基于时间反转的骨裂纹超声成像模拟研究

提出了一种结合超声非线性和时间反转技术进行长骨中裂纹成像的技术.骨裂纹的超声散射信号中包含非经典非线性成分.从时反阵列接收的探测信号中,经滤波得到三次谐波;然后利用时间反转技术来对裂纹区域进行聚焦成像.在计算机仿真实验中,基于Preisach-Mayergoyz(PM)模型模拟了单个及两个骨裂纹产生的非线性信号,实现了时间反转的非线性成像,并讨论了裂纹的深度位置对成像结果的影响.该方法为骨裂纹的超声无损检测提供了一种新技术.     

时间反转处理用于掩埋目标检测

研究了有PS(Probe Source)源发-收时间反转在强混响背景下对掩埋目标的检验问题.所提出的发-收互动时反处理是:在目标处放一个PS声源产生引导信号, SRA(Source Receiver Array)接收引导信号,并对接收稿:的信号做物理时反(即多路径补偿反波束形成),将声能聚焦在目标位置处,对SRA接收稿:的目标散射回波做与发射聚焦互动的接收聚焦(即多路径补偿波束形成),得到聚焦后的目标回波,实现发-收互动的聚焦.并对常规BS(Broadside)发射检测(没有时间反转)和时间反转检测两种方法各自的性能进行了比较.实验室波导掩埋目标实验数据处理验证了理论分析的结论,并证明时间反转检测比常规BS发射检测可得到更大的信混比,从而提高了掩埋目标的检测概率.     

不确实环境下目标检测与定位的宽容性最小方差时反波束形成

揭示了时间反转技术的本质,指出时反不仅是一个物理过程,更是一种信号处理方法,进而提出"时反波束形成"的概念.针对时反空时聚焦特性受到环境不确实性限制的问题,研究了用模型探查源(MS)代替实探查源(PS)的发射时反波束形成实现发射聚焦,以及用对角线加载的宽容性MVDR接收时反波束形成实现接收聚焦,并最后用于目标检测.水池实验的结果表明了该发射聚焦和接收聚焦在不确实环境下用于目标检测及其距离估计的有效性.     

混沌腔体换能器在反向滤波弹性检测中的应用及其仿真研究

针对传统单通道时间反转无损检测成像质量低,检测灵敏度差的问题,通过混沌腔体换能器(Chaotic Cavity Transducer:CCT)的应用,极大提高聚焦检测的能力。CCT的使用可以更好的利用介质的各经历态特性,其有效解决了单通道时间反转检测中的幻影成像及边界应力增加的问题。实验过程中采用了线性调频激发信号源(Chirped Excitation:CE)及反向滤波技术(Inverse Filter:IF),他们分别能够携带更多的能量及利用更多反转信号的模态,进而有效的提高信号聚焦的质量。为了更好的理解混沌腔体换能器的特性,采用了非连续Galerkin算法对其聚焦性能进行了数值仿真和分析。数值仿真的结果及混响介质检测与成像的实现,验证了CCT与CE及IF结合应用的有效性和高效性。      

改进的时间反转法用于有界面时超声目标探测的鉴别

在存在界面(或)底面时,用现有的时间反转法进行超声自适应聚焦的目标探测时,虽然可以获得处理增益,但却不能区分目标和界面(或底面)。这是因为界面反射波和目标反射波将完全相干叠加在一起形成相干峰。普通超声脉冲反射法在检测接近于界面的目标时也有同样的缺点。本文提出了一个改进的时间反转法即换元接收的时间反转法,这时界面反射波的相干峰将消失,因此它可以实现在有界面时目标是否存在的鉴别。     

结合主动时间反转算法的短基线定位研究

短基线声学定位技术是水下运动目标定位的重要研究内容。为了解决定位系统工作于浅水或近岸时多途扩展严重造成的时延估计误差和系统工作不稳定的问题,本文提出一种结合时间反转算法的短基线宽带应答定位技术,该方法利用短基线阵元发射宽带信号,通过应答器接收该信号时间反转处理后再返回给短基线阵元位置,实现信道多途的自适应聚焦,进而提高时延估计精度及信号检测的鲁棒性。仿真研究和湖上试验表明,该方法能够充分利用信道多途信息实现聚焦,减少信道多途对定位信号时延估计的影响,具有较强的抗噪声和多途干扰的能力。相对传统定位方法,该方法可以抑制短基线定位过程中误差及野点的产生,改善了物体定位导航的精度。      

有平界面存在时时间反转法的自聚焦性能

时间反转法是一种具有独特优点的自适应聚焦方法,对超声成像中图象畸变的消除有重要价值。本文就声场中存在介质分平面时,对时间反转法实现自聚焦的声场给出了解析式;并运用所建立起来的时间反转成像实验系统进行了有平界面存在时的自聚焦实验,实验所得自聚焦增益与理论计算结果相符。     

用时间反转法在水下波导介质中实现自适应聚焦的研究

研究了水下波导中声波时间反转自适应聚焦问题,分别在半无界流体介质和置于半无界刚性固体之上的流体层中开展了时间反转法的理论和实验研究工作。理论上采用射线近似方法分析了时间反转声场特性,实验上在实验室内开展了水下波导的超声模拟实验。理论和实验证明,聚焦增益可以提高 12 dB以上。     

基于虚拟源时间反转的经颅超声精确聚焦*

针对经颅超声难以精确聚焦的问题,本文研究了基于虚拟源的时间反转方法,建立颅骨二维数字模型,在聚焦目标处设置虚拟声源,利用时域有限差分法模拟超声时间反转过程,并考察基于虚拟源时间反转方法的聚焦效果。数值仿真结果表明,基于虚拟源的时间反转方法可以实现经颅超声的精确聚焦,聚焦强度和精度好于传统的相控聚焦;换能器中心频率和数量对聚焦效果的影响规律与相控聚焦时类似;该方法可以同时向多个焦点聚焦,并自适应调节各焦点处声压幅度。     

混沌腔体换能器在非线性弹性检测中的应用

介绍了混沌腔体换能器(Chaotic Cavity Transducer:CCT)聚焦与非线性弹性波谱(Nonlinear Elastic Wave Spectroscopy:NEWS)法的结合在材料微观缺陷检测中的应用。CCT聚焦是CCT与声学时间反转(Time Reversal:TR)技术或反向滤波(Inverse Filter:IF)技术相结合的过程,此过程能够有效提高聚焦检测的能力。为了提高聚焦的质量,实验过程中采用了线性调频激发信号源及反向滤波技术。非混响的合成平板介质材料的聚焦过程及钢介质材料裂纹的成像检测结果证实了CCT与NEWS的结合在非线性聚焦及成像过程的高效性,及CCT在应用过程中克服幻影成像问题及边界应变增加问题的有效性。      

光外差超声无损探伤系统的实验设计和信号处理

对光外差超声无损探伤实验系统的结构、原理进行了说明.分析了系统参数设计中信号光与本振光的光程差、探测器的相对位置和聚焦透镜的焦距这三个要素对外差效率的重要影响,根据理论计算所设计的光外差超声无损探伤系统,外差效率可达0.965.该系统用于由脉冲激励超声工件的内部探伤,观察到距离1 555 mm处钢管微小裂缝的超声反射信号.对零差信号利用三角函数拟合和最小二乘法进行数学处理,可测得裂缝处相对探测点的距离,相对误差为0.19%,可以达到对金属管道远程无损探伤的要求.     

空气耦合超声检测复合材料研究综述

复合材料普遍具有高比强度、高比刚度、高模量、耐腐蚀等优异性能,广泛应用于飞机机翼、导弹外壳、航空发动机壳体等部位。制造和服役过程中各类缺陷影响复合材料的力学性能和服役性能,必须采用有效的方法准确检测和评估复合材料中各类缺陷。空气耦合式超声检测具有完全非接触、非侵入、无损伤和无需耦合剂的特点,能够很好地运用于复合材料的在线和在位检测。该文就近年来空气耦合超声检测技术的研究现状进行了系统综述,简明扼要地分析和介绍了当前空气耦合超声检测的研究热点及进展,重点介绍了1-3型压电复合材料换能器、信号处理技术、相控聚焦式空气耦合超声检测、超声在复合材料的传播特性及其与缺陷交互作用的研究现状,探讨了空气耦合超声无损检测技术与仪器的发展方向,总结了目前空气耦合超声检测的研究热点问题,最后展望了空气耦合超声检测的发展趋势和应用前景。     

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。     

TRC路径特征及其对时间反演信噪比的影响

时间反演具有时空聚焦特征，在许多方面有着潜在的应用。其中，基于时间反演腔的系统是一种主要的反演系统，可用于脉冲压缩、波束成形、微扰探测等。时间反演腔通常是一个电大的微波混沌腔，内部电磁波的传播具有明显的多径特征，即时间色散特征。因此，在时间反演过程中，反演腔可对反演信号进行相位补偿，重构出初始信号，从而在初始位置形成脉冲的时间压缩和空间聚焦。为了拓展时间反演腔的实际应用，本文基于多径信道模型研究腔体参数对反演性能的影响，重点分析路径的衰减特征、串扰特征和叠加特征对反演信噪比的影响，并总结给出影响反演信噪比的主要参数以及基本规律。     

二维信号分析法在超声无损检测中的应用

本文综述了近年来二维信号分析法在超声无检测（NDT）中的应用,其中包括二维快速Fourier交换（FFT）、Wigner-Ville分布（WWD）、Gabor变换（GT）和小波变换（WT）等,对它们自在NDT应用中的优缺点进行了分析比较和讨论。     

虚拟式声显微镜及应用技术研究

本文描述一台虚拟式扫描声显微镜及应用技术研究，它的硬件特别简单，仅由一台带有超高速A/D卡和快脉冲收发卡的PC机和机械扫描系统组成，主要的功能均由软件完成，脉冲收发卡仅包括脉冲产生和高频放大器，A/D卡采用PCI总线，采样率1GSPS，数据传输率100MB/s，系统能采集并实时显示频率达百兆的未检波回波信号，采修订本以的信号经软件处理，可在屏幕上实时显示样品的A、B、C型幅度像或相位像，仪器利用信号处理技术提高信号的信噪比；进行特征提取，识别，该仪器在材料识别，电子、光电子器件和焊接质量检测等方面功能较强，具有广阔的开发应用前景。     

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.     

铝合金板疲劳微裂纹超声红外成像检测的数值及实验研究*

超声红外成像检测技术是一种发展迅速的新型无损检测技术,可用于检测材料表面或近表面的缺陷,由于对缺陷具有选择性加热的特点,近年备受检测行业的关注。在铝合金板中制作疲劳微裂纹,在板中激励声波,裂纹表面因振动摩擦生热,用红外摄像仪记录板表面温度分布。拍摄的红外图像序列经傅立叶变换后得到的幅值和相位图能清晰显示裂纹的特征,测量到的裂纹长度误差达到4.3%。用有限元模拟超声在板中裂纹处的生热过程,研究板中超声在裂纹处的励热机制。超声的激励时间、裂纹表面间的摩擦系数和裂纹开口宽度直接影响裂纹处的励热效果,温度最高通常位于裂纹尖端附近。实验和模拟结果均表明超声红外成像检测技术能对板中疲劳微裂纹实现快速检测,提供有效、可信的检测结果。     

Transmission mode time-reversal super-resolution imaging

The theory of time-reversal super-resolution imaging of point targets embedded in a reciprocal background medium [A. J. Devaney, "Super-resolution imaging using time-reversal and MUSIC," J. Acoust. Soc. Am. (to be published)] is generalized to the case where the transmitter and receiver sensor arrays need not be coincident and for cases where the background medium can be nonreciprocal. The new theory developed herein is based on the singular value decomposition of the generalized multistatic data matrix of the sensor system rather than the standard eigenvector/eigenvalue decomposition of the time-reversal matrix as was employed in the above-mentioned work and other treatments of time-reversal imaging [Prada, Thomas, and Fink, "The iterative time reversal process: Analysis of the convergence," J. Acoust. Soc. Am. 97, 62 (1995); Prada et al., "Decomposition of the time reversal operator: Detection and selective focusing on two scatterers," J. Acoust. Soc. Am. 99, 2067 (1996)]. A generalized multiple signal classification (MUSIC) algorithm is derived that allows super-resolution imaging of both well-resolved and non-well-resolved point targets from arbitrary sensor array geometries. MUSIC exploits the orthogonal nature of the scatterer and noise subspaces defined by the singular vectors of the multistatic data matrix to form scatterer images. The time-reversal/MUSIC algorithm is tested and validated in two computer simulations of offset vertical seismic profiling where the sensor sources are aligned along the earth's surface and the receiver array is aligned along a subsurface borehole. All results demonstrate the high contrast, high resolution imaging capabilities of this new algorithm combination when compared with "classical" backpropagation or field focusing. Above and beyond the application of seismo-acoustic imaging, the time-reversal super-resolution theory has applications in ocean acoustics for target location, and ultrasonic nondestructive evaluation of parts.     

面向开环扫描系统的超声图像畸变校正方法

超声显微成像技术广泛应用于工业无损检测领域。相较于闭环、半闭环扫描系统硬件复杂、成本高,开环扫描系统结构简单、成本低,但由于无反馈机制会导致步进电机的非线性运动引起图像像素错位畸变。因此,消除非线性运动带来的错位畸变是采用开环扫描系统实现高质量超声成像的关键。该文提出集最大值投影法、最大类间方差法和中心坐标校正法于一体的MIP-Otsu-C³M方法,对开环扫描系统获得的硬币回波数据采用最大值投影法获取初始灰度图像,采用最大类间方差法获取感兴趣区域的B扫描图像边缘像素位置,并采用中心坐标校正法成功消除像素错位,解决了超声C扫描图像畸变问题。对消除错位畸变的回波数据进行飞行时间法和傅里叶变换法图像重建,直接获得了非畸变的三维图像和透视图像。该新颖算法也验证了最大值投影法可拓展至图像畸变校正应用。