用平面探头发射、聚焦探头接收的线性合成孔径聚焦技术

为了解决现有合成孔径聚焦技术(SAFT)方案中分辨率与灵敏度这一矛盾,在现有SAFT成像的基础上,新提出了一种平面探头发射、聚焦探头接收的线性合成孔径聚焦技术的成像方案。对该方案进行了理论分析,推导出了相应的成像算法,并建立了一套包括超声分析仪、超高速数据采集装置、机械扫描装置和计算机组成的SAFT成像系统,发展了相应的实验方法和计算机软件,对三组具有不同形状的人工缺陷的试块进行了成像实验,结果较好,分辨率至少可达1.5λ.     

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。     

基于共焦照明的合成孔径成像方法

合成孔径成像技术利用虚拟大尺寸孔径可实现局部被遮挡目标的有效探测,但是当场景中存在强背向散射时,重聚焦图像质量大大降低。针对上述问题,提出了一种基于共焦照明的合成孔径成像方法。该方法根据场景目标分布的深度信息对照明光源进行调制,有效实现聚焦面目标和非聚焦面目标接收的光照度差异;同时结合合成孔径成像重聚焦方法,实现了局部被遮挡的共焦照明面目标的高质量重建。利用反镜阵列搭建了共焦照明合成孔径成像系统,对指定深度目标进行共焦照明重聚焦成像,结果表明,所提方法能够有效区分场景中聚焦面和非聚焦面目标反射光的强度,并能获取共焦照明面目标的高质量图像信息,效果远远优于现有的合成孔径成像方法。     

非线性合成孔径聚焦超声成像

论文介绍了合成孔径聚焦超声成像系统原理。建立了一个无损检测超声成像系统。同时，为了进一步提高分辨率，设计了基于相关系数的非线性合成孔径聚焦算法。然后利用此算法对试块成像，结果表明，与延时叠加合成孔径算法相比，基于相关性分析的非线性合成孔径算法提高了图像的分辨率，改善了图像质量。     

超声虚源成像中自适应双向空间逐点聚焦方法

针对传统超声成像中图像分辨率和对比度随深度下降的问题,提出了一种基于虚源的自适应双向空间逐点聚焦超声成像方法。首先,使用超声换能器线列阵分子孔径分别定焦点发射和接收超声波,采集扫描线数据;然后将焦点视为虚拟点声源,计算虚源到空间成像点的延时,利用合成孔径原理再次进行空间逐点聚焦;在合成过程中采用相干系数进行自适应加权。采用空间脉冲响应法对不同深度的点目标和囊目标仿真成像,从而量化分辨率和对比度。在F数为1.5、焦距为10 mm时(对应子孔径阵元数为17)可以获得与64通道定焦点发射、动态聚焦接收相当的图像质量且在所有深度上保持一致。实际硬件平台的体模成像实验进一步验证了方法的有效性。该方法可在整个成像深度范围内保持和常规成像一致的分辨率和对比度,从而获得更优的整体成像效果。      

超声虚源成像中自适应双向空间逐点聚焦方法

针对传统超声成像中图像分辨率和对比度随深度下降的问题,提出了一种基于虚源的自适应双向空间逐点聚焦超声成像方法。首先,使用超声换能器线列阵分子孔径分别定焦点发射和接收超声波,采集扫描线数据;然后将焦点视为虚拟点声源,计算虚源到空间成像点的延时,利用合成孔径原理再次进行空间逐点聚焦;在合成过程中采用相干系数进行自适应加权。采用空间脉冲响应法对不同深度的点目标和囊目标仿真成像,从而量化分辨率和对比度。在F数为1.5、焦距为10 mm时(对应子孔径阵元数为17)可以获得与64通道定焦点发射、动态聚焦接收相当的图像质量且在所有深度上保持一致。实际硬件平台的体模成像实验进一步验证了方法的有效性。该方法可在整个成像深度范围内保持和常规成像一致的分辨率和对比度,从而获得更优的整体成像效果。     

一种基于随机序列的正交离散频率编码信号

双基地合成孔径声呐克服了单基地声呐系统的诸多缺陷,在成像等方面有很大优势,但时间同步仍然是一个目前制约成像质量的重要因素,时间同步误差影响是值得关注的重要问题。在回波信号模型和时间同步误差模型基础上,针对双基地合成孔径声呐进行误差影响的理论分析,并进行仿真验证。结果表明,固定时间误差主要引起距离向聚焦位置偏移,线性时间误差引起方位向聚焦模糊和分辨率降低,随机时间误差引起距离与方位向旁瓣升高。     

12.9m高分辨率合成孔径激光雷达成像

报道了一个条带模式合成孔径激光雷达(SAL)实验室高分辨率成像结果。以0.5 mm×0.5 mm的等效收发口径,在一个12.9 m距离上,实现了高分辨率SAL成像,获得了照片级的高质量图像。图像的方位合成孔径分辨率超过真实口径衍射极限分辨率的100倍。详细给出了合作目标和漫反射目标的距离压缩像、方位聚焦像和相位梯度自聚焦(PGA)处理像。实验数据展现了清晰的SAL图像形成过程,显示出了各处理步骤的典型聚焦效果。实验结果演示了PGA在SAL图像处理中的稳健聚焦能力,多次迭代能较大幅度地提高成像质量。     

基于自适应窗的合成孔径激光雷达联合时频成像方法

传统距离-多普勒算法中观测期间多普勒频率为常量的假设在合成孔径激光雷达系统中不再成立.根据合成孔径激光雷达回波信号模型,推导计算了振动对合成孔径激光雷达回波相位的影响.根据实际情况引入振动频率不超过500 Hz、振幅不超过0.2 mm的机载平台微振动参量,结果表明载机微振动对合成孔径激光雷达成像的方位分辨率影响很大,而对距离分辨率影响不大.采用时频分析成像方法,能够有效克服传统距离-多普勒算法对时变信号处理的局限性.分析比较Wigner-Ville分布、伪WWigner-Ville分布和平滑伪Wigner-Ville分布作为核函数的时频成像结果,均无法兼顾成像分辨率和成像效率.据此本文提出了一种基于自适应窗的联合时频成像方法,根据变异系数和变异阈值的比较自适应地调整子区域窗口大小,从而达到成像分辨率和算法效率的平衡优化.仿真结果表明,本算法对成像分辨率影响不大,成像时间减少近69.87%,适用于合成孔径激光雷达对成像高分辨率和成像效率的要求.     

基于自适应窗的合成孔径激光雷达联合时频成像方法

传统距离-多普勒算法中观测期间多普勒频率为常量的假设在合成孔径激光雷达系统中不再成立.根据合成孔径激光雷达回波信号模型,推导计算了振动对合成孔径激光雷达回波相位的影响.根据实际情况引入振动频率不超过500Hz、振幅不超过0.2mm的机载平台微振动参量,结果表明载机微振动对合成孔径激光雷达成像的方位分辨率影响很大,而对距离分辨率影响不大.采用时频分析成像方法,能够有效克服传统距离-多普勒算法对时变信号处理的局限性.分析比较Wigner-Ville分布、伪WWigner-Ville分布和平滑伪Wigner-Ville分布作为核函数的时频成像结果,均无法兼顾成像分辨率和成像效率.据此本文提出了一种基于自适应窗的联合时频成像方法,根据变异系数和变异阈值的比较自适应地调整子区域窗口大小,从而达到成像分辨率和算法效率的平衡优化.仿真结果表明,本算法对成像分辨率影响不大,成像时间减少近69.87%,适用于合成孔径激光雷达对成像高分辨率和成像效率的要求.     

Synthetic aperture imaging using sources with finite aperture: deconvolution of the spatial impulse response

A method for ultrasonic synthetic aperture imaging using finite-sized transducers is introduced that is based on a compact, linear, discrete model of the ultrasonic measurement system developed using matrix formalism. Using this model a time-domain algorithm for deconvolution of the transducer's spatial impulse responses (SIRs) is developed that is based on a minimum mean square error (MMSE) criterion. The algorithm takes the form of a spatiotemporal filter that compensates for the SIRs associated with a finite-sized transducer at every point of the processed image. A major advantage of the proposed method is that it can be used for any transducer, provided that its associated SIRs are known. This is in contrast to the synthetic aperture focusing technique (SAFT), which treats the transducer as a point source. The performance of the method is evaluated with simulations and experiments, performed in water using a linear phased array. The results obtained using the proposed method are compared to those obtained with a classical time-domain SAFT algorithm. For a finite aperture source, it is clearly shown that the resolution obtained using the proposed method is superior to that obtained using the SAFT algorithm.     

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。     

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。     

相控阵井壁成像仪高压电源纹波噪声抑制研究

针对超声相控阵井壁成像仪工作环境恶劣以及超声脉冲发射所需高压电源纹波噪声对超声回波信号干扰大的问题,提出一种高温环境下高压电源纹波噪声抑制方法并进行设计分析。本方法综合开关电源与线性稳压电源各自的技术优势且注重纹波噪声抑制和耐高温设计。利用开关电源完成不同电压幅值的高效转换并在电源输出端增设专门的EMI滤波电路,再利用屏蔽罩对电源进行屏蔽,最后输出电压再经过一级线性稳压电路进一步进行稳压滤波。实测结果表明,利用该方法,电源的纹波与辐射噪声得到了抑制,有效减少电源对回波信号的干扰,且输出电压稳定,提高了超声相控阵井壁成像仪井下工作的稳定性。     

Defect imaging with elastic waves in inhomogeneous-anisotropic materials with composite geometries

Imaging of defects in composite structures plays an important role in non-destructive testing (NDT) with elastic waves, i.e., ultrasound. Traditionally the imaging of such defects is performed using the synthetic aperture focusing technique (SAFT) algorithm assuming homogeneous isotropic materials. However, if parts of the structure are inhomogeneous and/or anisotropic, this algorithm fail to produce correct results that are needed in order to asses the lifetime of the part under test. Here we present a modification of this algorithm which enables a correct imaging of defects in inhomogeneous and/or anisotropic composite structures, whence it is termed InASAFT. The InASAFT is based on the exact modelling of the structure in order to account for the true nature of the elastic wave propagation using travel time ray tracing techniques. The algorithm is validated upon several numerical and real life examples yielding satisfactory results for imaging of cracks. The modified algorithm suffers, though, from the same difficulties encountered in the SAFT algorithm, namely “ghost” images and eventual lack of clear focused images. However, these artifacts can be identified using a forward wave propagation analysis of the structure.     

线阵扫描超声相关合成成像方法与实验

本文讨论了改进的医用B超线阵扫描探头在工业无损检测中的应用．在合成孔径聚焦技术（SAFT）基础上提出了改进方法，在探元响应带宽较窄的情况下可获得较高信噪比的成像结果．文中介绍了成像系统，实验方法，并给出了一些实验结果．     

Ultrasound field estimation method using a secondary source-array numerically constructed from a limited number of pressure measurements

A new and faster method for the accurate estimation of acoustic fields of underwater ultrasonic transducers was developed, tested experimentally, and compared to previously reported methods. Using a limited number of pressure measurements close to the transducer's face, the method numerically constructs a virtual secondary source-array whose acoustic field is similar to the field generated by the actual transducer (primary source). The measured data are used to obtain the normal particle velocity on the surface of the virtual secondary source-array, which in turn permits the calculation of the forward propagating field using the Rayleigh-Sommerfeld diffraction integral. The method is novel in that it constructs a virtual secondary source-array, thus eliminating the problems associated with obtaining the excitation source of a real transducer; and it is faster because it uses finite differences instead of a matrix inversion to obtain the excitation source. Results showed that predicted ultrasound fields agreed quantitatively and qualitatively with measured fields for three commonly used transducer types: two planar radiators (one circular, 0.5 MHz, 1.9-cm diam.; and one square, 1 MHz, 1.2 cm on a side), and a sharply focused radiator (1.5 MHz, 10-cm diam., 10-cm radius of curvature). The agreements suggest that the secondary source-array method (SSAM) is applicable to a wide range of radiator sizes, shapes, and operating frequencies. The SSAM was also compared to these authors' previous equivalent phased array methods (EPAM) [J. Acoust. Soc. Am. 102, 2734-2741 (1997); and Concentric ring equivalent phased array method (CREPAM), UFFC 46, 830-841 (1999)] which require matrix inversions. The SSAM proved to be much faster and equally or more nearly accurate than the previous methods.     

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。