CN103175893A - 一种基于宽频带超声相控阵的缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽频带超声相控阵的缺陷检测方法，应用于由多个阵元构成的超声相控阵换能器中，该方法包括：在发射端，由多个阵元采用调制编码激励，并发送经过调制的大时宽、大带宽的线性调频信号，所述线性调频信号在焦点处聚集，并反射信号；在接收端，各阵元接收所述反射信号，并经过延时校正后使信号分布在相同的时窗范围内；根据所述各阵元接收的反射信号进行频域内的匹配滤波，将匹配滤波信号在频域内相干合成，获得频域内的宽带信号，反快速傅里叶变换后，得到时域脉冲压缩信号。本发明不但能提高发射信号带宽、还能获得分辨率较高的脉冲压缩信号，从而实现微小缺陷的精确检测。

Description

一种基于宽频带超声相控阵的缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及声学检测技术，尤其涉及一种基于宽频带超声相控阵的缺陷检测方法。 

背景技术

超声相控阵换能器是由多个相互独立的压电晶片组成的阵列，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元，来调整焦点的位置和聚集的方向，相控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。超声波在检介质中传播相对于距离成指数衰减，距离阵元较远的目标接收到的超声信号较弱，携带缺陷信号的回波信号信噪比较低，导致远处目标成像受噪音干扰严重，成像质量明显下降。传统的相控阵信号存在频带单一、叠加信号信噪比低的问题。 

发明内容

本发明的目的是解决传统相控阵信号存在的频带较窄、检测信号分辨率较低的问题，通过提高发射信号带宽的方法提高信噪比和分辨率。 

为实现上述目的，本发明提供了一种基于宽频带超声相控阵的缺陷检测方法，相控阵各阵元分布在不同的谐振频带，这样多个阵元的叠加信号频带就有较大程度地增加，该方法包括： 

在发射端，由多个阵元采用调制编码激励，并发送经过调制的大时宽、大带宽的线性调频信号，所述线性调频信号在焦点处聚集，并反射信号； 

在接收端，各阵元接收所述反射信号，并经过延时校正后使信号分布在相同的时窗范围内； 

根据各阵元接收的反射信号进行频域内的匹配滤波，将匹配滤波信号在频域内相干合成，获得频域内的宽带信号，反快速傅里叶变换后，得到时域脉冲压缩信号。 

本发明通过将脉冲压缩方法和宽带超声相控阵相结合，从而提高发射信号带宽，通过在接收端将回波信号在频域内叠加后脉冲压缩，得到分辨率较高的脉冲压缩信号，实现微小缺陷的精确检测。 

附图说明

通过以下结合附图以举例方式对本发明的实施方式进行详细描述后，本发明的其他特征、特点和优点将会更加明显。 

图1为本发明实施例提供的一种基于宽频带超声相控阵的缺陷检测方法流程图； 

图2为线性相控阵阵列示意图； 

图3为混凝土表面的缺陷模型； 

图4为32道阵元接收的反射信号示意图； 

图5为频域匹配滤波后叠加信号G（ω）的模； 

图6为32道阵元信号拼接后的压缩结果示意图； 

图7为非匹配滤波处理后的压缩结果示意图。 

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本申请的技术方案做进一步的详细描述。 

本发明实施例将脉冲压缩方法应用到超声相控阵检测与成像中，可使得超声检测与成像系统在不牺牲信噪比的情况下提高分辨率，从而实现微小缺陷的精确检测。 

图1为本发明实施例提供的一种基于宽频带超声相控阵的缺陷检测方法流程图。如图1所示，该方法应用于由多个阵元构成的超声相控阵换能器中， 相控阵各阵元分布在不同的谐振频带，这样多个阵元的叠加信号频带就有较大程度地增加，其方法包括步骤101-103。 

在步骤101，在超声相控阵换能器的发射端，由多个阵元采用调制编码激励，上述编码激励具有相同的带宽和时宽。发射端发送经过调制的大时宽、大带宽的线性调频信号，所述线性调频信号在焦点处聚集，并反射信号。 

在一个例子中，如图2所示，设置焦点P，阵元间距为d,将阵列中心定为参照原点，阵元n的延时为t_n=（r-r_n）/c,其中c为介质波速。超声相控阵换能器的发射端选取相邻阵元中心频率递增的N个阵元，此N个阵元为1组，在实际应用中同样也可以选用多组阵元。根据阵元的中心频率f_n，编辑N个线性调频编码信号sc_n用于编码激励，sc_n中心频率为f_n，sc_n具有相同的带宽B和时宽T，且B=f_n+1-f_n,n=1,2,…N-1。需要说明的是，为保证信号具有良好的脉冲压缩特性，且不影响计算效率，sc_n信号的脉冲宽度T与带宽B的乘积宜大于5，且小于100。 

上述线性调频编码信号sc_n可利用公式（1）进行编辑， 

${\mathrm{sc}}_n\left(\mathrm{i\Δt}\right)=A\cos [2\mathrm{\π}(f_n-\frac{B}{2})\mathrm{i\Δt}+\frac{\mathrm{\μ}{\left(\mathrm{i\Δt}\right)}^2}{2}]---\left(1\right)$

其中，0≤iΔt≤T,i为正整数,f_n为调频信号中心频率，采样时间间隔为Δt,幅度为A，时间宽度为T，调频带宽为B，信号调频斜率为编码信号长度(采样点数)为M_o，信号的中心频率f_n宜与换能器中心频率一致。 

在步骤102，在超声相控阵换能器的接收端，各阵元接收来自焦点的反射信号，并经过延时校正后使信号分布在相同的时窗范围内。 

在步骤103，超声相控阵换能器根据各阵元接收的反射信号进行频域内的匹配滤波，并将匹配滤波信号在频域内相干合成，获得频域内的宽带信号，反快速傅里叶变换后，得到分辨率较高的时域脉冲压缩信号，从而达到微小缺陷的精确检测。 

在一个例子中，现假设sc_n信号激励对应阵元的发射信号作为时域匹配滤波信号b_n，其频域函数为B_n(ω)。在焦点处有缺陷产生反射信号，被每个阵元接收，各接收信号为e_n,将各阵元接收信号延时校正，校正量为t_n,校正后的接收信号仍用e_n表示，其频域函数为E_n(ω)。各子孔径信号G_n(ω)在频域内匹配滤波的公式为： 

$G_n\left(\mathrm{\ω}\right)=E_n\left(\mathrm{\ω}\right)\·B_n^{*}\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(2\right)$

其中，

为B_n(ω)的复共轭。 

通过公式（3）叠加合成，即 

$G\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{G}_n\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(3\right)$

将G(ω)反傅里叶变换，即式（4） 

g(t)＝IFFT(G(ω))    （4） 

得到时域压缩信号g(t)。 

本发明实施例的优势在于： 

1、发射的阵列线性调频信号具有宽时、宽带特性，具有良好的压缩特性，压缩后信号的信噪比较高； 

2、发射信号的宽时、宽带特性决定了信号的能量较大，能够穿透长距离的被检构件； 

3、压缩信号的特征与噪音信号特征存在明显的差异，容易分辨； 

4、压缩后的信号主瓣较窄，并且幅度较高，能够精确判断缺陷回波信号； 

5、频域内的匹配滤波方法简单，易于计算。 

以下再通过一个实施例针对图1所示的方法进行描述： 

假设阵元宽度为4mm,阵元中心间距为5mm（如图2所示）,数字n表示中心频率f_n为n*100kH_z的阵元（n=2-9）。编码信号SC_n的频带范围为n*100kHz-50kHz至n*100kHz+50kHz，n=2-9为一组阵元，设计4组，共32个阵元。每个阵元的频带宽度均为100kHz。 

编码信号sc_n激励对应阵元的发射信号作为时域匹配滤波信号，其频域函数为B_n（ω）。阵元在混凝土模型表面（如图3所示），焦点(坐标为：x=11.5cm,y=28cm)在缺陷（黑色方框部分）顶部，探头左侧距离模型左边缘3cm。图4为32道阵元接收的反射信号e_n，其频域函数为E_n(ω)。针对各阵元接收的反射信号延时校正，校正量为t_n，t_n=（r-r_n）/c（r和r_n的表示见图2）。 

根据公式（2）和（3），计算得到G（ω）的模（如图5所示的幅度谱），再结合公式（4），计算得到如图6所示的单一峰值的脉冲压缩信号，其主瓣宽度为1.29us,主副瓣比8.8dB。图7是在图6的基础上进行了旁瓣压制。通过获取的脉冲压缩信号，实现微小缺陷的精确检测。 

需要指出的是，以上仅为本发明较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围，具有专业知识基础的技术人员可以由以上实施实例实现本发明，因此凡是根据本发明的精神和原则之内所做的任何的变化、修改与改进，都被本发明的专利范围所覆盖。即，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 

Claims (5)

1.一种基于宽频带超声相控阵的缺陷检测方法，应用于由多个阵元构成的超声相控阵换能器中，其特征在于：

在发射端，由所述多个阵元采用调制编码激励，并发送经过调制的大时宽、大带宽的线性调频信号，所述线性调频信号在焦点处聚集，并反射信号；

在接收端，各阵元接收所述反射信号，并经过延时校正后使信号分布在相同的时窗范围内；

根据所述各阵元接收的反射信号进行频域内的匹配滤波，将匹配滤波信号在频域内相干合成，获得频域内的宽带信号，反快速傅里叶变换后，得到时域脉冲压缩信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性调频编码信号通过以下公式获取，

${\mathrm{sc}}_n\left(\mathrm{i\Δt}\right)=A\cos [2\mathrm{\π}(f_n-\frac{B}{2})\mathrm{i\Δt}+\frac{\mathrm{\μ}{\left(\mathrm{i\Δt}\right)}^2}{2}]$

其中，0≤iΔt≤T,i为正整数,f_n为调频信号中心频率，采样时间间隔为Δt,幅度为A，时间宽度为T，调频带宽为B，信号调频斜率为

3.根据权利要求1所述的方法，基特征在于，所述多个阵元是相邻阵元频带有一定重叠且中心频率递增的N个阵元。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述由所述多个阵元采用调制编码激励，并发送经过调制的大时宽、大带宽的线性调频信号步骤包括：

根据多个阵元的中心频率，编辑N个线性调频编码信号用于编码激励，所述编码激励具有相同的带宽和时宽。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述编码信号的脉冲宽度与带宽的乘积大于5且小于100。

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