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。     

超声聚焦探头在固体中辐射声场的动态光弹测量方法

超声聚焦探头在声场聚焦区域具有很高的检测灵敏度和分辨力,是工业超声检测中常用的探头。聚焦探头在固体中的聚焦特性直接影响检测效果,其传统测量方法通过水中聚焦参数间接换算而来,结果存在一定的误差。动态光弹法可以直接观测透明固体中的探头辐射声场,具有直观、无反射体或水听器的浸入影响、全场观测等特征。进一步采用圆偏振光并结合Senarmont补偿法,可精确测量透明固体中探头辐射声场的绝对应力分布,给出聚焦探头在固体中的聚焦参数,包括焦距、焦柱长度和焦斑宽度。实验测量结果与有限元仿真计算及小球反射法测量结果吻合较好,表明了动态光弹法定量测量聚焦探头辐射声场的可行性。     

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。     

渐进式频率-波数域全聚焦超声成像

为了提高全聚焦超声成像的质量和速度,提出了渐进式频率波数域全聚焦超声成像方法（GTFM-FW）。首先通过逐次激励超声相控阵各阵元并全孔径采集回波,得到全矩阵数据;然后通过傅里叶变换将全矩阵数据中的一组或多组对角线数据变换到频率波数域,对各组对角线数据的变换结果进行对齐并叠加;最后利用Stolt变换和二维逆傅里叶变换得到全聚焦成像结果。为了验证算法的有效性,对仿真点目标以及试块进行了详细成像实验。结果表明:本文方法可以通过改变全矩阵数据的使用量来实现成像分辨率与旁瓣干扰间的折中。并且由于采用频率波数域处理,在成像分辨率优于传统全聚焦成像算法的情况下,运算量大大降低。      

微流控芯片流道特征超声C扫描分析

微流控芯片流道宽度处于微米尺度,存在特征辨识困难的问题。该文选取两种具有不同流道宽度和布局的典型微流控芯片,采用超声C扫描技术进行流道特征成像。利用标称中心频率15 MHz、10 MHz和5 MHz聚焦探头实施水浸C扫描检测,并分析中心频率、焦斑直径、扫描步进等关键参数对流道表征的影响。实验结果表明,对于流道宽度200μm的微流控芯片,当探头中心频率不低于10 MHz、扫描步进不超过0.1 mm时,成像分辨力和流道表征效果最佳,且流道中心间距测量误差不超过5%。同时,超声C扫描图像可以反映流道宽度变化,辨识发生堵塞的微流控芯片。     

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。      

奥氏体不锈钢窄间隙焊缝侧壁未熔合相控阵超声检测*

针对核电站主管道奥氏体不锈钢窄间隙焊缝侧壁未熔合超声检测困难的问题,该文开展基于电子背散射衍射技术的相控阵超声检测研究,并结合全聚焦方法和相位相干成像方法抑制结构噪声。利用电子背散射衍射技术建立壁厚69.5 mm,且同时包含母材和焊缝的奥氏体不锈钢窄间隙焊缝模型。沿焊缝熔合线设置深度26.5 mm、高度3.0 mm的侧壁未熔合,经过仿真优化确定了中心频率2.25 MHz、32阵元以及45°纵波楔块的相控阵超声检测参数。仿真和实验检测结果显示,侧壁未熔合检测信噪比相差不超过0.6 dB,验证了所建模型的有效性。在此基础上,利用全聚焦方法和相位相干成像方法削弱结构噪声,检测信噪比较相控阵扇扫描图像分别提升2.3 dB和4.7 dB,且侧壁未熔合深度与高度定量误差均不超过6.7%。     

扩散场重建格林函数检测钢轨近表面缺陷*

利用超声相控阵全矩阵捕获功能获取后期时间的扩散场信息,实现钢轨近表面缺陷成像。对扩散场信号进行互相关,重建阵元之间的格林函数,获取阵元之间未延时的响应,恢复被噪声湮没的早期缺陷信息,将波数成像方法用于近表面缺陷的快速成像。采用两种超声相控阵探头在钢轨表面采集实验数据,说明格林函数恢复效果与相控阵阵元的个数和激励频率有关。实验结果清晰地显示了距钢轨表面5～10 mm处的缺陷,证实了互相关方法重建格林函数对近表面缺陷检测的有效性。     

界面条件下线型超声相控阵声场特性研究

开展了界面条件下线型超声相控阵声场特性的研究.将带有楔块的超声相控阵问题合理简化为液固界面的情况进行讨论.根据射线声学理论,计算了单阵元在液固界面存在时的辐射声场,进而推导了聚焦法则,得到了超声线型阵在液固界面存在时的声场、位移场表达式.对安装在楔块上的相控阵换能器的辐射声场进行了仿真,并讨论了聚焦对换能器轴向和横向声场的影响,结果表明利用聚焦能提高分辨率和灵敏度,但聚焦区域之外声束性能更差,在实际检测中要合理利用聚焦. 关键词： 超声相控阵 界面 声场 聚焦     

在役枞树型叶根原位相控阵超声检测技术*

本文是利用相控阵超声检测成像技术对枞树型叶根进行全覆盖检测系列文章的第二篇。根据检测工艺制作人工缺陷参考试块对叶根不同区域缺陷的检测覆盖和检测灵敏度进行验证研究,并与CIVA模拟缺陷信号结果进行对比。首先采用文章Ⅰ得出的全覆盖检测工艺进行相控阵超声检测实验,针对叶根检测空间受限设计了夹具对探头进行控制,保证了耦合与检测结果的重复性,实现叶根检测数据与检测位置的对应。检测结果表明：(1)叶根内、外弧缺陷相控阵检测数据成像与Civa仿真缺陷模拟检测结果基本一致,说明利用三维扫描尺寸建模和声学仿真模拟软件可有效解决不同规格枞树型叶根全覆盖检测工艺开发难题;(2)根据相控阵检测数据S视图和A视图,结合叶根截面外形结构图可有效判别叶根各截面第1齿根处的缺陷,实现了叶根相控阵全覆盖检测;(3)按照该相控阵组合检测工艺检测出的缺陷信号信噪比高,定位精准,能有效实现在役叶根原位检测。研究结果对相控阵超声技术在汽轮机叶根在役检测工程应用具有较大的参考价值。     

Optimization of sparse synthetic transmit aperture imaging with coded excitation and frequency division

An effective aperture approach is used for optimization of a sparse synthetic transmit aperture (STA) imaging system with coded excitation and frequency division. A new two-stage algorithm is proposed for optimization of both the positions of the transmit elements and the weights of the receive elements. In order to increase the signal-to-noise ratio in a synthetic aperture system, temporal encoding of the excitation signals is employed. When comparing the excitation by linear frequency modulation (LFM) signals and phase shift key modulation (PSKM) signals, the analysis shows that chirps are better for excitation, since at the output of a compression filter the sidelobes generated are much smaller than those produced by the binary PSKM signals. Here, an implementation of a fast STA imaging is studied by spatial encoding with frequency division of the LFM signals. The proposed system employs a 64-element array with only four active elements used during transmit. The two-dimensional point spread function (PSF) produced by such a sparse STA system is compared to the PSF produced by an equivalent phased array system, using the Field II simulation program. The analysis demonstrates the superiority of the new sparse STA imaging system while using coded excitation and frequency division. Compared to a conventional phased array imaging system, this system acquires images of equivalent quality 60 times faster, when the transmit elements are fired in pairs consecutively and the power level used during transmit is very low. The fastest acquisition time is achieved when all transmit elements are fired simultaneously, which improves detectability, but at the cost of a slight degradation of the axial resolution. In real-time implementation, however, it must be borne in mind that the frame rate of a STA imaging system depends not only on the acquisition time of the data but also on the processing time needed for image reconstruction. Comparing to phased array imaging, a significant increase in the frame rate of a STA imaging system is possible if and only if an equivalent time efficient algorithm is used for image reconstruction.     

基于菲涅耳透镜阵列的红外气体传感器

菲涅耳透镜同时具有分光与会聚特性, 且体积小、重量轻和易复制, 使其在光谱检测中得到逐步应用, 但典型光谱成像仪采用菲涅耳透镜沿光轴扫描的方法来获得连续谱线, 不利于光谱仪的稳定性。考虑到气体探测需求, 选用多通道方式来获得多光谱, 提出了一种基于菲涅耳透镜阵列的新型红外气体传感器, 可实现吸收波长在3～5 μm的CO2,CO,CH4,SO2气体的实时检测。利用球面波的传输理论和瑞利判据, 推导了菲涅耳透镜光谱分辨率与透镜结构参数之间的函数关系, 并以光谱分辨率小于50nm为性能指标, 对1μm工艺的8台阶菲涅耳透镜阵列的结构参数进行了计算和误差分析。结果表明, 透镜阵列所需焦距为47.84 mm, 平均数值孔径大于0.4。     

A four-element phased array coil for high resolution and parallel MR imaging of the knee

A four-element phased array coil for MR imaging of the knee was designed, built and tested for clinical use at 1.5 Tesla. In routine imaging, it provides over twofold increase in signal-to-noise (SNR) compared to two commercially available knee coils, and supports higher spatial image resolution. The phased array knee coil was also tested for its compatibility with parallel MR imaging that reduces imaging time by several folds over conventional MR technique. Results obtained using SiMultaneous Acquisition of Spatial Harmonics (SMASH) technique shows that our phased array knee coil can be used with parallel MR imaging. These improvements may enhance knee diagnosis with higher image quality and reduced scan time.     

二维圆周光综合孔径阵的优化排列及其成像特性研究

光综合孔径成像的原理是应用干涉原理在空间频率域中进行采样,并通过傅里叶反变换或其他数值变换方法得到空间分辨力远高于单个孔径成像系统的目标图像。由若干个相同的小孔径在二维圆周上优化排列组成的综合孔径成像系统可以在二维空间频率域中实现较为均匀分布的、具有无冗余度的采样点覆盖,为高质量实时成像提供了一个有效的途径。运用模拟退火算法对由7～16个子孔径组成的二维圆周综合孔径阵列进行优化排列。并依据光学衍射成像原理,从空域和频域两个方面详细分析了二维圆周上优化排列与均匀排列光综合孔径阵的成像特性。对7～16个子孔径组成的光综合孔径的仿真结果表明：无论是在空域还是频域上,子孔径直径增大、孔径数目增多以及综合孔径阵的优化排列都是有利于提高成像质量的。但综合后的子孔径的直径的增大,虽然能获得极高的角分辨力,却并不利于成像质量的提高。     

Radiation Acoustic Field of a Linear Phased Array on a Cylindrical Surface

A new linear ultrasonic phased array fixed on a cylindrical surface is designed. This kind of the cylindrical phased array can meet the specific requirements of the application in testing pipe quality inside pipes. Using the transducer, we can not only avoid mechanical rotating but also test the quality of any point in a pipe by ultrasonic phase array technology. The focused acoustic field distributions in the axial, radial and tangential directions of the transducer are investigated theoretically by numerical simulation. The energy flux density, the width of the main lobe, the imaging resolution, the grating lobe elimination and other characteristics are analysed. The effect of the focal distance, effective aperture, transducer radius, number of total element, and steering angle on the acoustic field distribution is also studied.thoroughly. Many important results are obtained.     

Design of a capacitively decoupled transmit/receive NMR phased array for high field microscopy at 14.1T

A design is presented for a "phased array" of four transmit/receive saddle-geometry volume coils for microimaging at 600 MHz within a 45 mm clear-bore vertical magnet. The small size of the coils, approximately 10 mm in length, and high frequency of operation both present considerable challenges for the design of a phased array. The particular design consists of four saddle coils, stacked vertically, in order to produce an array suitable for imaging samples, typical of many microimaging studies, with a large length:diameter ratio. Optimal coil overlap is used to reduce the mutual inductance between adjacent coils, and capacitive networks are used to maximize the isolation between all of the coils. Standard 50 Omega input impedance preamplifiers are used so that the preamplifiers do not have to be integrated directly into the probe. Isolation between coils was better than 20 dB for all coil pairs. An increase in signal-to-noise of 70 +/- 3% was achieved, averaged over the whole array, compared to a single coil of the same dimensions. High resolution phased array images are shown for ex vivo tissue samples.     

焊缝超声相控阵检测数据深度学习降噪方法

超声相控阵检测技术在焊缝检测中具有广泛的应用.超声相控阵检测技术检测信号中常混入噪声导致检测成像时难以分辨真实的缺陷特征.这些噪声主要为无关的反射信号和局部相关的结构噪声,传统的超声图像降噪方法难以有效滤除这些噪声,且存在计算效率低、参数优化复杂等问题.该文提出了一种基于深度学习的焊缝超声相控阵检测技术检测S扫图像的降...     

大口径光学合成孔径成像技术发展现状

简明介绍了光学合成孔径的两种成像方式和光学波段合成孔径的发展概况。全面介绍镜面拼接、稀疏孔径和位相阵列3种合成孔径结构系统国内外发展现状。归纳出了目前光学合成孔径技术在天基和地基观测系统的发展趋势及技术难题。与传统单一口径的光学系统相比,光学合成孔径系统具有更高的分辨率、镜面加工难度低、易折叠、重量轻等特点,是实现高分辨率光学成像系统的一种重要且有效途径。