CN101846743B - 用于相控阵超声仪的换能器基元故障检测的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了涉及相控阵超声系统的方法和系统，以定期地识别单独基元内的故障。本发明的方法和系统根据响应于来自每个单独基元的信号计算能量水平然后识别在典型的相控阵操作期间感应的能量水平的任何不连续或者意外的降低的简单方法。

Description

用于相控阵超声仪的换能器基元故障检测的方法和系统

技术领域

本发明一般涉及用于监控相控阵超声仪的性能的方法和系统，具体地，涉及对相控阵超声系统中单独的换能器基元的故障检测。

背景技术

与使用仅单个基元换能器的超声仪相比较，使用多基元相控阵换能器的超声仪提供更高的检测效率。如本领域的技术人员众所周知的，因为相控阵换能器射束轴可以通过应用具有不同聚焦法则(focal law)的连续的脉冲接收周期(即，执行S扫查)而被电子地导向以覆盖二维的扇形区域或者三维的体积，所以静止的相控阵换能器可以比静止的单基元换能器覆盖更大的检测区域。

此外，当执行仅需要单个波束轴的检测(即，A扫查)时，单基元换能器需要固定和移除特定角度的楔形，以覆盖不止一个入射波束角，然而，相控阵换能器可以电子上改变入射角。

因此，单基元换能器检测方法是低效的，因为它需要操作者在物理上移动或者以其它方式调整和修改换能器，以便覆盖相控阵换能器在静止的位置能覆盖的相同的区域或者相同的波束角范围。

但是，传统的相控阵仪器相关联的显著问题在于对有故障基元的低效检测及其对测量数据准确率的影响。

超声相控阵换能器由小传感器基元阵列组成，每一个小传感器基元都可依照聚焦法则单独地提供脉冲，以导向和聚焦激励信号并且聚焦接收信号。将来自相控阵换能器的多个基元的响应信号合并在一起，以产生A扫查用于分析和进行扇形或者线形的扫查图像渲染。如果一个或一些基元出现故障，在合并的响应中将出现误差，但是，该误差可能难以识别，因为其仅是总和的一小部分。有故障的单基元换能器不具有这个问题，因为单基元换能器是所观察的A扫查的唯一信号源，因此，能够容易地识别意料之外的信号响应。

将本发明中的术语“有故障的”定义为：与相邻的没有故障的基元相比对入射回声信号几乎没有或者完全没有响应的基元。

相控阵检测过程的准确度和效率是十分重要的，因为昂贵的维修和维护决定是根据测量数据的假设的准确度做出的，并且与检测本身相关联的成本是可观的。因此，在不知道存在有故障基元的情况下执行这些检测可能对于检测测量数据的有效性具有显著的不利影响。

存在检测有故障的基元的传统的方案，但是它们采用耗时的校准过程，并在执行校准过程时需要检测过程停止，由此降低了效率。

在美国专利5,572,219中介绍的另一种解决方案公开了一种方法和装置，通过将进行校准时来自每个换能器基元的读数和对于每个基元期望获得的一组预定的数据进行比较，产生相控阵换能器的每个基元的校准数据。

这种方案和其它现有校准技术具有的问题在于，不是频繁地执行完整的相控阵仪器校准，因此，在校准过程之间没有监控换能器性能。

因此，提供一种连续地自动检测有故障的相控阵换能器基元、并对检测过程的准确度或者效率没有不利影响的简单、系统的方法是有利的。

应当注意的是，还可以将本发明的优势应用于S扫查以外的相控阵测量方法，例如(但不限于)，线性扫查和动态深度聚焦。

发明内容

本发明公开的实施方式解决了与相控阵超声系统有关的上述问题。

本发明的实施方式涉及测量每个有源换能器基元感应的回声响应信号中的能量，以及随后识别相邻的有源基元之间的、指示换能器基元故障的不连续。这个过程可以与正常的相控阵系统操作同时发生，以便防止降低检测过程的效率。

在本发明的每个实施方式中，对数字化的接收信号执行计算，以确定在预定的时间周期期间每个有源基元感应的能量的量。该计算是在脉冲接收周期内的一连串相邻的时间周期执行，以保证不会错过回声响应事件。应当注意，可以使用其它方法来确定换能器基元感应的能量的量，包括本领域的技术人员众所周知的模拟和数字信号处理技术。例如，可以使用带有(或者不带有)计时器或者计数器的幅度检测器。可替换地，可以使用模拟积分器。

然后将对于每个基元计算的能量水平E(i)与相邻基元的能量水平比较，以确定前述不连续的存在。

因此，本发明的一般目标是提供换能器基元故障检测的方法和系统，该方法和系统可以自动地、并与正常的相控阵检测操作同时地实施，而不降低相控阵检测过程的效率或者准确度。应当注意，还可以通过用户接口交互地应用本发明的方法，即，以非自动的方式。

本发明的另一个目标是提供用于相控阵系统的换能器基元故障检测的方法和系统，通过将计算程序添加到现有的相控阵系统中而不需要对硬件进行重大的改变可以经济地实现该方法和系统。

在阅读参照附图仅为了说明给出的说明性的实施方式的下面非限制性的描述之后，本发明的前述和其它目标、优势和特征将变得更加明显。

附图描述

图1是示出了本发明的示例性相控阵检测系统的图；

图2是示出了对于在0度角下导向声束的典型相控阵操作的应用的聚焦法则的实施例的图；

图3是示出了对于在30度角下导向声束的典型相控阵操作的应用的聚焦法则的实施例的图；

图4是示出了相位接收波形中的三个波形的图；

图5是示出了在向基元施加脉冲后的一个周期期间八个基元的能量水平条的三维图；

图6是示出了图5的能量水平条的后视图的三维图；

图7是示出了八个基元和信号处理模块的图，连同在四个Δt时间周期期间能量水平的结果图；

图8示出了能量水平的图，横跨具有相应的一阶导数和二阶导数的绝对值的所有有源基元；

图9是示出了三个相位调整的接收波形的图；

图10是示出了与传统的相控阵仪器相关联的操作顺序和与本发明的实施方式相关联的操作顺序的图；

图11A和11B是示出了相控阵基元故障的可替换的实施方式的图，提供了通过与期望的能量值比较，识别所有基元中能量水平的突然下降的替换方法；

图12是示出了包括功能模块的本发明的另一个可替换实施方式的图，使用功能模块，根据能量水平包络值实现所公开的换能器基元故障检测方法。

具体实施方式

一般信息

本发明涉及通过分析每个基元接收的回声能量水平并检测相邻的基元之间明显的能量水平不连续性，对有故障的相控阵换能器基元进行自动检测。

本发明还涉及具有可以布置在直线的或者二维的配置中的两个或更多个基元的相控阵换能器。

虽然本发明的实施方式是在传统的脉冲接收相控阵系统的背景下描述的，其中脉冲事件和接收事件在不同时刻发生，但是，本发明的实施方式还适用于连续波形的相控阵系统，其中发射和接收同时发生。连续波形系统中基元接收的能量包含通过解调在接收过程期间分离的发射信号和接收信号。

应当注意，下列词汇适用于本发明：

-本发明中使用的术语“能量”应用于换能器基元电压响应用于能量水平计算，但是本领域的技术人员将理解，为了计算能量水平，可以使用除了电压以外的其它单位，例如(但不限于)，电流、库仑或者瓦特。

-术语“有源基元”或者“有源换能器基元”应该指相控阵换能器阵列内用于接收信号的基元。应当注意，常见的是，在相控阵系统中仅全部数量的换能器基元的一个子集是有源的。

-术语“相邻”指一组两个或更多个邻接的有源基元。

-术语“不连续性”指相邻的换能器基元之间能量水平的明显差异。

-术语“脉冲接收周期”指与一组聚焦的脉冲发生器的发射同时开始的、在下一次发射之前结束的事件。

-术语“获取周期”指在使用第一个聚焦法则的脉冲接收周期的开始时启动的、在使用最后一个聚焦法则的脉冲接收周期的结束时停止的事件。聚焦法则的数量和范围通常由S扫查中包括的波束角的数量或者线性扫查的波束位置的数量确定。

-术语“有故障的”指与相邻的没有故障的基元相比，对入射回声信号没有响应或者几乎没有响应的有源基元。

除非另外指定，本文公开的内容与优选的实施方式相关。

本发明的使用场景

对与传统的相控阵系统操作相关联的声音活动和电子活动的以下解释旨在帮助读者理解本发明适用的上下文环境。

参考图1的示例性相控阵检测系统，应当注意，虽然对于换能器108仅示出了四个基元，但是传统的相控阵换能器典型地可以具有更多基元。相控阵换能器具有128个或者更多个基元是常见的。本发明的方法和系统不限于最大数量的基元。

继续图1，当依照发射延迟104提供的聚焦法则由脉冲105激励换能器基元108时，脉冲接收周期开始。这导致了在测试目标112中发射入射波前109。当入射波前109遇到缺陷111或者测试目标112的外围113时，将向基元108反射回声。

为了简化回声接收事件的描述，在单独的视图中将缺陷111和基元108与反射波前110和回声信号107一起再次示出。基元108感应到反射波前110，从而得到回声信号107，将回声信号107提供给模块106，用于聚焦法则延迟应用和随后的求和，以产生A扫查。

应当注意，聚焦法则脉冲105的发射是由发射模块101触发的，并且A扫查是由接收模块102处理的，发射模块101和接收模块102都包含在获取单元100中。

本发明的优选实施方式的详细描述

本发明的实施方式都要求在可以实现可靠的故障基元检测之前接收足够的换能器基元能量水平。需要做出下面的考虑，以确保用于感应相控阵换能器基元的能量水平的最佳条件。

当相控阵换能器内的仅一部分基元感应到明显的能量水平时，出现基元盲区，这是因为能量是在某一方向上发射的，而这个方向在朝着基元盲区的方向上不能产生足够的反射能量。

现在参照图2和图3描述基元盲区的实施例。可以看出，当将聚焦法则延迟幅度201施加到相控阵换能器202中与之相对应的基元上时，入射波前204朝着垂直于测试目标203的顶部表面的方向传播——即，以0度波束角205传播。当遇到缺陷207或者测试目标203的后壁206时，回声(没有示出)返回到相控阵换能器202，相控阵换能器202的基元感应与聚焦法则延迟201的幅度分布轮廓类似的入射能量分布。得到的接收能量水平轮廓为与201的轮廓类似的铃型曲线，且绝大多数能量由中央的基元(例如，基元6到基元11)接收。因此，铃型曲线能量水平轮廓有助于检测位于换能器阵列中央区域的有故障基元，因为与位于铃型曲线两侧的盲基元(例如，基元1到基元5和基元12到基元16)相比，位于换能器阵列中央区域的基元提供更多的能量来辨别能量水平的不连续性。

现在通过关于图3描述的方法克服了对位于靠近换能器阵列两侧的基元的可靠的故障检测问题。仅对于位于换能器阵列右侧的基元提供解释，因为由于对称性的原因，这些解释也可用于左侧。

可以看出，当将聚焦法则延迟幅度301应用到相控阵换能器302中与之相应的基元上时，发生波束转向，导致入射波前304以偏离图2的垂直波束205的右侧30度的角传播。当遇到缺陷(没有示出)或者测试目标303的后壁306时，反射回声(没有示出)传播回相控阵换能器302，相控阵换能器302感应与聚焦法则延迟301的幅度分布轮廓类似的入射能量水平分布。得到的回声能量水平轮廓为与301的轮廓类似的从左至右上升型的曲线，最右侧的基元(例如，基元12到基元16)接收大多数的能量。

从左至右上升型的曲线能量水平轮廓有助于检测位于换能器阵列的右侧区域的有故障基元，因为与位于相反侧的盲基元(例如，基元1到基元5)相比较，位于右侧区域的基元提供更多的能量来辨别不连续性。

因此，为了能够确定给定换能器的所有基元的能量水平不连续性，本发明的实施方式可以采用不同角度下的波束，以确保所有的换能器基元都可以发射和接收可能的最多能量。

基元能量水平测量

读者要理解的本发明的下一个重要方面是如何通过向在脉冲接收周期期间采样的信号应用的计算，测量每个基元的能量水平。

值得注意的是，相对于简单信号电压采样，能量水平计算方法提供了显著的噪声免疫优势，因为能量水平计算方法是使用多个样本进行计算，由此使来自偶然寄生噪声信号的影响减小到最低。

本发明中稍后描述处理能量水平计算的方法，该处理用于确定指示有故障的换能器基元的不连续性的存在。

图4的图401、402和403描绘了脉冲接收周期内三个同时发生的接收事件。相控阵换能器内相邻的基元提供波形WF(i-1)、WF(i)和WF(i+1)。

在脉冲发生器发射事件后立刻开始时间周期t1，因为每个基元感应的脉冲发生器能量水平将可能超过模拟-数字转换系统703(图7)或其输入端的前置放大器(没有示出)的最大读数限度，由此导致饱和。一旦发生饱和，ADC的703提供的幅度数据与基元702感应到的信号的关系则变成非线性，从而不能进行确定基元能量水平E(i)所需要的准确的幅度测量。

如果每个基元感应的脉冲发生器能量产生位于工作线性区域内的幅度(即，没有饱和)，那么，该幅度比从测试目标接收的回声的幅度高的多。因此，本发明的脉冲接收系统将降低对这些回声的敏感性，因为E(i)将由脉冲发生器能量不成比例地加权。

应当注意的是，对于连续波形相控阵系统，对于图4的波形示出的时间周期不需要排除发射事件。

继续图4，所有的Δt时间周期和Δt时间周期内的采样过程都是等价的。为图401提供的采样过程的下面解释适用于图4、图7和图9中出现的所有波形(WF)图。

每个Δt时间周期具有n个采样(S1到Sn)，并使用下面的等式1计算每个Δt时间周期，

$\mathrm{\Δt}=\frac{n}{\mathrm{Fs}}$ 等式1

其中：

“Δt”是采样接收信号数据和计算能量水平E(i)的时间周期；

“n”是时间间隔Δt期间采样的总数；

“Fs”是正常的相控阵操作的采样频率。

为了对于每个基元计算E(i)，进一步定义：

“N”是有源换能器基元的总数；

“i”是N个基元中的有源换能器基元的标识符；

“A_i，j”是在从Δt的开始的第j个采样处有源基元i的接收信号采样幅度值；

E(i)是有源基元i提供的能量水平的计算。

因此，对于基元i在时间间隔Δt期间的E(i)由下面的等式定义：

$E\left(i\right)=\frac{1}{n}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^n{A}_{i,j}^2,$ 在时间Δt内      等式2

虽然示出本发明的附图中描绘的各个WF波形全部具有正的幅度值，但是应当注意的是，还可以对双极性信号采样，在这个情况中，变量A_ij的平方将容许正值和负值信号采样，以增加E(i)的求和值。

图5和图6分别提供了应用本发明的方法产生的几个E(i)的示例性三维正视图和后视图。三个维数是基元号#、时间和能量水平。对于基元4，可以看出在时间周期t2和t3的能量水平明显不连续，然而，同时不能容易地辨别时间周期t1和t4的明显的能量水平不连续。下面详细描述辨别方法。

能量水平轮廓绘制方法

参见图7的示例性相控阵系统，等式2的N等于8个有源基元，输入波形WF1到WF8 701由基元E1到E8 702接收，将来自基元E1到E8 702的信号提供给模拟数字转换器ADC1到ADC8 703用于采样。随后由聚焦法则相位调整704将703的数字化输出的相位对准，为E(i)计算器706产生数字化的波形705。在优选的实施方式中，将这个过程独立地且同时地应用于N个有源基元中的每个基元i。应当注意，可以不使用聚焦法则相位调整704，通过将703的数字化输出直接提供给E(i)计算器706来应用为优选的实施方式公开的方法。

如分别通过与Δt的t1、t2、t3和t4相关联的图707、708、709和710可以看出的，E(i)的幅度在每个Δt周期改变。直到在图710中达到t4时，才突出地表现出具有较大幅度的E(i)，因此必须对每个Δt周期的所有E(i)值一起处理和分析，以保证捕获足够幅度的E(i)来检测有故障的基元E4。

与E(i)计算器706相关联的过程和图707、708、709和710的产生在图10的功能框1012内发生。

“能量包络”可替换实施方式

现在介绍“能量包络实施方式”，描述了其希望克服的问题，以便为后面继续的优选实施方式的描述提供背景。本说明书后面还提供了“能量包络实施方式”的详细描述。

与优选的实施方式相比，能量包络实施方式提供了减小系统实时处理活动的优势，以节约电源和简化设计。当使用非相位补偿接收信号的采样数据计算E(i)时，此可替换实施方式还容许有故障的基元检测。更具体地，如图7所示，可以将模数转换器703的数字化输出直接提供给能量水平计算器706，而不是如在优选的实施方式中通过相位调节器704提供。因此，可能发生与“在相位回声之外”关联的问题。

为了在图4中说明这个问题，示例性基元接收波形WF(i-1)、WF(i)和WF(i+1)除了它们之间的相位关系外是相同的。可以看出，在WF(i+1)将具有最大的E(i)值的时间周期t2期间，WF(i-1)将具有最小值，而WF(i)位于两者之间的某个值，但是我们知道除了相位以外它们是相同的。使相位关系不同的不利影响在图4中的最极端的例子可以在t1和t4的Δt周期中看出来，其中，在t4没有WF(i+1)的回声波形，在t1没有WF(i-1)的回声波形。因此，即便波形在幅度上不同，仍能发生较大误差。

由于这些原因，在特定的Δt(即，t1、t2、t3和t4)期间比较E(i)值可能因为在相位波形之外而提供歪曲的结果，而不管它们各自的幅度如何，由此，如果不通过其它方法克服，将由此不利地影响基元故障检测的可靠性。

在能量包络实施方式中，将完整的脉冲接收或者获取周期期间内的每个基元的最大E(i)用于识别相邻基元之间的不连续。这个方法将改善前述的相位问题，因为当改变聚焦的波束角或者将换能器移向测试目标时，对于每个脉冲接收周期，Δt时间周期和回声响应信号之间的相位关系将不是恒定的。因此，将经过更长的观察时间来测量相邻基元之间的许多不同的相位关系，因此，获得波形WF(i-1)、WF(i)和WF(i+1)的有效E(i)测量的概率将高的多。

“能量包络”可替换实施方式的多重回声的问题

当在给定的脉冲接收周期内具有不只一个回声事件并且没有检测此状况的装置时，能量包络实施方式的缺陷就表现出来。具体地，有故障基元的最大E(i)值可以来自于第二缺陷回声，第二缺陷回声比对于相邻的非故障基元产生最大E(i)的回声具有高得多的幅度。即便基元是有故障的，该更高的回声幅度也足够补偿其不灵敏性，并且产生沿着相邻的基元给出连续的幅度轮廓外观的E(i)。

参见图2，与缺陷207相比，近表面缺陷206位于靠近换能器202的基元4处。与基元4的表面相比，近表面缺陷206在尺寸上非常小，并且位于入射波205的焦点之前，因此，缺陷206的回声能量水平在由相邻的基元或者任何其它基元感应之前将显著地衰减。因此，如果基元4出现故障并且故障程度致使其与“好”的基元相比其具有显著衰减的响应，由基元4感应的近表面缺陷206的回声能量水平在幅度上可以与由其相邻的基元从缺陷207感应的回声的能量水平相比拟。因此，将不会检测到有故障基元，因为系统的响应为似乎基元4的响应是使人满意的。

如果通过改变上面描述的回声幅度行为来使相邻的基元之间产生不连续，那么，每个脉冲接收或者获取周期接收不只一个回声的问题也会使得非故障基元表现出故障。这可能是由位于换能器202中的许多基元下方具有的一系列近表面缺陷(没有示出)导致的。

“具有回声定位的能量包络”可替换实施方式

可以采用方法以防止对有故障元件错检和漏检的行为。具体地，可以及时测量每个回声的大概位置，并将其用作标准连同E(i)一起以保证对于所有基元，将有故障元件检测方法应用于相同的回声。因此，这消除了由于对各基元来自不同回声的E(i)进行比较而导致的前述风险。将这种能量包络实施方式的扩展称为“具有回声定位的能量包络”实施方式。

如本领域的技术人员熟知的，有很多方式可及时确定接收的回声的位置。本发明的能量包络实施方式(没有示出)中使用的方法使用计数器，计数器在脉冲接收周期开始时启动，并且在每次基元信号满足预定的E(i)值时存储其计数值。将这个值存储到脉冲接收周期结束时，用来与在相同的脉冲接收周期期间为其它基元存储的值作比较。

如果计数器值在预定范围之外，指示不同的回声产生最大E(i)值，那么，将不会产生有故障基元警报，并可以将消息发送到用户接口模块114(图1)，以表明故障检测系统是不可用的。

如果计数器值在预定范围之内，指示相同的回声产生最大E(i)值，那么，如果满足某些标准(后面描述)则将产生有故障基元警报，并且将消息发送到用户接口模块114，以指示已经检测到故障。

返回本发明的优选实施方式

为了对图7的示例性相控阵系统先前的描述详尽地说明，在图9中再次描绘了图4的示例性基元接收波形WF(i-1)、WF(i)和WF(i+1)。但是，这次由相位调节器704应用接收聚焦法则延迟，以使它们相位对准。

将来自每个基元的回声响应的相位对准消除了前面描述的由“在相位回声之外”导致的问题，因为它保证了在每个Δt期间不会出现由于相位造成的明显的E(i)误差，由此提供了对于每个Δt对所有基元的能量水平进行可靠比较的装置。

还解决了前面描述的、由“多重回声”导致的“能量包络”可替换实施方式中的问题，因为对于每个Δt对所有的基元执行E(i)比较，而不是在可能存在其它回声的不同Δt期间做比较。

还应当注意，通常将时间周期Δt的长度设定成小于或等于一个回声事件，但是，有些情况需要相反的时间长度。时间周期Δt的设置主要依赖下面的因素：

a)聚焦的脉冲发生器的中心频率和带宽

b)换能器的中心频率和带宽

c)信号接收系统的带宽

d)可用来实现本发明的功率、处理时间和硬件资源的量。

典型的相控阵系统的操作顺序

现在参考图10，功能框1000描绘了与图1中示出的典型的相控阵仪相关联的操作步骤的顺序。

过程从步骤1001开始，此时加载第一扇形角的聚焦法则。然后在步骤1002中将该聚焦法则应用于发射机时间延迟电路104，此后，在步骤1003，将脉冲105以超声发射的方式发射进测试目标112。然后在步骤1004期间接收来自换能器基元108的信号，接收的信号然后在步骤1005由相控阵单元103采样，并且在步骤1006处在框106中由聚焦法则调整，之后在步骤1007处在框106中求和并存储为复合A扫查。如果在步骤1008中确定还有描绘扇形图像所需要的剩余角或者线性扫查图像需要的波束位置，则在步骤1002将下一个聚焦法则提供给相控阵单元103。

应当注意步骤1002到步骤1008构成了一个脉冲接收周期，并且对于每个S扫查波束角或者线性扫查的每个波束位置重复步骤1002到步骤1008，以构成获取周期。

典型的相控阵仪操作的最后步骤为在步骤1009处进行A扫查、S扫查或者线性扫查，在步骤1010提取测量和警报信息，并以在步骤1011用该信息更新显示和/或输出来结束。步骤1009和步骤1010在获取单元100内发生，步骤1011在用户接口模块114内发生。

优选实施方式的操作顺序

包括处理E(i)以确定存在指示有故障换能器基元的不连续性的方法

继续图10，示出了与典型的相控阵仪工作顺序1000一致的能量分布和故障分析仪1021，以便说明本发明的基元故障检测系统的操作。应当注意的是，图8的图801、802和803适用于示例性相控阵换能器的16个基元，且能量分布和故障分析仪1021可以位于图1的示例性相控阵检测系统中示出的获取单元100或者相控阵单元103内。

将接收信号聚焦步骤1006的输出提供给步骤1012，以计算所有换能器基元的E(i)，然后将所有换能器基元的E(i)绘制在图8的图801上。对于示例性实施方式，E(i)的最大值是0.2。

应当注意的是，对于“具有回声定位的能量包络”可替换实施方式，将接收信号采样步骤1005的输出而不是步骤1006的输出提供给步骤1012(用虚线描绘)，以计算所有换能器基元的E(i)，然后将所有换能器基元的E(i)绘制在图8的图801上。

继续优选的实施方式，在步骤1013确定在步骤1012期间计算的E(i)的最大值，用于随后在判决步骤1014处与最小可接受阈值Ta比较。图801示出了阈值Ta，阈值Ta设置了在进入步骤1015之前E(i)必须达到的最小信噪比。

没有判决步骤1014而实现用于能量分布和故障分析仪1021的上述方法也是可能的，但是，包括判决步骤1014是优选的，因为这个步骤提高了故障检测方法的可靠性。连接步骤1013到步骤1015的虚线旨在示出这个可选的操作顺序。

继续步骤1014，如果没有满足Ta的最小可接受值，则返回步骤1012以计算下一组E(i)。但是，如果满足Ta的最小可接受值，则在步骤1015计算相控阵换能器中包含的每一对相邻的有源基元的一阶导数E′(i)。

作为识别相邻的基元之间不连续的过程的一部分，计算E′(i)以确定相邻的有源基元之间能量水平的变化。如下计算E′(i)：

E′(i)＝E(i)-E(i-1)          等式3

将等式3的结果绘制在图802上。示例性实施方式中E′(i)最大幅度值是+0.2或者-0.2，因为E(i)可能的最小值是0，且E(i)的最大值不能超过0.2。

在步骤1015对于所有相邻的有源基元计算E′(i)以后，在步骤1016对所有有源基元中的每一组三个相邻的E′(i)进行比较，以确定负值到正值的斜率拐点——即，“凹部(valley)”——的存在。具体地，将连接E′(i-1)和E′(i)的线的斜率与连接E′(i)到E′(i+1)的线的斜率比较，以确定凹部的存在。如果前者的斜率值是负值，后者的斜率值是正值，凹部则位于基元i处，并且将其指定为索引号m′(i)。凹部的检测是优选的实施方式中用来确定存在有故障的基元所使用的两个准则之一，因为它指示了相邻的换能器基元之间能量水平的不连续。

如果没有检测到凹部存在，则在步骤1017做出判决，以返回步骤1012计算下一组E(i)’。如果检测到一个或多个凹部，操作则进入步骤1018以存储出现每个凹部的低点的基元的索引号m′(i)，例如，图8中图802中示出的基元7。

虽然凹部指示了相邻基元之间能量水平的不连续，但其不一定指示有故障基元的存在，因为能量水平不连续的幅度可能并不明显。因此，必须确定能量水平不连续的幅度并随后与最小阈值T_p比较，以可靠地检测有故障的换能器基元。满足这个阈值是要满足的第二个也是最后一个标准，以便指示存在有故障的基元。

为了确定能量水平不连续的幅度，如下面的等式4中示出的，在步骤1018b中对于相邻的E(i)’计算二阶导数E″(i)。

E″(i)＝[E′(i)-E′(i-1)]         等式4

在步骤1018b存储等式4的结果的绝对值|E″(i)|，然后将其绘制在图803上。因为E′(i)的最小可能值是-0.2，最大可能值不超过0.2，所以示例性实施方式的|E″(i)|的最大可能值是0.4。

在步骤1019中，将|E″(i)|与图8的图803的阈值T_p比较，以确定|E″(i)|是否具有足够的幅度，以被认为是有故障的换能器基元的有效指示。T_p的示例性值是0.2。

可以将T_p的值设置为在步骤1013在所有基元中得到E(i)的最大测量值和该最大测量值的两倍“E(i)×2”之间。将阈值Tp的值增加到接近“E(i)×2”降低了错误检测有故障基元的概率，但是，这也会降低检测到有故障基元的概率。可以由仪器拥有者、操作者或者制造商设置Tp和Ta的值，以优化最适合期望应用的值。

如果所有的|E″(i)|都小于Tp，则在步骤1019处作出判决，以返回步骤1012计算下一组E(i)’。如果任何一个|E″(i)|大于或等于Tp，则将与在步骤1018期间存储的索引号m′(i)相关联的基元中的至少一个基元认为是有故障的基元，并且操作进入步骤1020以在显示和输出步骤1011向用户接口模块114(图1)发送有故障基元警报。

如果检测为有故障的特定的换能器基元必须是已知的，则可以在步骤1019期间存储与大于或等于Tp的|E″(i)|关联的、图803上的每个索引号m″(i)，并可以在警报步骤1020获取每个索引号m″(i)用于分析。如果存储的索引号m″(i)减去一等于与在步骤1017中检测的凹部关联的基元索引号m′(i)，那么，在警报步骤1020期间，将索引号m′(i)识别为有故障的基元号。可以将这个过程应用于在步骤1019期间存储的所有m″(i)上，以便识别所有有故障的基元。

在示例性的图803中，索引号8处的值是唯一超过Tp的值，因此，基元7被指示为有故障的基元。

上面对于功能框能量分布和故障分析仪1021描述的操作顺序的发生没有干扰典型的相控阵仪框1000的操作。因此，当启用有故障基元检测功能时，没有损失系统的效率或者准确度。

本发明的可替换的实施方式的具体描述

“能量包络”可替换实施方式

先前讨论的、现在更详细地描述的“能量包络”实施方式通过在更长的时间段内比较每个基元的最大计算E(i)值，提供了另一种识别能量水平突然下降的方法。优选地，在这个可替换的实施方式中，以如在优选的实施方式中公开的相同的方式计算E(i)，但是，远不用那么频繁计算E(i)——即，仅分析每个基元的最大E(i)值，并同所有基元比较。

应当注意，每个正常的相控阵操作的“获取周期”在使用第一个聚焦法则的脉冲接收周期的开始时启动，并在使用最后一个聚焦法则的脉冲接收周期结束时停止。聚焦法则的数量和范围典型地由S扫查中包括的波束角的数量或者线性扫查的波束位置的数量确定。

再参考等式2，假设完整的典型相控阵操作期间内的Δt的总数是m。于是，如下确定特定基元i的E(i)的最大值(即，“包络值”，EEnv(i))。

令k为Δt的索引号，其中k＝1，2，…，m，于是，对于基元i，

E_i，k＝(E_i，1，E_i，2，…，E_i，k，…，E_i，m-1，E_i，m)，等式7

EEnv(i)＝max(E_i，k)       等式8

在正常的相控阵操作的脉冲接收或者获取周期结束时，除了将由连续地执行等式7和等式8替换的、在步骤1013中执行的计算以外，以如先前对于能量分布和故障分析仪1020描述的相同的方式分析每个基元EEnv(i)得到的包络值。然后将EEnv(i)的值提供给步骤1014用于与阈值Ta相关的评估，如上文所述。

图12示出了本发明公开的换能器故障仪的上述可替换的实施方式，包括实现上面描述的基元故障检测方法的功能模块。将来自由模拟—数字转换器703(图7)采样的每个基元的回声信号数据提供给数据获取模块1202。这里提供的接收信号数据与在典型的相控阵测试操作期间提供的接收信号数据相同。通过用户接口模块114可以输入如上描述的用户定义的参数和阈值标准。然后，根据来自每个基元的信号数据和如上描述的等式2，由能量水平计算器706计算每个基元的E(i)值。随后在包络检测器1201处，根据上面的等式7和等式8选择每个基元的包络值EEnvi，并存储为当前的包络值。

在每个脉冲接收周期或者获取周期结束时，由能量分布和故障分析仪1021分析每个基元的EEnv(i)。以判断任何基元的最低EEnv(i)与相邻的基元相比是否构成可能指示有故障基元的突然下降。如果EEnv(i)的突然下降符合如上面关于图10的功能框1021描述的预定标准，有故障基元报警模块1020则发送警报，指示有故障的基元。

使用包络值的上面描述的可替换实施方式的优势是充分降低了对计算量的需要，因为在每个脉冲接收或者获取周期之后只需要运行图10中示出的能量分布和故障分析仪1021的例行程序。还应当注意的是，还可以将能量包络实施方式通过上面描述的相位调整器704应用于由步骤1006提供的相位补偿信号。

对于设计和操作效率，在本发明的这个可替换实施方式内，数据获取模块1202、能量水平计算器706可以位于相同的FPGA内，这个FPGA优选地是在典型的相控阵系统内使用的现有的FPGA。数据获取模块1202和能量水平计算器706的计算频率高于在每个脉冲接收周期或者获取周期结束时运行的能量分布和故障分析仪1021的计算频率。可以将能量分布和故障分析仪1021、用户接口模块114和有故障的基元警报模块1020添加到典型地处理传统的相控阵仪的显示或者I/O控制功能的微处理器上。

本领域的技术人员可以理解，可以由以其它方式布置的其它类型的硬件或者软件实现图1、图10和图12中的功能模块，只要其被认为适合于相控阵仪的设计和操作。

“期望能量值”可替换实施方式

“期望能量值”(EEV)可替换实施方式使用的方法不需要计算和分析本发明中前面提及的三种其它的实施方式需要计算和分析的一阶和二阶导数。相反，图11A和图11B中描绘的EEV实施方式使用的方法通过确定靠近特定E(i)的几个E(i)之间的中点的幅度，计算期望值E_e(i)，并且随后将E_e(i)与E(i)比较，以确定基本上不连续的存在。

如下通过等式5计算E_e(i)：

E_e(i)＝E(i+1)+{[E(i-1)-E(i+1)]/2}        等式5

为了判断E(i)相对于E_e(i)的偏离是否足够认为是有故障的基元，由基元的两个相邻基元之间的变化的百分比来加权E(i)和E_e(i)之间的变化的百分比。上述两个相邻基元之间的百分比变化是E_e(i)值的置信水平的度量。E(i)有故障的概率由下面的等式6表达。

$P\left(E_i\right)=\frac{y1}{E_e\left(i\right)}*(1-\frac{y2}{\max \left((E(i+1),E(i-1)\right)})$ 等式6

再次参考图11A和图11B，两个图中E(i)相对于E_e(i)的偏离是相同的，因此，等式6的第一项对于两个图是相等的。在图11B中，当y2接近于0时，等式6的第二项接近于1。在此情况下，E_e(i)的置信水平高，因为两个相邻基元接近相同的幅度。对于图11A，因为其y2比图11B的y2大的多而使得期望值的可信度较低，所以检测到有故障基元的概率较低。这导致等式6的第二项更接近于0。

为了判断P(E_i)是否指示有故障的基元，将其值与预定的阈值T_PEe比较，一旦满足则使系统识别基元i为有故障基元。

图11A和图11B中的下一组基元由i、i+1和i+2(没有示出)组成。因此，每个三个相邻基元的连续组可移位一个基元或者多个基元，直到覆盖所有要评估的基元。

本领域的技术人员可以理解可以通过多种方法计算如在本可替换实施方式中公开的期望能量水平E_e(i)，包括使用多于两个相邻基元的计算能量水平E(i)和应用曲线拟合方法。

最后的和最简单的可替换实施方式包括地用评估每个E(i)或者EEnv(i)的步骤(没有示出)替换图10的步骤1015到1019，以判断每个E(i)或者EEnv(i)是否满足非故障基元的预定幅度阈值。如果不满足阈值，则通过有故障基元警报1020继续创建警报事件，这是因为认为基元具有指示有故障基元的下降的能量水平。如果满足阈值，那么过程返回步骤1012。

应当注意，为了建立有故障基元警报的更高的置信水平，在将警报事件报告给显示和输出1011之前，可能需要在步骤1020发生预定数量的警报。对于启用和设置这项特征的参数的需要将典型地由接收信号中的信号噪声的数量决定。

虽然已关于本发明的特定实施方式描述了本发明，但是许多其它的改变和修改以及其它使用将对本领域的技术人员变得显而易见。因此，优选的是，本发明不是由本发明公开的特定内容限制的。

Claims (8)

1.一种在具有多个换能器基元的超声相控阵仪中检测换能器基元故障的方法，包括：

向所述相控阵系统中的换能器基元施加超声脉冲并从所述换能器基元获得响应信号，作为所述相控阵仪的正常操作的一部分；

根据在预定时间周期内从各个换能器基元获得的响应信号读数，分别计算各个换能器基元的能量水平；

通过识别基元i处的能量E(i)和期望能量E_e之间大的差异来注意因基元故障导致的一个或多个换能器基元中下降的能量水平，其中，在直接相邻的基元的能量E(i-1)和E(i+1)之间划一条直线，并且，E(i-1)和E(i+1)之间的线与基元i的竖线相交时的相交值提供期望的能量E_e；和

根据基元的能量水平，将能量水平下降的基元中的任何一个识别为有故障基元。

2.根据权利要求1所述的方法，包括：

通过将有故障基元的能量水平与其它换能器基元感应的能量水平进行比较，识别所述有故障基元。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

识别和选择出现能量水平下降的时间周期。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

重复地采样所述能量水平，以包括发生能量水平下降的时间周期。

5.根据权利要求1所述的方法，其中

在向所换能器基元施加超声脉冲时，使施加的脉冲在基元间具有相移；

在计算所述换能器基元的能量水平时，移除基元间的所述相移。

6.一种检测超声相控阵仪的换能器基元故障的系统，包括：

相控阵换能器，具有能够操作来由超声信号提供脉冲并且接收响应信号的多个换能器基元；

能量计算器，能够操作来计算在预定时间周期期间从各换能器基元接收的响应信号的能量水平；和

故障分析仪，能够操作来通过识别基元i处的能量E(i)和期望能量E_e之间大的差异来识别换能器基元上接收的能量水平的下降，以识别有故障基元，其中，在直接相邻的基元的能量E(i-1)和E(i+1)之间划一条直线，并且在E(i-1)和E(i+1)之间的线与基元i的竖线相交时的相交值提供期望的能量E_e。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述故障分析仪能够操作来将有故障换能器基元的能量水平与剩余换能器基元上接收的能量水平进行比较。

8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述相控阵换能器被配置来由超声信号提供脉冲和接收响应信号，作为所述超声相控阵仪器的正常操作的一部分。