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。     

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。     

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。     

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。     

超声全聚焦成像中等声程线伪影剔除方法

针对超声全聚焦成像算法中等声程线扩散产生的原理性伪影问题,提出了一种基于超声回波声场有效等声程线和图像强度分布特征相结合的伪影剔除方法。首先分析了全聚焦成像算法中等声程线产生伪影的机理,根据数据均方根误差自适应辨识有效等声程线;通过Canny算子获取全聚焦图像待处理候选区域,再根据候选区域中有效等声程线相交次数和图像强度的分布特征辨识缺陷图像和伪影,利用图像中强度最低像素值扩展填充剔除伪影后的区域,进而达到剔除伪影的目的。通过在不同直径通孔类和槽类标准缺陷试块上声场模拟实验,结果表明伪影剔除效果显著。同时,该方法对噪声也有一定的抑制能力,在不加滤波的条件下信号信噪比高于15 dB时就可获得较好的去伪影效果。     

合成孔径聚焦超声成像(三)

在合成孔径超声成像中，用小孔径基元换能器发射声波，并继而采集被目标或缺陷散射产生的回波信号．数据采集完成后，通过处理才能得到高分辨的重建声图．对种种不同的合成孔径成像技术而言，成像过程都可以分为两步：1．数据采集和存储；2．图像重建．在第一步中由基元换能器完成的电一声、声一电信号转换功能，及由后续电路完成的信号量化、采集功能，对各种不同的合成孔径成像技术而言，在原理上是没有多少不同的．各种不同的成像系统间的差别，主要在于所应用的图像重建原理及算法．在第一讲及第二讲中，我们分别介绍了基于等效线阵及匹…     

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.     

相控阵超声接收动态聚焦算法及其物理实现

本文提出一种新的相控阵接收动态聚焦的实现方案,在传统的单接收聚焦点接收的基础上,把各换能器单元接收信号的补偿位置计算出来,在各通道数据叠加前将数据动态补偿,实现各个采样点都接收动态聚焦。在工程上,实际检测深度有一定范围限制,补偿点数其实并不是太大,所以方法具有可实现的条件。并且在计算补偿点时,可以使用楔块折射后的声波传播路径,使在折射的条件下也可成功动态聚焦。本文提供了计算补偿点的方法,最后给出了计算机仿真对比和物理实现方案,仿真结果可以看出成像效果与传统单点聚焦相控阵对比有了显著提高。提出的动态聚焦的方法很大地改善了成像质量,方法具有实用价值。     

各向异性焊缝缺陷超声阵列全聚焦成像方法

针对奥氏体不锈钢焊接构件安全评价需要,对各向异性结构中超声波传播特性进行了研究,利用射线追踪法确定了各向异性介质中声波传播路径。在传统全聚焦成像基础上,发展了一种用于各向异性焊缝中缺陷检测的超声阵列全聚焦成像方法。通过数值仿真和实验,研究了介质材质对超声阵列成像的影响,结果表明,发展的全聚焦成像方法可以很好实现各向异性焊缝中缺陷检测,缺陷定位更准确。项目研究工作为奥氏体不锈钢焊缝检测提供了可行的技术方案.     

相位加权的矢量全聚焦超声阵列成像方法研究

常规矢量全聚焦成像仅利用检测信号的幅值信息,其成像质量受噪声、栅瓣和旁瓣等的影响大。综合利用检测信号的幅值和相位信息,本文提出两种相位加权的矢量全聚焦成像方法。首先,对全矩阵数据的相位信息进行分析,提取出两种相位特征参数:相位一致因子(Phase Coherence Factor:PCF)和极性一致因子(Sign Coherence Factor:SCF);然后,将全阵列划分为若干子阵列,分别利用两种相位特征参数对各个子阵列的成像幅值进行加权,求取加权幅值特征向量;最后,对所有子阵列的加权特征向量进行合成,得到两种加权的矢量全聚焦成像,并从中提取出裂纹方向及尺寸等特征信息。将三种矢量全聚焦成像方法应用于不同缺陷检测仿真及实验验证,结果表明,3种方法均可以实现缺陷方向识别与长度定量测量;但相位加权矢量全聚焦成像效果明显优于常规矢量全聚焦成像结果,其成像信噪比及分辨率更高,缺陷角度及长度测量结果更准确。本文研究工作为缺陷无损评价提供了可行的技术手段。     

An ultrasonic multi-wave focusing and imaging method for linear phased arrays

To overcome the inherent limits of traditional single wave imaging for nondestructive testing,the multi-wave focusing and imaging method is thoroughly studied.This method makes the compressional waves and shear waves focused in both emission and reception processes,which strengthens the focusing energy and improves the signal-to-noise ratio of received signals.A numerical model is developed to study the characteristics of a multi-wave focusing field.It is shown that the element width approaching 0.8 wavelengths of shear waves can keep a balance between the radiation energy of two waves,which can achieve a desirable multi-wave focusing performance.And an experiment using different imaging methods for a linear phased array is performed.It can be concluded that due to the combination of the propagation and reflection characteristics of two waves,the multi-wave focusing and imaging method can significantly improve the imaging distinguishability of defects and expand the available sweeping range to a sector of-650 to 65°.     

圆柱类构件超声相控阵聚焦模型

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时,受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响,扫描声束的波阵面产生弯曲,在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低,无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题,建立了一种基于圆柱类构件特征和耦合介质特性的超声相控阵扫描成像的聚焦模型。该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线模型和折射定律,建立了耦合介质及被检构件的声速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的延迟时间聚焦控制模型。利用该模型计算出的延时时间,对各阵元发射时间进行控制,从而实现扫描声束的聚焦。该文以液体和有机玻璃制介质楔块为例,对圆柱钢曲面的相控阵声束聚焦进行了仿真实验,结果表明该文方法计算效率显著提升,同时声束可以在预设位置实现聚焦,验证了该模型在计算效率上的优势与有效性。     

Optimal ultrasonic array focusing in attenuative media

This paper presents a parametric study on the efficiency of ultrasound focusing in an attenuative medium, using phased arrays. Specifically, an analytical model of ultrasound wave focusing in a homogeneous, isotropic and attenuative fluid with point sources is presented. Calculations based on the model have shown that in an attenuative medium, an optimum frequency exists for the best focusing performance for a particular size of aperture and focal distance. The effect of different f numbers on the focusing performance in the attenuative medium is further investigated. The information obtained from the analytical model provides insights into the design and installation of a phased transducer array for energy efficient wave focusing.     

超声数字式相控阵换能器动态聚焦系统研制

本文是研制超声相控阵换能器动态聚焦系统,它包括数字式多通道信号发射系统和两种超声相控阵换能器。用数字式多通道信号发射系统产生多路数字信号,通 过改变每路信号的时延(相位),控制相控阵换能器的各个阵元,使它们发出的声束在空间某点聚焦。我们对这两种相控阵进行了实验测量,结果表明,用数字控 制的相控阵换能器,可以实现精密的动态聚焦,并可取得良好的聚焦效果。     

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。     

浅海低频垂直相控阵多模声场聚焦研究*

为了提高低频垂直相控阵声场聚焦的环境适应性,增强环境失配情况下的声场聚焦效果,提出一种多模声场聚焦方法。该方法利用环境失配对低阶模态影响相对较小的特点,只利用前3阶模态进行发射权系数的计算。仿真结果表明,多模声场具有较大的聚焦跨度,在环境失配情况下仍能在期望的聚焦位置实现良好的聚焦效果。进一步地,根据巴斯微扰理论计算分析了多模声场的混响特性。由于多模声场聚焦将能量集中到了掠射角较小的低阶模态中,因此比最优权系数聚焦具有更低的混响平均强度。多模聚焦对聚焦深度进行扫描可以实现目标的深度分辨,这在水下目标探测方面具有较高的应用前景。     

固体中线性相控阵列的瞬态聚焦特性

针对线性相控阵列在固体介质中的声场聚焦特性及参数优化问题,该文给出了一个线性阵列的纵波瞬态聚焦声场模型.数值结果表明,当阵元被短时脉冲信号激励时,瞬态聚焦声场中不会形成栅瓣,突破了传统稳态理论模型中对阵元间距的限制;同时由于横纵波在聚焦区域内可完全分离,声束旁瓣的幅值也得到了抑制.其次,增大阵元间距能够显著提高聚焦性能...