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。     

带楔块二维面阵列超声相控阵声场特性分析

开展了带楔块二维面阵脉冲超声相控阵辐射声场特性的研究。将安装在一定角度斜楔块上二维面阵相控阵换能器声场问题简化为液固界面情况进行讨论。以单阵元在液固平界面条件下的辐射声场为基础,推导了聚焦偏转法则,给出了带楔块二维面阵超声相控阵声场计算方法。以检测材料为钢板,安装在倾斜角为36°有机玻璃楔块上的频率为5 MHz、8×8二维面阵相控阵的辐射声场计算为例,分析了在不同偏转角和不同聚焦深度下检测材料中的辐射声场特性。计算结果表明该方法可有效的分析带楔块二维面阵超声相控阵声场特性并用于指导二维超声面阵角束探头的设计。     

稀疏光学相控阵设计方法研究

为克服光学相控阵单元间隔必须小于工作波长二分之一的限制,构建了一种稀疏光学相控阵模型。分析了一维稀疏光学相控阵在近场和远场条件下的扫描原理,并提出了一种设计方法。对其相关参数进行仿真的结果表明：稀疏光学相控阵所用的单元数目较少,单元间隔远大于工作波长,扫描范围较大,波束宽度较窄,且在整个扫描空间内没有栅瓣。因此,稀疏光学相控阵单元间隔不受工作波长的限制,同时具有较好的扫描性能。     

基于Gires-Tournois谐振腔的二维光学相控阵反射镜

光学相控阵是激光雷达中实现非机械光束偏转的一种技术方案,针对现有光学相控阵存在的尺寸大、二维集成困难等问题,提出了一种可实现二维光束偏转的新型二维光学相控阵反射镜.该反射镜采用易于集成的面阵结构,同时利用Gires-Tournois谐振腔在谐振波长附近的色散特性放大相移.仿真结果表明,该结构在谐振波长附近具有较高的相移...     

二维阵列狭缝阿达玛光谱仪波长准确度研究

二维阵列狭缝模板是阿达玛编码模板的一种新的设计思想,分析了模板上同列狭缝的加工误差对仪器波长准确度的不利影响,在此基础上,给出了减少同列狭缝高度、垂直光谱维方向上位置不一致性误差对仪器波长准确度影响的方法,以及同列狭缝在光谱维方向上位置不一致导致解码所得谱线产生的光谱偏移量的粗略估计方法,并建立模型进行仿真,计算了当模板上某列狭缝存在宽度、光谱维方向上位置不一致性误差时,解码所得其他各列狭缝谱线分布上测量误差的大小,根据仿真结果可以初步确定模板的加工精度。通过该研究有助于合理设计MEMS(微机电系统)二维阵列狭缝模板,获得对系统误差的有效补偿,提高仪器的波长准确度。     

二维多色阵列产生及控制

基于超短脉冲非线性传输过程的空间分裂和级联非共线二阶非线性过程,可以在二阶非线性介质中直接产生二维多色阵列。所形成的二维瞬态光栅可以利用同步注入的超连续白光进行探测,并实现二维多色阵列上转换放大。利用相对强度很弱的二次谐波,可以对二维多色阵列及其上转换放大进行有效控制。     

利用布拉格光栅阵列实现二维光码分多址的研究

利用布拉格光栅阵列,实现了在波长和时问上的素数跳频码的编解码。利用该编解码器,完成了在两个发送用户和一个接收用户的条件下,传输速率从20Mb／s到1．4Gb／s的光码分多址通信系统。研究了当系统传输速率超过相邻布拉格光栅间距限制条件时,系统的性能变化情况。结果表明当用户数不超过(3／2)Ps(素数跳频码的扩展因子)时,速率超限对系统性能基本无影响。在同样误码率要求条件下,地址码较长的系统,传输速率可以达到限制速率的2～3倍而不会造成明显的系统性能下降。这表明相邻布拉格光栅间距条件所限制的系统速率并非不可逾越的。     

相控阵超声热疗场共轭直接合成的模式优化研究

对多阵元超声热疗声场进行模式优化研究.在对空间声场提出合理的优化目标函数后,提出了两种优化算法进行全局寻优:一种是遗传算法构造的声场模式控制算法;另一种是特征向量算法.用遗传算法和特征向量算法对声场控制模式控制的仿真研究表明:能达到声场控制模式优化的目标,而遗传算法比特征向量算法具有更多特征优势. 关键词： 优化 遗传算法 超声相控阵 热疗     

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。     

A novel method to design sparse linear arrays for ultrasonic phased array

In ultrasonic phased array testing, a sparse array can increase the resolution by enlarging the aperture without adding system complexity. Designing a sparse array involves choosing the best or a better configuration from a large number of candidate arrays. We firstly designed sparse arrays by using a genetic algorithm, but found that the arrays have poor performance and poor consistency. So, a method based on the Minimum Redundancy Linear Array was then adopted. Some elements are determined by the minimum-redundancy array firstly in order to ensure spatial resolution and then a genetic algorithm is used to optimize the remaining elements. Sparse arrays designed by this method have much better performance and consistency compared to the arrays designed only by a genetic algorithm. Both simulation and experiment confirm the effectiveness.     

基于超声相控阵衍射波图像的缺陷测量方法*

工程应用中通常采用超声相控阵的脉冲发射法对缺陷进行扇形扫描,并通过6dB法测量缺陷尺寸。然而,基于反射波幅度的6dB测长方法很难精确地测量缺陷尺寸。本研究提出利用超声相控扇形扫描图中的缺陷衍射波图像测量缺陷尺寸以获得较高的测量精度。首先,分析了扇扫图像中缺陷衍射波特征图像及其影响参数以获得清晰的扇扫缺陷衍射波图像;其次,提出了基于衍射波的缺陷尺寸测量方法,并比较了多种测量方法的测量精度。研究结果显示：基于相控阵扇扫的缺陷衍射波测长精度较之反射波幅度法更高,而反射波法更适用于缺陷取向的测量。本研究为缺陷定量检测提供了一种更为有效的解决方案。     

基于衍射波的孔类缺陷超声相控阵定量方法研究

针对常规超声检测方法对小孔型缺陷难以准确定量的问题,利用超声相控阵的声束偏转聚焦和成像技术,基于声波在体积缺陷处的衍射特性,提出采用一次反射回波和衍射回波来确定体积缺陷的直径尺寸。以横孔模拟孔型缺陷,利用动态光弹技术对声波入射横孔的传播规律进行研究,并采用超声相控阵对孔径为Φ1-Φ4mm不同埋深以及相同埋深下Φ0.8-Φ4.8mm的等差横孔进行了试验。研究结果表明利用本文提出的定量方法能快速有效的确定孔型缺陷直径尺寸,实际计算值与理论值误差较小,对相控阵的定量问题研究具有一定的参考价值。     

超声相控阵在多层媒质中的声场模式优化

针对超声在多层媒质中的传播特性,引入相位补偿因子并结合遗传算法, 提出了一种可对多层媒质进行声聚焦控制的方法.利用该方法对16×16二维超声相控阵在多层生物媒质中的多焦点声场模式进行了仿真,计算了生物媒质不同厚度层和不同吸收系数时的声场. 结果表明:该方法能优化多焦点声场模式,抑制旁瓣,提高声场增益,将声强最大限度地聚焦在目标区域内; 改变生物组织不同层的厚度和不同层的吸收系数,焦点位置不发生变化,但焦域内的声强会有所变化.     

多层介质中超声相控阵声场仿真*

由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测。当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂。为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解。该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场。通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布。结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器。与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算。     

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。     

超声相控阵系统中基于FPGA的PCIe总线数据传输研究*

针对超声相控阵系统的高速传输需求,本文提出了一种基于FPGA的PCIe总线传输方案。实现了基于PCIe总线的相控阵数据DMA(直接存储器读写)上传、控制命令下传、发送数据缓存及驱动和上位机测试程序设计。通过实验测试了PCIe总线的DMA传输速率,可达6.5Gbit/s,并成功将该方案应用于64通道超声相控阵检测系统中,实现了超声相控阵系统的PCIe总线数据传输。     

数字化相控阵天线测试方法及测试系统设计

伴随着雷达技术的飞速发展,数字化相控阵天线开始广泛运用于各种相控阵雷达当中。由于数字化相控阵天线的工作原理与传统模拟相控阵天线差异极大,测试方法也发生了根本性的改变,原有的基于普通微波仪表的天线测试系统无法再对数字化相控阵天线进行测试,必须设计新型的数字化相控阵天线测试系统。本文首先介绍了数字化相控阵天线自身的工作原理和测试方法,随后提出了新型数字化相控阵天线测试系统的具体软硬件设计方案,实际应用表明数字化相控阵天线测试系统可以满足各种数字化相控阵天线的测试要求。     

一种用于超声成像的零相位滤波后处理方法*

针对超声成像中基于有限脉冲响应滤波器的零相位滤波处理效率低难以满足实时性要求高的系统需求的问题,提出采用无限冲激响应滤波器实现零相位滤波后处理的方法。首先,分别设计幅频特性相似的有限脉冲响应滤波器和无限冲激响应滤波器作为零相位滤波器的基础滤波器;然后,针对超声相控阵系统采集的超声波回波射频信号,采用两种不同的零相位滤波方法进行处理,对比分析二者的性能、成像效果和效率。结果表明,实现幅频特性近似的零相位滤波,无限冲激响应滤波器具有更低的阶数,可以达到前者的1/4,算法的运算量更低,仅约为前者的1/2。当无限冲激响应滤波器采用直接形式实现时,效率更高,系统的实时性更好。