一种基于超声多波的全聚焦成像检测方法及检测装置

本发明属于超声波无损检测，具体地说，涉及一种基于超声多波的全聚焦成像检测方法及检测装置。

背景技术：

1、超声全聚焦是一种先进的成像检测方法，和相控阵方法相比，能得到更好的检测图像。但目前的超声全聚焦成像检测方法中，还没有任何关于直接利用超声多波信号进行全聚焦成像检测的方法和技术。目前的全聚焦方法和相控阵换能器设计等都只考虑一种波型(如纵波)，不适用于纵波和横波等信号同时存在的多波情况，因此，难以直接利用超声多波信号进行全聚焦成像。

2、然而，在固体介质中不可避免地存在纵波和横波等多种波型，每一种波型都有不同的传播特性，不同波型往往混叠在一起，难以分开。如果能将不同的波型同时聚焦在同一位置，则可极大程度地提高检测信号的信噪比，还可提过一次扫描实现大偏转角度的成像检测。因此，基于超声多波信号的全聚焦成像检测具有十分重要的意义和应用价值。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种基于超声多波的全聚焦成像检测方法，该方法包括：

2、在待测固体介质表面的检测区域内放置超声换能器阵列，将该超声换能器阵列中的各个阵元依次进行激励，向目标缺陷发射超声波；

3、换能器阵列中的各个阵元接收该目标缺陷反射回来的回波信号，根据预设的焦点位置，将回波信号分别按照纵波延时和横波延时进行延时叠加处理，然后将叠加处理后的信号在预设的焦点位置处实现全聚焦，完成超声多波全聚焦的成像检测。

4、作为上述技术方案的改进之一，所述换能器阵列中的各个阵元接收该目标缺陷反射回来的回波信号，根据预设的焦点位置，将回波信号分别按照纵波延时和横波延时进行延时叠加处理，然后将叠加处理后的信号在预设的焦点位置处实现全聚焦，完成超声多波全聚焦的成像检测；其具体过程为：

5、假设超声换能器阵列包括n个阵元，从阵元1到阵元n依次激励向目标缺陷发射短脉冲，每次发射时，阵元1到阵元n同时接收从该目标缺陷反射回来的回波信号，最终得到n×n组回波数据，将阵元i激励时阵元j接收到的回波信号记为sij(t)；

6、将成像区域进行像素点划分，每个像素点为需要聚焦处理的虚拟焦点，该虚拟焦点为预设焦点，具体为成像区域内的任意一个像素点；

7、如果预设焦点的位置坐标为p(x,z),则纵波从发射阵元i到预设焦点p，再从预设焦点p反射回来到接收阵元j的传播时间，记为纵波延时为

8、

9、其中，xi是发射阵元i的横坐标；xj是接收阵元j的横坐标；cp是纵波速度；

10、同样，横波从发射阵元i到预设焦点p再从预设焦点p反射回来到接收阵元j的传播时间，记为横波延时为

11、

12、其中，cs是横波速度；

13、将各个阵元接收到的回波信号，分别按照上面的和进行延时叠加处理，实现纵波聚焦和横波聚焦，得到叠加处理后的信号，然后再根据预设焦点位置，采用多波全聚焦成像方法，将叠加处理后的信号在预设的焦点位置处实现全聚焦；

14、

15、其中，im(x,z)为多波全聚焦的检测图像。

16、作为上述技术方案的改进之一，超声换能器阵列中的每个阵元的阵元宽度均为0.5～1个横波波长；相邻阵元的中心间距均为1.2～1.5个横波波长。

17、本发明还提供了一种基于超声多波的全聚焦成像检测装置，该装置包括：

18、信号发射模块，用于在待测固体介质表面的检测区域内放置超声换能器阵列，将该超声换能器阵列中的各个阵元依次进行激励，向目标缺陷发射超声波；和

19、聚焦成像模块，用于换能器阵列中的各个阵元接收该目标缺陷反射回来的回波信号，根据预设的焦点位置，将回波信号分别按照纵波延时和横波延时进行延时叠加处理，然后将叠加处理后的信号在预设的焦点位置处实现全聚焦，完成超声多波全聚焦的成像检测。

20、作为上述技术方案的改进之一，超声换能器阵列中的每个阵元的阵元宽度均为0.5～1个横波波长；相邻阵元的中心间距均为1.2～1.5个横波波长。

21、作为上述技术方案的改进之一，所述聚焦成像模块的具体实现过程包括：

22、假设超声换能器阵列包括n个阵元，从阵元1到阵元n依次激励向目标缺陷发射短脉冲，每次发射时，阵元1到阵元n同时接收从该目标缺陷反射回来的回波信号，最终得到n×n组回波数据，将阵元i激励时阵元j接收到的回波信号记为sij(t)；

23、将成像区域进行像素点划分，每个像素点为需要聚焦处理的虚拟焦点，该虚拟焦点为预设焦点，具体为成像区域内的任意一个像素点；

24、如果预设焦点的位置坐标为p(x,z),则纵波从发射阵元i到预设焦点p，再从预设焦点p反射回来到接收阵元j的传播时间，记为纵波延时为

25、

26、其中，xi是发射阵元i的横坐标；xj是接收阵元j的横坐标；cp是纵波速度；

27、同样，横波从发射阵元i到预设焦点p再从预设焦点p反射回来到接收阵元j的传播时间，记为横波延时为

28、

29、其中，cs是横波速度；

30、将各个阵元接收到的回波信号，分别按照上面的和进行延时叠加处理，实现纵波聚焦和横波聚焦，得到叠加处理后的信号，然后再根据预设焦点位置，采用多波全聚焦成像方法，将叠加处理后的信号在预设的焦点位置处实现全聚焦；

31、

32、其中，im(x,z)为多波全聚焦的检测图像。

33、本发明与现有技术相比的有益效果是：

34、本发明的方法，根据超声换能器阵列的相关技术参数，同时利用多波进行全聚焦成像，使具有不同传播特性的纵波和横波同时在预定焦点处实现聚焦，充分结合纵波和横波的聚焦成像特性，一次扫描即可实现大偏转角度下的缺陷检测；另外，通过同时利用超声多波进行全聚焦成像的方法，对提高缺陷检测的成像范围和信噪比都非常有利，具有十分重要的意义和应用价值。

技术特征：

1.一种基于超声多波的全聚焦成像检测方法，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的基于超声多波的全聚焦成像检测方法，其特征在于，所述换能器阵列中的各个阵元接收该目标缺陷反射回来的回波信号，根据预设的焦点位置，将回波信号分别按照纵波延时和横波延时进行延时叠加处理，然后将叠加处理后的信号在预设的焦点位置处实现全聚焦，完成超声多波全聚焦的成像检测；其具体过程为：

3.根据权利要求1所述的基于超声多波的全聚焦成像检测方法，其特征在于，超声换能器阵列中的每个阵元的阵元宽度均为0.5～1个横波波长；相邻阵元的中心间距均为1.2～1.5个横波波长。

4.一种基于超声多波的全聚焦成像检测装置，其特征在于，该装置包括：

5.根据权利要求4所述的基于超声多波的全聚焦成像检测装置，其特征在于，超声换能器阵列中的每个阵元的阵元宽度均为0.5～1个横波波长；相邻阵元的中心间距均为1.2～1.5个横波波长。

6.根据权利要求4所述的基于超声多波的全聚焦成像检测装置，其特征在于，所述聚焦成像模块的具体实现过程包括：

技术总结
本发明属于超声波无损检测技术领域，具体地说，涉及一种基于超声多波的全聚焦成像检测方法，该方法包括：在待测固体介质表面的检测区域内放置超声换能器阵列，将该超声换能器阵列中的各个阵元依次进行激励，向目标缺陷发射超声波；换能器阵列中的各个阵元接收该目标缺陷反射回来的回波信号，根据预设的焦点位置，将回波信号分别按照纵波延时和横波延时进行延时叠加处理，然后将叠加处理后的信号在预设的焦点位置处实现全聚焦，完成超声多波全聚焦的成像检测。

技术研发人员：张萍,阎守国,黄娟,张碧星
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13