[发明专利]一种宽带导波相控阵聚焦扫描方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种宽带超声导波相控阵扫描与检测方法，可在宽频带范围内实现超声导波的聚焦、扫描和检测，即本发明提供一种宽带导波相控阵聚焦扫描方法及系统。

背景技术

超声导波相控阵技术是近年发展起来的一种超声无损检测技术，常应用于管道和板材等较长距离范围内的超声检测。导波具有强烈的频散特性，随着传播距离的增加，导波波形会变得越来越长，造成散焦，不利于检测。因而，到目前为止，导波相控阵技术都是采用窄带相控阵方法，或者是把声源频段选择在导波群速度变化比较平缓的区域，其目的是为了避开导波的频散效应来进行导波相控阵扫描和检测。

然而，在实际检测中，要完全避免导波的频散效应是不可能的，因为超声换能器总存在一定的带宽，实际激励出的导波总分布在一定的频带范围之内。另一方面，要将声源频带控制在导波群速度变化平缓的区域也是比较困难的。这些因素都使得导波相控阵技术难以达到很好的信噪比，不能很好地实现导波的聚焦、扫描和检测。

对于给定的焦点，如果能使各阵元发出的所有频率分量的导波都能同时到达焦点处实现导波聚焦，那么就能解决上述问题。本专利正是针对这一问题而提出的，能使相控阵换能器各阵元发出的所有频率分量的导波都能同时到达焦点实现聚焦，并通过电子系统来控制焦点位置实现扫描和检测。

目前的导波相控阵技术都是通过选择导波的常群速度区域或者窄带范围内的相控阵方法来实现的。我们在多年研究基础上，特提出本专利，实现宽带范围内的超声导波相控阵聚焦、扫描与检测。和传统导波相控阵技术相比，本专利技术能将所有成分的导波能量都聚焦在目标上，极大程度地提高检测信号的信噪比，从而具有更高的检测灵敏度。

发明内容

本发明的目的，为了解决传统超声导波相控阵换能器不能应用于宽带激励和检测的困难，提供一种宽带导波相控阵扫描和聚焦方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种宽带导波相控阵聚焦扫描方法，所述方法包含如下步骤：

步骤101）用于聚焦发射的步骤，该步骤中超声相控阵换能器的各阵元发射的激励信号的频谱由以下公式给出，采用该激励信号来控制换能器各阵元的导波分量发射的时间延迟，使得各阵元发出的所有频率分量的导波同时到达预定焦点实现聚焦；

Fj′(ω)=e-iωrj/vF(ω)---(1)]]>

其中，F′_j(ω)表示第j个阵元发射的激励信号的频谱，ω为角频率，r_j为第j个阵元到焦点的距离，v表示导波传播的相速度，F(ω)表示换能器激励信号的窗函数的幅度，中包含的r_j/v为用于实现导波分量延时的时延值；

步骤102）用于聚焦接收的步骤，该步骤将换能器各阵元接收的回波信号进行时间反转处理，并设定将时间反转处理后的信号作为激励信号加载到换能器对应的阵元上进行激励，然后再计算得到预设焦点处的声信号作为聚焦接收后的检测信号。

所述的步骤101）还包含：动态设置预设焦点的位置并调整各阵元的激励信号实现对不同位置的扫描。

上述步骤101）进一步包含：

首先，对于某预定的焦点，按照上述公式(1)通过计算得到换能器各阵元的激励信号，将这个激励信号加载到对应的阵元上，此时声场将在预设焦点处实现聚焦；然后，不断地改变焦点的位置，对于每一个焦点位置，都分别按照公式(1)得到各阵元的激励信号，使声场聚焦在焦点上。这样就实现了声场的聚焦与扫描。

上述步骤102）进一步包含：

首先，对于每一焦点位置，在步骤101）中的聚焦发射过程之后，换能器各阵元接收到回波信号，并将这个回波信号进行时间反转处理；