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。     

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。     

基于虚拟源技术的双层固体结构超声成像

本文提出虚拟源与合成孔径技术相结合的成像方法来实现对双层结构的内部缺陷成像。通过相控阵探头延时聚焦的方法在界面形成虚拟声源,并对有机玻璃/钢双层结构中的聚焦声场进行了仿真,结果显示聚焦声束穿过界面后形成扩散球面波,适合采用合成孔径聚焦技术成像。实验中采用128阵元探头对含有横穿孔缺陷的有机玻璃/钢样品进行测量和波形采集,应用自适应滤波方法抑制界面回波,最后对波形使用合成孔径聚焦成像,得到的图像比B扫描成像具有较高的信噪比和横向分辨率,并且分辨率不随深度变化。     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40 nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08 nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile) 向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96 nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

反射声波成像测井的有限元模拟

应用有限元法对新兴的反射声波成像测井进行了数值模拟研究，计算了井旁附近存在不同倾角声阻抗不连续界面对声波的反射，使用的井内激励源为幅度加权相控线阵声波辐射器。从计算出的声全波波形上可以清楚地看到沿井壁传播的折射波和来自井旁界面的反射纵波。应用偏移叠加等数据处理技术对数值模拟波形进行了处理，从偏移剖面上反演出的反射界面的尺寸、位置和倾角等几何特性与数值模拟输入参数基本一致。     

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。     

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．     

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。     

相控阵超声检测成像技术在耐张线夹压接质量检测的应用研究

"三跨"线路耐张线夹压接质量影响着电网运行安全,目前耐张线夹压接质量检测均存在一定的局限性,该文提出了基于相控阵超声检测技术的耐张线夹检测方法。首先对耐张线夹相控阵超声检测图谱进行了信号分析,证明相控阵超声成像技术可直观有效地检测耐张线夹漏压和欠压等压接质量缺陷。此外,为提高相控阵超声检测成像质量,分析成像影响因素,采用控制变量法研究线阵探头频率、孔径和焦距对耐张线夹相控阵检测成像的影响规律。研究发现:低频探头检测时耐张线夹检测信号会发生重叠,探头频率增大时,分辨力提高,但声波衰减增大,频率选择时要综合考虑对分辨力和灵敏度的影响;随探头孔径的增大,近场区长度增加,系统分辨力和灵敏度提高,但孔径增加受到工件外形尺寸的限制,一般选择孔径时应保证铝中的近场区长度不小于铝套管厚度和单根铝导线直径之和;聚焦区域的成像质量明显优于非聚焦区域,孔径变小时,焦点位置对检测结果的影响增大,检测时将焦距设置为铝套管厚度时检测成像效果最佳。研究结果对于相控阵超声成像在耐张线夹压接质量检测上的工程应用具有重要的参考价值。     

前视声呐圆弧接收阵列结构优化设计

针对前视声呐线阵波束形成各向同性较差及半圆阵有效孔径受限的问题,提出了一种优化的圆弧接收阵列结构设计方法。根据不同的成像开角,设计圆弧接收阵圆心角使全部阵元参与所有来波方向的波束形成。建立圆弧接收阵的远近场聚焦模型,并推导圆弧接收阵的指向性函数,根据边界波束栅瓣阈值条件计算具有最佳波束性能的圆弧接收阵半径。对圆弧阵、线阵及半圆阵在不同扇区开角下的波束性能及扫查开角120°、纵深100 m的仿真图像对比表明,在成像开角为90°到130°时,圆弧接收阵主瓣性能提升了8%,边界波束栅瓣级优化了4%,交叉向分辨深度相对线阵与半圆阵分别增加了20 m和45 m,同时参数存储量仅为线阵的2.7%。该阵列兼具有效孔径大、波束各向同性的优点,能有效提高前视声呐系统探测性能,并降低算法实现难度。     

An acoustic imaging system of migration technique used in borehole

In order to detect the damage of casing boreholes, an acoustic imaging method with a two-dimensional ultrasonic array was presented. Each element of the array independently emits down ultrasonic waves, the echoes received by all elements are sampled and transmitted to a computer on ground surface, where the dynamic migration method is used to form a 2 or 3-dimensional image of the situation in the borehole. The numerical simulation and experiment are conducted that demonstrate a high imaging accuracy with a small number of elements used in array. Since the delay circuits used in the traditional phased array imaging system is not needed in this system, and all data process could be completed in a ground system. the complexity and the volume of system in borehole may be significantly simplified, which is critical to the borehole instrument.     

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。     

Characterization of the system functions of ultrasonic linear phased array inspection systems

This work characterizes the electrical and electromechanical aspects of an ultrasonic linear phased array inspection system, using a matrix of system functions that are obtained from the measured response of individual array elements in a simple reference experiment. It is shown that for the arrays tested all these system functions are essentially identical, allowing one to use a single system function to characterize the entire array, as done for an ordinary single element transducer. The variation of this single system function with the number of elements firing in the array or with changes of the delay law used is examined. It is also demonstrated that once such a single system function is obtained for an array, it can be used in a complete ultrasonic measurement model to accurately predict the array response measured from a reference reflector in an immersion setup.     

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。     

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。     

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。     

Non-integral dimensions ultrasonic phased arrays in a borehole

The non-integral dimensions ultrasonic phased arrays and their scanning and testing methods in a borehole are studied. First, the focusing acoustic fields excited by the 1.25D, 1.5D, and 1.75D phased arrays are analyzed, and then the imaging resolution in the elevation direction and the influence of the dynamic elements are investigated. Second, the focusing and deflexion characteristics of the acoustic fields excited by the annular and segmented annular phased arrays are studied, and they are compared with those excited by the 2D surface array. The application method of the 1.25D, 1.5D, and 1.75D, annular and segmented annular phased arrays in acoustic logging are analyzed and discussed. It provides a theoretical foundation for the application of the ultrasonic phased arrays in acoustic logging.     

Numerical study on scanning radiation acoustic field in formations generated from a borehole

The directivity of acoustic transducers used in conventional acoustic logging tools is uncontrollable[1,2], which inevitably affects investigation depth and resolution. At present, deep and wide range of investigation in petroleum exploration is urgently re- quired. It is important to improve the exploration capability to find more complex and fine reservoirs[3], for which the direction of the radiated acoustic energy is a direct factor. Acoustic field in the formations generated by the source…     

Correlation-based imaging technique using ultrasonic transmit–receive array for Non-Destructive Evaluation

This paper describes a novel array post-processing method for Non-Destructive Evaluation (NDE) using phased-array ultrasonic probes. The approach uses the capture and processing of the full matrix of all transmit–receive time-domain signals from a transducer array as in the case of the Total Focusing Method (TFM), referred as the standard of imaging algorithms. The proposed technique is based on correlation of measured signals with theoretical propagated signals computed over a given grid of points. In that case, real-time imaging can be simply implemented using discrete signal product. The advantage of the present technique is to take into account transducer directivity, dynamics and complex propagation patterns, such that the number of required array elements for a given imaging performance can be greatly reduced. Numerical and experimental application to contact inspection of isotropic structure is presented and real-time implementation issues are discussed.