一种基于全矩阵数据的超声全聚焦成像系统的制作方法

本发明涉及一种超声成像系统，特别是一种基于全矩阵数据的超声全聚焦成像系统，属于无损检测领域。

背景技术：

超声检测技术因具有检测灵活，既能用于结构内部缺陷检测又能用于表面缺陷检测等特点，而备受无损检测工程技术人员的青睐。相控阵超声技术作为一种新型的超声检测方法，通过电子系统控制探头阵列中各个阵元，按照一定的延迟时间，规则地激励和接收超声波，控制超声波束的偏转与聚焦，来实现对试件内部缺陷的无损检测。因此，相控阵超声技术具有快速、准确、适应性强等优点。

目前市场上的商用相控阵检测系统可方便的进行B扫、扇扫和C扫成像，但在保证成像实时性的同时，缺陷检测精度和识别能力却有限。对此国内学者在相控阵系统开发方面进行了大量卓有成效的研究。例如，中国科学院声学研究所刘晨等人研制了一套数字式多通道相控阵换能器动态聚集系统，采用数字控制电子动态聚焦方法，实现了声束的聚焦扫描(超声数字式相控阵换能器动态聚焦系统研制，应用声学，2000)。但该系统也仅能实现空间单点实时聚焦，而无法实现结构中一定空间范围内多点实时聚焦。哈尔滨工业大学单宝华等人针对海洋平台管节点检测的需要，设计研制了一套64通道超声相控阵检测系统，可实现相邻32阵元同时发射和接收超声波(超声相控阵实时检测系统的研制，哈尔滨工业大学学报，2008)，但由于仅利用了采集数据的幅值信息进行成像，其检测精度和缺陷表征能力有限。北京大学李法新等基于非线性超声检测原理设计研制了一套超声相控阵检测系统，能够对材料或结构的微缺陷、微裂纹等缺陷进行检测，其检测精度高于传统线性超声相控阵(非线性超声相控阵无损检测系统及实验研究，实验力学，2014)，但该系统仅可用于体波相控成像，无法用于板、管等波导结构中的导波相控聚焦成像。

为克服商用相控阵系统在成像精度及聚焦范围等方面的局限性，国内外学者对超声阵列全矩阵数据后处理成像方法开展了大量研究，取得了卓有成效的研究成果。例如，Wilcox P D等在考虑声波传播过程中幅值衰减及声束偏转的基础上，提出了修正的全聚焦成像方法，提高了成像的分辨力及缺陷识别能力(Advanced reflector characterization with ultrasonic phased arrays in NDE applications.IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,2007)。周正干等对楔块耦合检测模式下，对声波在双层介质中传播中的能量衰减进行了研究，利用提出的衰减校准系数对全聚焦成像进行了补偿，提高了全聚焦检测范围及图像质量(相控阵超声检测技术中的全聚焦成像算法及其校准研究.机械工程学报,2015)。焦敬品等在阵列中构造多个子阵列，利用子阵列在聚焦点处的矢量方向获取裂纹方向信息，从而完成矢量全聚焦成像；并通过全矩阵数据的相位信息对其进行加权，得出裂纹方向及尺寸等特征信息(用于裂纹方向识别的超声散射系数分析方法研究.声学学报,2016)。但以上学者仅进行了成像方法的研究，并未研制相应的超声相控阵检测系统。

技术实现要素：

针对现有超声相控阵系统仅能实现空间单点实时聚焦，仅利用了其幅值信息进行较同时使用幅值与相位信息时精度较低的成像，且仅可用于体波相控成像等问题；本发明提出一种超声全聚焦成像系统，既能用于体波检测，又能够实现超声导波检测。同时运用全矩阵的幅值与相位信息，实现一定空间范围内多点、高精度成像。

超声全聚焦成像系统的原理在于，通过控制换能器阵列中各个阵元激励(或接收)脉冲的时间延迟，改变各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)结构中某一位置的相位关系，实现一定空间范围内灵活的调整合成声束的焦点位置和偏转方向。最终对被测区域内任意点进行虚拟聚焦处理，获得区域内任意点的幅值信息和相位信息，并利用全矩阵数据的相位信息对幅值信息进行加权处理，从而实现对试件整体进行高精度的成像。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所采用的系统参见图1，一种基于全矩阵数据的超声全聚焦成像系统，该系统包括计算机(1)、多通道同步数据采集卡(2)、多通道超声激励接收相控阵板卡(3)、超声波探头阵列(4)；计算机(1)与多通道同步数据采集卡(2)之间通过信号线相连，多通道同步数据采集卡(2)与多通道超声激励接收相控阵板卡(3)相连；计算机(1)通过阵列式超声成像系统控制模块设定各种参数并控制多通道超声激励接收相控阵板卡(3)激励和接收超声波信号，同时对超声波信号进行处理；多通道超声激励接收相控阵板卡(3)的信号输出接收端的信号线与超声波探头阵列(4)相连；超声波探头阵列(4)接收反射回来的超声波信号，超声波信号通过多通道超声激励接收相控阵板卡(3)处理，再将超声波信号送入计算机(1)的阵列式超声成像系统中进行存储与成像。

本发明提出的超声全聚焦成像系统的其具体检测方法步骤如下，

步骤一：检测系统搭建及参数设置；

(1)以超声全聚焦成像系统为基础，搭建检测系统；

(2)信号参数设置：包括激励信号参数：激励电压、激励频率、激励周期、重复频率；接收信号参数：采样频率、采样点数、增益、直流偏置；延时设置：各通道激励的延时法则。通过计算机软件控制多通道超声激励接收相控阵板卡(3)硬件系统将激励信号送入超声波探头阵列(4)；延时法则由采样点数根据成像区域确定。

步骤二：采集全矩阵数据，由超声波探头阵列(4)采集到成像区域的全矩阵数据；

步骤三：根据不同的成像方法设置参数提取信号的幅值及相位特征；对成像区域进行缺陷成像。

与现有技术相比较，本发明利用多通道同步数据采集卡与多通道超声激励接收相控阵板卡实现了对全矩阵数据的快速采集，并通过矢量全聚焦的方法对全矩阵数据的后处理，实现结构中一定空间范围内任意点聚焦。该系统既可以用于结构的体波相控阵成像，也可以用于板、管等结构的导波成像。

附图说明

图1检测装置原理图。

图2是本发明方法的实施流程图。

图3是被检测试件无缺陷时的时域信号。

图4是被检测试件有缺陷时的时域信号。

图5是典型成像结果。

图中：1、计算机，2、多通道同步数据采集卡，3、多通道超声激励接收相控阵板卡，4、超声波探头阵列。

具体实施方式

步骤一：检测系统搭建及参数设置；

(1)按照图1以超声全聚焦成像系统为基础，搭建检测系统；系统包括计算机1、多通道同步数据采集卡2、多通道超声激励接收相控阵板卡3、超声波探头阵列4。计算机1与多通道同步数据采集卡2之间通过信号线相连，多通道同步数据采集卡2与多通道超声激励接收相控阵板卡3相连,多通道超声激励接收相控阵板卡3与超声波探头阵列4相连。本文检测实验所用铝板，尺寸为1000mm×500mm×1mm。超声波探头阵列选用8个压电阵元，阵元尺寸为6mm×6mm×0.5mm，阵元间隔为2mm，激励频率为300kHz。

(2)信号参数设置：包括激励信号参数：本次实验选用激励电压为200V、激励频率300kHz、激励周期1。接收信号参数：采样频率50MHz、采样点数3000、增益10dB、直流偏置0V。延时设置：使各阵元依次激励其余通道接收。通过计算机软件控制多通道超声激励接收相控阵板卡(3)硬件系统将激励信号送入超声波探头阵列(4)；

步骤二：开始采集全矩阵数据，由超声波探头阵列(4)采集到成像区域的全矩阵数据；

步骤三：选择相位加权算法对全矩阵数据进行成像，设置阵元个数8、阵元中心频率300kHz，数据长度3000，阵元宽度5mm，阵元中心间距6mm；对铝板进行缺陷成像获取成像区域的缺陷成像效果图。