[发明专利]矢量相控阵超声检测

说明书

技术领域

本发明涉及超声波检测技术，尤其是相控阵超声检测方法。

背景技术

超声检测时往往需要对物体内某一区域进行成像，为此，必须进行声束扫 描。常规相控阵超声检测是通过控制换能器阵中各个阵元激励(或接收)脉冲的 时间延迟，改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位 关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控波束合成，形成成像扫描 线技术，原理如图1所示。

相控阵超声检测成像的分辨率是检测成像的重要指标，是衡量系统检测能 力的重要依据，因此也是国内外相控阵研究者不懈努力追求的目标。

对比度分辨率表征检测成像中缺陷与背景在色彩上的最小差异，是图像上 能够检测出的回波幅度的最小差别，该指标越好，图像越细腻柔和，细节信息 越丰富。对比度分辨率主要是由检测系统的信噪比和AD采样的精度位数所决 定，系统信噪比、AD(模数)采样的精度越高得到的对比度分辨率也越好。其 中检测系统的信噪比与多个因素相关，包括激励频率、换能器灵敏度、发射功 率以及接收放大器增益等。工程实际中，缺陷的超声检测有两个问题需要解决。 首先对于晶粒粗大或声衰减较大的材料，如铸铁、钛合金、复合材料的检测， 由于声能量在晶界的反射以及散射作用而使得聚焦区域的声能密度较低，接收 到的回波信号较弱，甚至淹没在强背景噪声中无法识别；还有一种情况就是对 小缺陷检测能力的要求日益提高，使得对系统的信噪比要求更高，在焦点处要 求有更高的聚焦增益。实质上，解决这两个问题的关键就是如何提高信噪比， 信噪比直接影响着检测成像中对比度分辨率。相控阵技术的出现，利用其阵列 换能器、大孔径发射以及动态偏转聚焦的特点在一定程度上提高了检测系统的 信噪比，提高了成像的对比度分辨率，但对于高衰减材料中检测小缺陷仍存在 聚焦增益(声能密度)不足、信噪比不够。

轴向分辨率表征空间轴向辨别两个目标的能力。在回波信号形状上我们可 以将轴向分辨率理解为：在系统的冲激响应条件下，实际回波信号经过HILBERT 变换后时域上信号(波形包络)的-3dB或-6dB宽度。在常规相控阵检测中，由 于相干叠加时的相位误差影响会使回波包络变宽，从而降低检测的轴向分辨率。

发明内容

解决问题：工程实际中，缺陷的超声检测有两个问题需要解决。首先对于 晶粒粗大或声衰减较大的材料，如铸铁、钛合金、复合材料的检测，由于声能 量在晶界的反射以及散射作用而使得聚焦区域的声能密度较低，接收到的回波 信号较弱，甚至淹没在强背景噪声中无法识别；还有一种情况就是对小缺陷检 测能力的要求日益提高，使得对系统的信噪比要求更高，在焦点处要求有更高 的聚焦增益。在常规相控阵检测中，由于相干叠加时的相位误差影响会使回波 包络变宽，从而降低检测的轴向分辨率。本发明的目的就是提供一种相控阵超 声检测的新方法--矢量相控阵超声检测，该方法较常规相控阵检测能够得到 更高的信噪比并且提高检测轴向分辨率。

技术方案：为实现以上目的，本发明特提出以下技术方案：

对于给定的聚焦点或偏转方向，由声压根据聚焦点与相控阵列中各阵元的 位置关系可以一种矢量相控阵超声检测的方法，

一种矢量相控阵超声检测的方法，其特征是：利用不同频率超声波在空间 的非相干叠加来实现聚焦。

一种矢量相控阵超声检测的方法，其特征是：对于设定的聚焦点或偏转方 向根据声压-距离-频率关系来确定矢量相控参数，主要包括相控阵列中各阵 元的频率和相位。

技术效果：理论分析和实验证明适当调整阵列中各阵元激励频率和相位可 以获取更高的回波幅值，得到更高的信噪比从而提高成像对比度；同时对波形 有所改善，使回波包络更加尖锐，一定程度改善了轴向分辨率。理论分析得出 在声衰减较大的材料中近场检测条件下，声压幅值增加和回波波形包络锐化的 效果更好，对比度分辨率和轴向分辨率提高更大。

具体实施方式

相控阵超声检测的基础是相控波动叠加。在工业相控阵检测中，声波的初 始声压较小，亦即质点的振动速度较小，马赫数远小于1，并且叠加过程中的 相互扰动等的作用也很小，也就是说，此时无论相干叠加还是非相干波动叠加 的过程都满足小振幅波动线性叠加原理。