基于合成孔径技术的内镜超声相控阵成像算法

利用孔径大小为2.32mm的16阵元换能器,搭建了一套16通道的内镜超声相控阵成像实验系统。在此基础上提出了一种适用于内镜成像的相控阵成像算法(PAI),该算法利用延时和叠加算法(DAS)取得扫描线数据,再利用合成孔径技术中的相干样点叠加,得到高分辨率图像。该相控阵成像算法实现了发射和接收的动态聚焦。经FieldII仿真和内镜探头超声成像实验验证,与延时和叠加算法以及动态接收聚焦算法(DRF)相比,图像的理论横向分辨率分别提高了93.68%和17.5%,实验获得的实际横向分辨率分别提高了92.78%和14.69%,验证了相控阵成像算法和实验系统的可行性。     

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。     

车轮轮辋缺陷的超声相控阵检测系统研究*

针对火车车轮检测中常规超声波探伤存在的检测灵敏度低、声束灵活性差、信噪比低等问题,研究了超声相控阵在火车车轮轮辋检测中的应用。本文介绍了超声相控阵检测技术的原理,并从超声相控阵换能器、硬件系统和软件系统三个方面阐述了火车车轮轮辋缺陷的超声相控阵检测系统的研究过程。最后通过人工模拟缺陷的相控阵检测实验,测试了该检测系统的性能,验证了相控阵检测设备具有灵敏度高、声束可控性好和可靠性高等优点。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

水浸超声检测的平面波频域快速成像算法

给出了一种基于一步相移法的水浸超声检测快速频域算法,以适用于液浸式相控阵成像。通过在阵列信号频域乘以相移因子,将阵列虚拟延拓至水浸工件表面,再进行单介质频域成像。相比时域延时叠加算法,节省了计算界面折射点的用时。对于垂直入射平面波检测,提出一种网格匹配的方法,通过调整傅里叶变换的点数,使阵列信号频域和图像频域的采样网格相重合,有效地减少了频域插值误差和伪像,进一步降低了运算次数.实验结果表明,网格匹配频域算法的运算次数仅为时域平面波算法的1/60,为水浸式超声实时检测提供了一种可行方案。     

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。     

基于环形相控阵的空心车轴探伤方法的研究

以高速列车空心车轴超声波探伤为背景,通过声场分析及CIVA软件仿真设计了环形相控阵,评估了有效阵元个数以及触发频率对声场的影响。采用环形相控阵探头的探伤系统能以直线推进的方式对空心轴进行探伤,较现有探伤方式,可大幅提升检测效率、简化机电结构,并可有效避免由于探头旋转所导致的耦合不稳定。     

Theoretical and Experimental Investigation of Ultrasonic Focusing with Annular Phased Array

The focused acoustic field generated by an annular array interface are investigated theoretically and experimentally. transducer and its reflection field on a solid-liquid Theoretically, the concise analytic expressions about the radiation and reflection acoustic fields of the annular phased array are obtained by the ray approach method （saddle-point method）. In experiment, an annular transducer with 8 equal-area elements is designed and fabricated, and a series of experiments about the radiation acoustic field and its reflection on the liquid-solid interface are carried out. The experimental characteristics of the transducer are in good agreement with the numerical ones. It shows the correctness of the theoretical result and the feasibility of dynamic focusing of the experiment system. With the maximum amplitude and its emergence time of the reflection wave, we can acquire the information and the imaging of the reflection interface by the annular phased array dynamic focusing.     

超声检测中常用激励波形的高精度相控发射实现

超声无损检测根据不同的检测需求使用不同的激励波形,而超声相控阵技术的应用则要求各通道的激励波形能够相控发射。分析了不同检测对象、不同检测方法对激励信号的波形类型要求,研究了基于FPGA主控的数字式超声检测平台下实现单通道方波脉冲、尖脉冲、正弦波形和任意波形等的发射方法,以及以上各种波形在多通道高精度相控发射时的实现方法。实验表明,各种波形的激励信号都实现了高精度相控发射,最高可达1ns的延时精度。     

相控阵雷达导引头便携测试方法及误差角波动机理分析

相控阵雷达导引头组成复杂、测试指标多、数据量大,通常需要在符合远场条件的微波暗室内测试。本文介绍了一种相控阵雷达导引头便携测试方法及测试系统的组成,分析了便携测试机理、便携屏蔽装置设计原理,解释了该便携测试系统中相控阵雷达导引头角跟踪参数测试时偶尔引起的误差角波动现象。该测试方法简便、快捷、实用、成本低,较好的解决了外场或环境试验中产品测试的需求。本文所述相控阵雷达导引头便携测试方法和相关分析结论有较高的实用价值。     

正则化方法在相位麦克风阵列技术中的应用研究

相位麦克风阵列技术是最近十年快速发展起来的一种声学实验技术,旨在精确地识别和定位出噪声源,反演出每个声源的频率、位置和幅值信息。然而对于复杂分布声源,已有的麦克风阵列后处理技术难以获得令人满意的结果,声源频率通常可以精确识别,而位置和幅值重构误差较大。为此,本文引用了一种正则化技术来寻求获得精确解,进行了相关的数值验证和实验验证。结果表明,采用正则化方法能够很好地解决反问题算法中存在的幅值误差放大现象,从而比较准确地识别和定位出声源信息。     

Coupled-Oscillator Phased Array Design Based on Statistical Device Characterization and Optimization of External Quality Factor

In this paper, we demonstrate a method to design coupled-oscillator phased arrays based on statistical device characterization and optimization of oscillator Q_ext (external quality factor). The averaged S-parameters of transistors are utilized in the unit oscillator design in order to reduce the variance of the free-running frequencies of unit oscillators in an array. Optimization of Q_ext is also employed to enlarge the injection-locking range of the unit oscillator, and thus helps to reduce the adverse effect caused by the frequency variation. Two experimental arrays were constructed and tested to examine the effectiveness of this design method for the MMIC production of coupled-oscillator phased arrays.     

Phased Array Beam Fields of Nonlinear Rayleigh Surface Waves

This study concerns calculation of phased array beam fields of the nonlinear Rayleigh surface waves based on the integral solutions for a nonparaxial wave equation.Since the parabolic approximation model for describing the nonlinear Rayleigh waves has certain limitations in modeling the sound beam fields of phased arrays,a more general model equation and integral forms of quasilinear solutions are introduced.Some features of steered and focused beam Gelds radiated from a linear phased array of the second harmonic Rayleigh wave are presented.     

人工神经网络在超声无损检测中的应用

人工神经网络对于超声无损检测的发展具有重要的意义，本文对国内外人工神经网络在超声无损检测中应用研究做了较为详细的介绍和分析，指出人工神经网络是实现超声无损检测测定量化的有效途径。     

直升机载相控阵雷达波束波形联合自适应调度算法研究

孔径分割技术和波形捷变能力让直升机雷达可同时形成多个波束完成不同功能,并根据不同需求选择不同波形,因此对雷达资源管理提出更高的要求;综合考虑时间资源、能量资源、孔径资源的约束下,提出一种适合于多子阵直升机载相控阵雷达的波束波形联合自适应调度算法,对雷达波束和波形进行有效调度,并通过与传统自适应调度算法进行仿真对比,证明了该算法在调度能力、能量节约等方面的先进性。