利用扩散场信息的超声兰姆波全聚焦成像

利用兰姆波的扩散场信号,实现了距离传感器较近缺陷的全聚焦成像.通过两传感器接收的扩散场全矩阵信号进行互相关,恢复出两传感器之间的格林函数响应,重建新的全矩阵.该重建全矩阵削弱了直接耦合采集响应信号中存在的早期饱和非线性效应信号,恢复了被遮盖的近距离缺陷散射信号.在含缺陷的各向同性铝板中激发兰姆波,重建信号的早期信息与直接俘获信号的后期信息相结合形成混合全矩阵,结合全聚焦成像,优化成像效果.所提方法为薄板类结构中距离传感器较近缺陷的兰姆波无损检测提供了理论指导.     

扩散场扇扫重建格林函数实现近表盲区缺陷检测

2020年5月12日定稿摘要针对结构近表盲区缺陷检测难题,发展了一种扩散声场扇扫重建格林函数的超声检测方法。在对扩散场扇扫重建格林函数理论分析的基础上,通过5 MHz超声相控阵探头对铝块近表盲区缺陷进行了检测实验并对影响成像结果的延时时间、时间窗宽和扫查方式进行了分析。结果显示,该方法可以有效检测铝块近表1.5~3 mm的盲区缺陷;扇形扫查方式的有效扩散时间较全矩阵捕获方式延长0.5 ms以上;在有效扩散时间内,随着延时接收时间和时间窗宽的增加,成像质量得到提高。本研究工作为超声检测近表盲区缺陷提供了一种有效可行的新方法。      

钢轨缺陷的超声相控阵波数成像算法*

该文应用超声相控阵全矩阵捕获的波数成像算法,检测带有通孔缺陷的钢轨和B型相控阵试块。以实验获取的全矩阵数据为基础,研究了自发自收模式和全矩阵模式的波数成像算法,理论上分析了全聚焦方法和波数算法的计算性能,取得波数成像的结果并与全聚焦方法的成像结果做了对比。实验结果表明:波数成像算法具有更快的计算速度和更高的横向分辨率,且能够更加精准地还原钢轨中缺陷大小和形状,而传统的全聚焦方法计算耗时长,聚焦点分布不均匀,重建较大的缺陷出现了纵向拉长的现象,不能够较好地反映钢轨中的大缺陷。波数成像算法在各向同性材料实时检测中有很大的应用潜能。     

利用环境噪声互相关实现散射体无源成像

最近研究表明利用环境噪声的互相关可以恢复两点之间的时域格林函数(声脉冲响应),这一原理在文献中被称为格林函数恢复。基于此原理,通过对多个传声器所接收的环境噪声进行互相关处理,获取与散射体相关联的散射波的到达时延信息,结合最小二乘反演算法和改进克希霍夫移位算法,分别获得道路交通噪声场中石柱以及海浪噪声场中塑料桶的空间位置,且其估计结果与实际测量相一致。实验结果表明将环境噪声作为探测信号进行散射体无源成像是可行的。这为设计室内无源声监测系统以及通过海洋环境噪声实现对水中静默目标成像提供了新思路和有益参考。      

基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法*

超声相控阵是超声检测领域常用的材料缺陷定位和成像技术,可便捷快速地对裂纹、孔洞等缺陷进行成像。但是,传统超声相控阵方法对较小缺陷如闭合裂纹不太敏感。非线性超声信号因对材料性能退化以及微小缺陷敏感而广受关注。本文针对疲劳闭合裂纹检测,提出一种基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法,通过测量物理聚焦和虚拟聚焦两种聚焦模式下超声扩散场中的声能差,并将其作为非线性参量,实现疲劳裂纹闭合部分的定位成像和定量表征。将该法应用于7075铝合金试样疲劳裂纹的实验测量,并研究了扩散场信号延迟时间对非线性超声相控阵成像结果的影响。结果表明：相较于传统超声相控阵全聚焦法,基于幅度调制的非线性超声相控阵成像方法能够更准确地定位和成像疲劳裂纹闭合部分;延迟时间的选择对疲劳裂纹长度的表征精度影响较大,本文研究了该延迟时间的选择方法并实现了检测结果的优化。     

纵向带状裂隙形貌的逆时偏移超声成像

传统的工业超声成像方法通常只能确定缺陷的位置与横向尺寸,无法获得缺陷的形貌信息.一些特殊的缺陷,如纵向裂纹,是典型的例子.基于多阵元技术,开展了固体介质缺陷逆时偏移超声成像方法的数值与实验研究.针对铝块平底纵裂纹及内部纵裂纹两种传统方法无法有效成像的缺陷,首先开展了单分量逆时偏移成像方法研究,给出了基于数值仿真的逆时偏移成像结果以及基于多阵元超声成像实验系统实验测试的逆时偏移成像结果.进一步开展了基于多分量位移检测与转换横波分离的逆时偏移成像方法研究,并提出了基于新型多分量激光干涉仪进行检测的思路.数值仿真结果证实了多分量逆时偏移图像重建结果可以克服单分量方式的缺点,得到明显优于单分量检测时的图像.     

基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法

针对传统的基于超声信号的高铁钢轨无损检测方法对于表面微裂纹检测效果不佳的问题,提出了一种基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法.首先,使用有限元及K-wave方法建立了钢轨模型并获得了模拟光声信号;然后利用时间反演的方法对钢轨表面的光声图像进行了重建,并研究了不同传感器中心频率对成像结果的影响;最后设计实验采集了钢轨表面的光声信号并进行了处理和分析.实验结果表明,基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷检测方法对于表面微裂纹有很好的检测效果,该方法在钢轨探伤领域有较大的可行性及发展潜力.     

利用海洋环境噪声互相关实现阵形校准

阵列信号处理需要准确的阵形,然而海底水平阵的阵形很难精确测量。利用海洋环境噪声可以提取两点间的格林函数,这为无源校准阵形提供了新的可能。通过海洋环境噪声互相关叠加可以获取两个阵元之间的距离信息,一种方法是可以通过该距离与位置之间的关系构建非线性方程组并利用最小二乘法(LS)求解阵形。本文利用多维尺度变换法(MDS)求解,通过对度量矩阵的特征值分解获得阵形。数值仿真和实验数据证明了该方法的可行性,并且MDS相比于LS有更稳健的性能。      

部分阵元参考法校正超声成像相位畸变的仿真研究

本文应用互相关技术在阵元接收射频信号噪比不同情况下，对部分阵元参考法校正超声成像位畸变进行了仿真实验。     

基于模式分离的兰姆波逆时偏移成像

应用频率域逆时偏移方法实现各向同性和各向异性板中缺陷的兰姆波成像.由于缺陷引起的多模态散射信号会在重建图像中形成伪像,根据基本导波模式振动对称性的差别进行了模式分离预处理.基于多元阵列超声技术,开展了铝板和复合板内缺陷频率域逆时偏移超声成像方法的数值仿真研究.首先,建立有限元模型,采用环形传感器数值采集由缺陷引起的兰姆波散射信号,然后,将采集到的多模式散射信号进行模式分离处理,再将模式分离后的兰姆波散射信号经时间反转后并在相应的接收器处重新激励,在频域中运用格林函数反向传播兰姆波散射信号,获取监测区域的声场信息,与正向传播声场进行互相关,重建缺陷图像.首先对铝板中单缺陷以及复合材料板中相邻的两个相同缺陷进行数值仿真,对比有无模式分离处理的缺陷逆时偏移成像效果,体现出模式分离的重要性.在此基础上,采用逆时偏移方法对复合板材内位置邻近、深度不同的双缺陷进行识别.数值结果表明,模式分离预处理后的缺陷重建图像能够有效去除多模式干扰产生的伪像.文中提出的成像方法对各向同性板和各向异性板内缺陷的检测和成像具有很好的发展潜力,可以准确地探测多个缺陷的形状、尺寸和深度.     

基于粒子群算法的稀疏阵列超声相控阵全聚焦成像

为降低相控阵超声检测全聚焦算法的成像数据量及阵列稀疏优化的计算时间,研究了一种用于稀疏阵列全聚焦成像的阵列优化算法,并通过实验对其成像效果进行了验证。针对目前超声相控阵检测的全矩阵采集数据量大、全聚焦算法成像时间长的难点,该文通过构建稀疏阵列,在保证成像质量的同时显著降低成像数据量,提高了全聚焦算法的成像效率。通过以主瓣宽度、旁瓣峰值以及主瓣峰值作为约束条件构建适应度函数,采用粒子群算法得到稀疏阵元位置分布并进行阵元权重修正,并将其用于稀疏全聚焦成像。相比全阵元成像,使用粒子群算法所得的稀疏阵列的阵元个数降低了56.25%、65.62%,数据使用量降低了80.86%、88.18%。在阵列优化方面,相比遗传算法减少了84.86%的计算时间。     

碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的超声成像

碳纤维增强复合材料在制造和使用过程中会产生褶皱,褶皱缺陷的存在使得纤维层起伏不平,超声波传播至纤维界面时不同声束方向的声能量存在差异.针对此问题,提出一种基于声束指向性函数校正的全聚焦阵列成像方法:制备了含褶皱缺陷的碳纤维增强复合材料试样,建立超声阵列数据采集实验系统,捕获全矩阵数据;考虑超声发射/接收阵元不同声束方向的声能量差异,提出全聚焦成像方法的校正模型;将校正前后的全聚焦成像结果与试样的实物图和光学显微镜图像进行对比分析.实验结果表明:基于指向性函数校正的全聚焦成像方法能够有效降低背景噪声,恢复出被检试样的褶皱缺陷和铺层结构等细节信息,为碳纤维增强复合材料褶皱缺陷的精确表征提供了理论指导.     

阵元固体指向性补偿对超声全聚焦成像的 优化研究*

超声全聚焦成像中,声波的传播受到阵元指向性的影响,位于阵元不同方位的缺陷成像幅度不同。缺陷相对阵列中心偏角越大,回波幅度越低,容易造成漏检。为提高超声全聚焦算法对固体中大偏角缺陷的成像能力,该文引入了矩形阵元固体指向性函数,建立了基于固体指向性补偿的超声全聚焦优化算法,利用指向性系数对不同角度区域的成像进行幅值补偿。实验结果表明,相对于基本超声全聚焦和传统指向性补偿的超声全聚焦算法,该文固体指向性优化算法对大偏角缺陷的成像幅度补偿效果更好,检测灵敏度更高,有效避免了缺陷漏检,扩展了超声全聚焦算法检测范围。     

复杂曲面构件的超声虚拟声源阵列成像*

利用虚拟声源和合成孔径聚焦相结合的复合成像技术解决复杂曲面构件超声检测图像中的缺陷位置失真问题。首先,在水浸检测条件下利用128阵元线性阵列换能器中采集曲面构件内部缺陷的B扫描数据。通过相邻阵元界面回波时间差构建虚拟声源,并将其定义为声波在水-构件双层界面上的入射点。然后,根据实际阵元-虚拟声源-聚焦目标三者之间的声传播路径,通过合成孔径聚焦技术将各路阵元的接收信号反推至虚拟声源处进行图像的延时叠加重建,最终获得复杂曲面构件中缺陷的超声图像。结果表明,与传统B扫图像和合成孔径聚焦图像相比,虚拟源-合成孔径聚焦图像能够准确呈现复杂曲面构件的表面轮廓,精确表征构件内部的缺陷位置。     

楔块中脉冲声场及相控阵成像自检研究

相控阵横波检测必须在换能器前方加上楔块,对于楔块中的声场进行研究具有重要意义。本文通过数值计算和物理实验研究了超声相控阵楔块中的脉冲声场,分析并解释了超声相控阵系统自检成像过程中各种波形的产生机理和转换过程。首先从固体中超声传播理论出发,采用时域有限差分方法对相控阵楔块中各阵元独立发射条件下的脉冲声场进行仿真计算,给出了超声脉冲在楔块中的传播过程;然后开展了对应边界条件下相控阵楔块的B模式成像实验。数值模拟和物理实验的结果基本一致。本文的研究初步展示了楔块中的脉冲声场,其结果可为超声相控阵系统自检和楔块设计提供参考。     

基于虚拟源技术的双层固体结构超声成像

本文提出虚拟源与合成孔径技术相结合的成像方法来实现对双层结构的内部缺陷成像。通过相控阵探头延时聚焦的方法在界面形成虚拟声源,并对有机玻璃/钢双层结构中的聚焦声场进行了仿真,结果显示聚焦声束穿过界面后形成扩散球面波,适合采用合成孔径聚焦技术成像。实验中采用128阵元探头对含有横穿孔缺陷的有机玻璃/钢样品进行测量和波形采集,应用自适应滤波方法抑制界面回波,最后对波形使用合成孔径聚焦成像,得到的图像比B扫描成像具有较高的信噪比和横向分辨率,并且分辨率不随深度变化。     

基于合成孔径技术的内镜超声相控阵成像算法

利用孔径大小为2.32mm的16阵元换能器,搭建了一套16通道的内镜超声相控阵成像实验系统。在此基础上提出了一种适用于内镜成像的相控阵成像算法(PAI),该算法利用延时和叠加算法(DAS)取得扫描线数据,再利用合成孔径技术中的相干样点叠加,得到高分辨率图像。该相控阵成像算法实现了发射和接收的动态聚焦。经FieldII仿真和内镜探头超声成像实验验证,与延时和叠加算法以及动态接收聚焦算法(DRF)相比,图像的理论横向分辨率分别提高了93.68%和17.5%,实验获得的实际横向分辨率分别提高了92.78%和14.69%,验证了相控阵成像算法和实验系统的可行性。     

曲折阵综合孔径声全息成像

为使声全息成像系统有一个较好的分辨率、场视野和足够的信噪比,同时使系统造价降低,简化工艺,本文提出并分析了一种新的综合孔径成像制式——曲折发射阵综合孔径。它在保持Wells十字交叉线阵综合孔径成像制式扫描速度快、电路造价低等优点的基础上解决了其存在的发射功率与场视野相互制约的缺点。采用此制式工作的成像系统的点扩散函数分布形式已在文中给出。结果表明,适当地控制该系统的参数,可使其主瓣分布与相应的方形孔径的成像系统的点扩散函数的分布基本一样,而沿线接收阵方向的旁瓣得到降低。用计算机模拟了一个64阵元的接收阵和64阵元的曲折发射阵组成的成像系统的成像过程,结果与理论分析一致。     

基于超声相控阵的环焊缝缺陷检测方法研究

针对传统超声探头焦距固定,检测位置的改变就要更换相应焦距的探头而影响检测效率的问题,提出一种基于超声相控阵换能器的环焊缝缺陷检测方法。而超声相控阵具有电子偏转和电子聚焦特性,能在不移动的情况下发射偏转聚焦超声束,有效地解决了上述问题。首先基于超声相控线阵换能器的声场特点,采用数值分析方法,研究了影响声束偏转聚焦性能的几个主要参数。然后给出了与超声相控阵换能器相连接的多通道数据采集系统结构。介绍了单通道声信号的硬件结构及相应的信号处理方法,实现了对换能器中单个阵元的精确延时的控制。实验结果表明,优化设计的超声相控线阵换能器具有较高的检测精度和检测效率。     

相控阵高强度聚焦超声高阵元驱动效率相位独立控制方法

针对如何简化上百阵元高强度聚焦超声相控阵控制模块的问题,本文提出高阵元驱动效率的相位独立控制方法。利用该方法计算了一种256阵元中心开孔球面相控阵的聚焦声场,并与传统的幅度相位综合控制方法进行了分析和比较。计算和实验结果表明该方法在简化相控阵驱动控制模块、提高阵元驱动效率的同时,可以有效实现相控阵的空间三维单焦点聚焦。由于阵元驱动控制的简化而引起的焦域能量偏差,可以通过适当调整相控阵输入总声功率进行有效的补偿。