征在于所述超聲接收模塊由順序連接的程控放大器、A/D轉換器和數字濾波器組成。
7.根據權利要求3所述的基于柔性超聲相控陣的?？苿游锷L狀況監測裝置，其特征在于所述控制模塊由微處理器、延時控制單元、存儲器和數據緩存單元組成，微處理器分別與延時控制單元、存儲器和數據緩存單元連接。
專利摘要本實用新型公開了基于柔性超聲相控陣的牛科動物生長狀況監測裝置，所述裝置包括若干個無線柔性超聲相控陣檢測端與一個數據處理中心；無線柔性超聲相控陣檢測端與數據處理中心之間通過無線網絡及光纖通信網絡進行網絡連接和數據通信。無線柔性超聲相控陣檢測端完成相控超聲信號的發射和接收；數據處理中心則根據各個無線柔性超聲相控陣檢測端的接收信號數據，完成檢測參數計算、檢測成像、綜合分析的數據處理，通過超聲相控陣與無線通信模塊的集成而實現無線連接、低輻射、高精度的超聲檢測，同時適用于多種牛科動物、不同檢測部位、多檢測端的超聲檢測，具有方便、實用性與可擴展性強的優點。
文檔編號A61B8/00GK202859152SQ201220512818
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者韋崗, 梁可尊, 萬吉娜, 夏嬌 申請人:華南理工大學