CN105319271A - 一种横、纵波联合超声相控阵检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种横、纵波联合超声相控阵检测方法，包括：根据超声换能器阵列参数以及楔块参数，对大角度区域的焦点按照横波声速计算发射延时和接收延时；对于大角度区域，阵列中的阵元发射延时、接收延时实现声波的发射与接收，然后做聚焦波束形成处理，从而得到大角度区域的超声射频扫描线数据；采用横、纵波联合的方式对小角度区域进行检测，对小角度区域的焦点计算发射延时和接收延时；对于小角度区域，阵列中的阵元根据发射延时、接收延时实现声波的发射与接收，然后做聚焦波束形成处理，从而得到小角度区域的超声射频扫描线数据；对大角度区域的超声射频扫描线数据与小角度区域的超声射频扫描线数据做变形与拼接，得到超声相控阵图像。

Description

一种横、纵波联合超声相控阵检测方法

技术领域

本发明涉及声学阵列成像检测技术，特别涉及一种横、纵波联合超声相控阵检测方法。

背景技术

超声相控阵体波检测有纵波检测和横波检测两种方式。纵波检测一般是直接把换能器贴在被检测目标上进行检测，如图1所示。横波检测是通过在换能器与检测目标之间加入楔块，通过纵波在楔块/检测目标界面的折射产生横波实现的，如图2所示。纵波检测和横波检测的方式也决定了纵波检测与横波检测具有不同的扫描范围：纵波相控阵检测主要对换能器正下方的小角度区域进行检测；而横波检测主要对换能器斜下方的大角度区域进行检测。对于不同的折射角，横波的折射系数变化较大，所以横波检测的扫描范围只能是折射系数相对平坦的区域，角度区域约35°～75°之间。

然而，在一些工业应用场景中，往往需要对更大的角度区域进行检测。若采用传统的横波和纵波检测方式，需要两个换能器才能实现：纵波检测方案检测小角度区域，横波检测方案检测大角度区域，这不仅增加了系统复杂度，也增加了成本，而且某些应用场景下同时布放两个或多个换能器也不现实。若能提出一种方案，解决采用横波检测时不能覆盖的小角度区域问题，则对工业检测具有较大意义。

目前国内外已经有许多学者对相控阵超声检测及成像进行了研究，如徐娜等、S.Chatillon等均对工件拐角处的探测与成像进行了研究，得到了较理想的成像结果；AlanJ.Hunter等研究了复杂界面情况下的超声相控阵成像问题；AnmolS.Rirring利用超声相控阵对焊缝检测成像进行了研究；A.J.Devaney等进行了模糊目标的时间反转成像研究；TatHeanGan等对木头样本的无接触式高分辨率超声成像进行了研究；I.D.Hall等利用层析成像实现了超声成像质量的提高；CarolineHolmes等研究了超声全矩阵收发数据的后处理及成像，并对不同的算法结果进行了对比；BenjaminLucht等利用了低频时的横波模式转换提高了成像的对比度；SteveMahaut等研究了复杂形状内的裂纹检测与成像。但对于前面所描述的问题，未见有公开发表的文献对其提出解决方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的超声相控阵体波检测方法必须采用两种相控阵才能实现大角度区域检测的缺陷，从而提供一种横、纵波联合超声相控阵检测方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种横、纵波联合超声相控阵检测方法，该方法在超声换能器阵列与检测目标之间加入楔块，采用折射波对检测目标内部实现检测，该方法包括：

步骤1)、根据超声换能器阵列参数以及楔块参数，对大角度区域的焦点按照横波声速计算发射延时和接收延时；其中，所述大角度区域为折射角覆盖35°至75°的区域；

步骤2)、对于所述大角度区域，阵列中的阵元根据步骤1)所得到的发射延时、接收延时实现声波的发射与接收，然后做聚焦波束形成处理，从而得到所述大角度区域的超声射频扫描线数据；

步骤3)、采用横、纵波联合的方式对小角度区域进行检测，对小角度区域的焦点计算发射延时和接收延时；其中，所述小角度区域为折射角覆盖15°至35°的区域；所述横、纵波联合的方式为以下三种方式之一：发射使用横波聚焦且接收使用纵波聚焦、发射使用纵波聚焦且接收使用横波聚焦、发射接收均使用纵波聚焦，在对小角度区域的焦点计算发射延时和接收延时时，根据发射和接收的方式不同分别按照纵波或横波计算发射延时和接收延时；

步骤4)、对于所述小角度区域，阵列中的阵元根据步骤3)所得到的发射延时、接收延时实现声波的发射与接收，然后做聚焦波束形成处理，从而得到所述小角度区域的超声射频扫描线数据；

步骤5)、对所述大角度区域的超声射频扫描线数据与所述小角度区域的超声射频扫描线数据做变形与拼接，得到超声相控阵图像。

上述技术方案中，在所述的步骤5)之前还包括：对所述大角度区域的超声射频扫描线数据与所述小角度区域的超声射频扫描线数据做幅度归一化。

上述技术方案中，在所述的步骤5)之前还包括：对所述大角度区域的超声射频扫描线数据与所述小角度区域的超声射频扫描线数据做滤波、检波以及动态压缩处理。

上述技术方案中，在计算发射延时与接收延时时，根据费马原理计算从阵列中不同阵元至焦点处的延时。

上述技术方案中，在所述步骤5)中，所述变形包括：首先对所述大角度区域的超声射频扫描线数据与所述小角度区域的超声射频扫描线数据分别进行图像插值，然后对于经图像插值后的小角度区域的超声射频扫描线数据采用相应的横波或纵波声速进行变换，对于经图像插值后的大角度区域的超声射频扫描线数据采用横波声速进行变换。

上述技术方案中，所述检波包括正交解调、正半波检波以及负半波检波。

本发明的优点在于：

由于在小角度区域的折射横波能量较弱，而折射纵波能量相对较强，单纯使用横波在小角度区域根本无法进行有效的检测。本发明在检测过程中考虑到横波、纵波中均含有目标的位置信息，引入横纵波联合检测可增加回波能量，提高了成像信噪比。

附图说明

图1是纵波检测方式的示意图；

图2是横波检测方式的示意图；

图3是本发明的横、纵波联合超声相控阵检测方法的流程图；

图4是在一个实施例中对大角度区域计算延时的示意图；

图5是相控阵发射聚焦和接收聚焦的示意图；

图6是检测区域的示意图；

图7给出了不同入射角和折射角对应的横纵波折射率的示意图；

图8是由射频数据得到图像数据的过程示意图；

图9是大角度和小角度的图像变形及拼接示意图；

图10(a)为传统横波检测的仿真结果示意图，即发射接收均采用横波聚焦的情形；

图10(b)是发射采用横波聚焦，接收采用纵波聚焦的仿真结果示意图；

图10(c)是发射采用纵波聚焦，接收采用横波聚焦的仿真结果示意图；

图10(d)是发射接收均采用纵波聚焦的情形的仿真结果示意图；

图11(a)为传统横波检测的成像实验结果示意图，即发射接收均采用横波聚焦的情形；

图11(b)是发射采用横波聚焦，接收采用纵波聚焦的成像实验结果示意图；

图11(c)是发射采用纵波聚焦，接收采用横波聚焦的成像实验结果示意图；

图11(d)是发射接收均采用纵波聚焦的情形的成像实验结果示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的解释。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

在背景技术中已经提到，现有技术中的横波检测与纵波检测有各自的检测区域，本发明的方法结合横波检测与纵波检测的优点，较单种检测方式具有更为广阔的检测区域。本发明的方法在实现时，需要如横波检测那样先在相控阵与检测目标之间加入楔块，然后利用相控阵中的换能器进行检测。在检测时，对于传统横波检测能覆盖的区域，仍采用横波检测方式完成，即发射与接收聚焦均采用横波声速进行计算；对于传统横波相控阵检测无法覆盖的小角度区域，采用横、纵波联合方法进行检测，包括下列方式中的任意一种：横波发射纵波接收、纵波发射横波接收以及纵波发射纵波接收。

下面结合附图对本发明的方法做进一步的说明。

参考图3，本发明的方法包括：

步骤101、通过声学换能器阵列参数以及楔块参数，对大角度区域的焦点按照横波方式计算发射延时和接收延时。

结合本领域技术人员的公知常识，在本申请中将折射角覆盖35°至75°的区域作为本申请中所述的大角度区域。图4为在一个实施例中对大角度区域计算延时的示意图，在该图中，相控阵中的阵元(即换能器)与检测目标之间加入了楔块，A、B用于表示相控阵中的两个阵元，C表示大角度区域的焦点，该焦点意味着相控阵中的各个阵元所发射的声波会在C处聚焦。图4中的箭头表示了声传播的路径，图中的介质1指楔块的介质，图中的介质2指检测目标的介质。相控阵中不同阵元至焦点处的延时计算可以通过费马原理求得传播过程。

参考图4所建立的几何模型，各阵元发出的超声纵波经过楔块/检测目标界面的折射会在检测目标中产生折射纵波和折射横波，它们在检测目标中传播，直到遇到散射目标。在传播过程中声波遇到散射目标时会产生散射纵波和散射横波，其中部分波形的传播方向与入射波方向相反，称为后向散射，后向散射的声波经过楔块并被目标阵中的阵元接收。为了对各阵元接收超声脉冲进行聚焦，需要根据超声脉冲在楔块及检测目标中的波传播速度进行计算。这些速度由介质决定，设在楔块中的纵波速度为c_L1，横波速度为c_S1，检测目标介质中的纵波速度为c_L2，横波速度为c_S2。

根据检测需要选择对应的扫描角度和聚焦深度(或焦点位置)，对每一个聚焦分别进行计算。为了计算方便，在二维直角坐标系中考虑，如图4所示，图中O点为楔块顶角的坐标，A点为其中一个阵元，坐标为(x_A,z_A)，S为焦点，坐标为(x_S,z_S)，当换能器尺寸、楔块尺寸及聚焦位置确定时，这三者为已知值，而图中的C点(x_c,0)为该声束的入射点。下面介绍利用此坐标系完成延时计算的方法：由于换能器激发产生纵波，对应的波速为c_L1，假设采用横波聚焦，则介质2中的波速采用c_S2表示。波速c_L1、c_S2及入射角、折射角之间满足费马原理(斯奈尔定律)，通过求解下式：

$\underset{x_C}{\mathrm{Min}}(\frac{\sqrt{{(x_A-x_C)}^2+{\left(z_A\right)}^2}}{c_{L1}}+\frac{\sqrt{{(x_S-x_C)}^2+{\left(z_S\right)}^2}}{c_{S2}})---\left(1\right)$

该方程中C点横坐标为唯一未知量，由此可解出入射点C的坐标，再根据超声波的传播路径即可计算出阵元A发出超声纵波、产生折射横波并到达焦点所需要的时间。

采用上述类似的方法可以算出相控阵中的其他阵元发出超声纵波、产生折射横波并到达焦点所需要的时间。由这些数据可以进一步计算出发射延时和接收延时。所述发射延时用于描述相控阵中各个阵元之间发射声波时的时间差，通过这些时间差能保证各个阵元所发射的声波能够同时到达大角度区域的焦点。所述接收延时用于描述空间某点到达相控阵中各个阵元之间接收声波时的时间差，通过这些时间差能保证各个阵元接收到经散射体散射的回波时间对齐。

步骤102、对大角度区域，根据步骤101的计算结果进行发射和接收，并进行聚焦波束形成处理，得到大角度区域的超声射频扫描线数据。

图5为相控阵发射聚焦和接收聚焦的示意图。在发射聚焦时，根据步骤101的计算结果来调整相控阵中不同通道的发射时间，从而让不同阵元激发的声波同时到达焦点处。接收聚焦与发射聚焦类似，根据步骤101的计算结果来调整相控阵中不同通道的接收时延，从而让经散射体散射后到达相控阵的各个阵元的回波时间对齐。

当发射的超声波到达焦点处时，若该点处存在散射体，它将同时产生散射横波和散射纵波，所述散射横波和散射纵波经楔块传播到达相控阵的各阵元并被各阵元接收。这两种波形中均包含了散射体的位置信息，可分别对其进行波束形成，实现信息的提取。散射体产生的散射波到达阵元的过程包含如下两种方式：散射横波(介质2)-折射纵波(介质1)-阵元、散射纵波(介质2)-折射纵波(介质1)-阵元。由于声路可逆，这两种传播方式所需要的时间与步骤101中计算的两种延时(即发射延时、接收延时)完全相同，将利用它们完成接收波束形成。若想对回波中的横波进行波束形成，采用的延时数据就为发射横波聚焦所使用的延时，纵波波束形成与之类似。

步骤103、对小角度区域的焦点计算发射延时和接收延时。

在本申请中，小角度区域一般指折射角覆盖15°至35°的区域，在图6中给出了小角度区域的示意图。在小角度区域内采用横、纵波联合检测方式，可采用下列三种方式中的任意一种：纵波发射、横波接收方式；横波发射、纵波接收方式；纵波发射、纵波接收模式。因此，在为小角度区域的焦点计算发射延时和接收延时时，可采用前述横、纵波联合检测方式中的任意一种实现。

为小角度区域的焦点计算发射延时和接收延时同样可通过费马原理实现，具体实现步骤可参见步骤101中的描述，只是在计算时所采用的声速不是步骤101中所采用的横波声速，而是按照发射和接收的不同，分别按照横波或纵波进行计算。

从前面的描述可知，发射聚焦方式有两种(即横波与纵波)，而每一种发射聚焦方式又均对应两种接收聚焦方式，因此共有四种成像方式。现有技术中的横波检测为收发均采用横波聚焦的情形，而在本发明中，对于小角度区域成像则是采用了不同于现有横波检测的另外三种方式。

以采用折射纵波聚焦的情形为例进行说明，只是介质2中的波速采用c_L2。对于每个焦点，所有阵元均需要计算下式，完成延时计算：

$\underset{x_C}{\mathrm{Min}}(\frac{\sqrt{{(x_A-x_C)}^2+{\left(z_A\right)}^2}}{c_{L1}}+\frac{\sqrt{{(x_S-x_C)}^2+{\left(z_S\right)}^2}}{c_{L2}})---\left(2\right)$

需要强调的是，在小角度区域成像中必须采用以下三种方案之一：

1、发射使用横波聚焦且接收使用纵波聚焦；

2、发射使用纵波聚焦且接收使用横波聚焦；

3、发射接收均使用纵波聚焦。

对于延时，需要区分发射和接收。

步骤104、对小角度区域，按照103所得到的结果进行发射和接收，并进行聚焦波束形成处理，得到小角度区域的超声射频扫描线数据。

步骤105、对大角度区域和小角度区域得到的超声射频扫描线数据进行幅度归一化，以减弱不同角度的差异以及横、纵波收发的差异。

图7给出的不同入射角和折射角对应的横纵波折射率。参照图7，根据不同角度(包括小角度以及大角度)和波型(横波以及纵波)差异，对不同扫描线数据进行幅度规整，得到规整后的射频数据。图7中粗线表示横波折射率，细线表示纵波折射率。

步骤106、对大角度区域和小角度区域得到的规整后的射频数据进行滤波、检波以及动态压缩处理，得到图像数据。

图8给出了如何由射频数据得到图像数据的过程。其中，带通滤波，根据超声阵列的中心频率进行处理，从而去除带外噪声。检波处理包括正交解调、正半波检波以及负半波检波，目的是获取信号的包络。动态压缩处理，为了更有利于显示，往往把信号包络进一步动态压缩，从而得到更加适合于图像显示的线数据。

步骤107、对大角度区域和小角度区域的图像进行变形以及拼接。

如图9所示，图中虚线箭头表示的大角度区域采集的数据，实线箭头表示的小角度区域采集的数据。优选地，大角度采集的数据和小角度采集的数据分别进行图像插值。图中的网格表示需要插值的图像值。对于实线覆盖的小角度区域，采用相应的横波或纵波声速进行变换，从而使得所有的时间信号变换到空间坐标。对于虚线覆盖的大角度区域，采用横波声速进行变换，然后把两个图像拼接到一起，从而得到大区域检测的超声相控阵图像。

为了说明本发明方法的有效性，以下分别从仿真和实验的角度，对于小角度区域采用采用四种方法进行对比和实验，并进行详细说明。

仿真研究

本发明的仿真研究采用时域有限差分(FDTD)算法实现，仿真结构模型如图6所示。仿真试块是厚度为10cm的钢材，由于工业无损检测主要检测钢材底部裂纹，模型中在相对于换能器阵元中心处15°～35°区域间隔10mm均匀设置了从左至右编号依次为1～5的5个切糟，仿真中各角度聚焦的焦点都设在该角度与底边的交点处。具体仿真模型相关参数为：换能器阵元数为32，阵元间距1mm，阵元宽度为0.9mm，超声脉冲频率为2MHz；楔块材料为聚苯乙烯，密度为1.05g/cm³，纵波声速为c_L1＝2337m/s，横波声速为c_S1＝1147.9m/s，楔角为36°；检测物为钢，纵波声速为c_L2＝5764.6m/s，横波声速为c_S2＝3328.2m/s。

分别对可能的四种方案进行仿真研究，发射接收分别采用横波或纵波。仿真结果如图10所示。其中图10(a)为传统横波检测的仿真结果，即发射接收均采用横波聚焦的情形；图10(b)是发射采用横波聚焦，接收采用纵波聚焦的结果；图10(c)是发射采用纵波聚焦，接收采用横波聚焦的结果；图10(d)是发射接收均采用纵波聚焦的情形。从图中可以看出，对于小角度区域的裂纹检测问题，采用传统的横波检测几乎不能得到有效的图像，而本发明所提出的三种方法对于该区域的成像质量均得到了很大程度的提高，实现了对该区域裂纹检测的改进。

物理实验研究

为了对本发明的实用性进行验证，采用32通道超声相控阵探伤系统进行了物理实验，实验相关参数为：换能器阵元间距0.6mm，阵元宽度为0.5mm，超声脉冲频率为5MHz；楔块材料为聚苯乙烯，密度为1.05g/cm³，纵波声速为c_L1＝2337m/s，横波声速为c_S1＝1147.9m/s，楔角为36°；检测物为钢，纵波声速为c_L2＝5900m/s，横波声速为c_S2＝3230m/s；扫描范围为15°～35°，扫描步进为0.16°。检测物与仿真模型类似，但略有不同：底部只有三个切糟，深度分别为0.5mm，1mm，0.5mm，间距为5mm。

分别采用四种方法进行成像实验，结果如图11所示。其中图11(a)为传统横波检测的成像实验结果，即发射接收均采用横波聚焦的情形；图11(b)是发射采用横波聚焦，接收采用纵波聚焦的结果；图11(c)是发射采用纵波聚焦，接收采用横波聚焦的结果；图11(d)是发射接收均采用纵波聚焦的情形。从图中可以看出，物理实验与仿真研究得到了一致的结论：对于小角度区域的裂纹检测问题，本发明所提出的三种方法对传统横波检测的检测性能有了很大的改善，成像质量得到提高。

最后所应说明的是，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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种横、纵波联合超声相控阵检测方法，该方法在超声换能器阵列与检测目标之间加入楔块，采用折射波对检测目标内部实现检测，该方法包括：

步骤1)、根据超声换能器阵列参数以及楔块参数，对大角度区域的焦点按照横波声速计算发射延时和接收延时；其中，所述大角度区域为折射角覆盖35°至75°的区域；

步骤2)、对于所述大角度区域，阵列中的阵元根据步骤1)所得到的发射延时、接收延时实现声波的发射与接收，然后做聚焦波束形成处理，从而得到所述大角度区域的超声射频扫描线数据；

步骤3)、采用横、纵波联合的方式对小角度区域进行检测，对小角度区域的焦点计算发射延时和接收延时；其中，所述小角度区域为折射角覆盖15°至35°的区域；所述横、纵波联合的方式为以下三种方式之一：发射使用横波聚焦且接收使用纵波聚焦、发射使用纵波聚焦且接收使用横波聚焦、发射接收均使用纵波聚焦，在对小角度区域的焦点计算发射延时和接收延时时，根据发射和接收的方式不同分别按照纵波或横波计算发射延时和接收延时；

步骤4)、对于所述小角度区域，阵列中的阵元根据步骤3)所得到的发射延时、接收延时实现声波的发射与接收，然后做聚焦波束形成处理，从而得到所述小角度区域的超声射频扫描线数据；

步骤5)、对所述大角度区域的超声射频扫描线数据与所述小角度区域的超声射频扫描线数据做变形与拼接，得到超声相控阵图像。

2.根据权利要求1所述的横、纵波联合超声相控阵检测方法，其特征在于，在所述的步骤5)之前还包括：对所述大角度区域的超声射频扫描线数据与所述小角度区域的超声射频扫描线数据做幅度归一化。

3.根据权利要求1或2所述的横、纵波联合超声相控阵检测方法，其特征在于，在所述的步骤5)之前还包括：对所述大角度区域的超声射频扫描线数据与所述小角度区域的超声射频扫描线数据做滤波、检波以及动态压缩处理。

4.根据权利要求1或2或3所述的横、纵波联合超声相控阵检测方法，其特征在于，在计算发射延时与接收延时时，根据费马原理计算从阵列中不同阵元至焦点处的延时。

5.根据权利要求1或2或3所述的横、纵波联合超声相控阵检测方法，其特征在于，在所述步骤5)中，所述变形包括：首先对所述大角度区域的超声射频扫描线数据与所述小角度区域的超声射频扫描线数据分别进行图像插值，然后对于经图像插值后的小角度区域的超声射频扫描线数据采用相应的横波或纵波声速进行变换，对于经图像插值后的大角度区域的超声射频扫描线数据采用横波声速进行变换。

6.根据权利要求3所述的横、纵波联合超声相控阵检测方法，其特征在于，所述检波包括正交解调、正半波检波以及负半波检波。