CN107271573B - 一种分层介质中目标或缺陷的声学检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分层介质中目标或缺陷的声学检测方法，该方法包括：步骤1)将换能器阵列布放于分层介质表面，选择换能器阵列中任意一个阵元向分层介质内发射前向声束，并通过换能器阵列中的其余阵元接收由目标或缺陷反馈的散射信号和界面反馈的反射信号；步骤2)各个阵元根据接收到的散射信号和反射信号均做时间反转处理，模拟生成各阵元对应的逆向声束；步骤3)在分层介质空间中各个点，将接收到的前向声束和各阵元对应的逆向声束分别进行卷积处理，以各阵元在同一点卷积后得到的各个最大值之和作为分层介质空间中该点的声场值，比较获得声场值最高的点对应的坐标作为目标或缺陷所在位置。该方法能够抑制界面信号干扰，实现目标或缺陷定位。

Description

一种分层介质中目标或缺陷的声学检测方法

技术领域

本发明涉及声学检测技术领域，具体涉及一种分层介质中目标或缺陷的声学检测方法。

背景技术

声学检测和成像是材料和结构无损探伤和诊断的重要手段，它也是水下探测和地层探测的常用方法。但是迄今声学检测还有许多应用上有重大需求而没有解决的 问题。目标(缺陷)在分层介质中，由于界面的干扰，使得普通的超声检测有时会 变得困难。比如在界面附近的目标(缺陷)，由于检测换能器带宽的限制，使脉冲不 能很窄，这时在界面和缺陷处产生的两个反射信号可能重叠而不能区分，因此导致 缺陷将可能检测不出来。发明人汪承灏曾提出一种改进的时间反转法(声学学报， 2002，27(3)：193-197)，即换元的时间反转法，可以抑制界面干扰，能够检测出 分层介质在界面附近是否有目标(缺陷)，但是还是不能确定目标(缺陷)的位置， 即无法实现定位。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服现有技术中的声学检测方法无法实现缺陷定位的技术问题，提出了一种分层介质中缺陷的声学检测方法，该方法为时间反转(TR) 和逆时偏移(RTM)的混合法，利用本发明的方法能够成功的区分界面反射信号和目 标散射信号，抑制界面信号的干扰，使声束在目标(缺陷)处聚焦成像，从而实现了 分层介质中目标的检测和定位。

为实现上述目的，本发明提出的一种分层介质中目标(缺陷)声学检测和定位 的方法，即利用时间反转和逆时偏移处理的混合法来实现了对分层介质中目标(缺 陷)检测和定位，具体包括以下步骤：

步骤1)将换能器阵列布放于分层介质表面，选择换能器阵列中任意一个阵元 向分层介质内发射前向声束，并通过换能器阵列中的其余阵元接收由目标或缺陷反 馈的散射信号和界面反馈的反射信号；

步骤2)各个阵元根据接收到的散射信号和反射信号均做时间反转处理，模拟 生成各阵元对应的逆向声束；

步骤3)在分层介质空间中各个点，将接收到的前向声束和各阵元对应的逆向 声束分别进行卷积处理，以各阵元在同一点卷积后得到的各个最大值之和作为分层 介质空间中该点的声场值，比较获得声场值最高的点对应的坐标作为目标或缺陷所 在位置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1)中其余阵元接收到的信号表示为：

其中，

表示界面反射信号，a_ij表示界面反射系数，b_ijΩ[t-(t_i ^o+t_j ^o)]表示目标或缺陷散射信号，b_ij表示目标或缺陷散射系数，

表示前向声束由第i个阵 元发射后经界面反射到达第j个阵元的旅行时，t_i ^o表示前向声束由第i个阵元发射 后到达目标或缺陷的旅行时，t_j ^o表示由目标或缺陷发射的散射信号到第j个阵元的 旅行时。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤2)中模拟生成各阵元对应的逆向声束表示为：

其中，

表示界面反射信号的时间反转信号，

表示目标或缺陷散射信号的时间反转信号，

本发明的一种分层介质中目标或缺陷的声学检测方法优点在于：

本发明的声学检测方法通过数据分析，仅用一次实验就能实现目标(缺陷)定 位和检测。利用本发明的方法不仅能够对单个目标定位，而且还可同时对多个目标 实现定位，即能够给出各目标的位置分布图。

附图说明

图1为本发明提供的一种分层介质中目标或缺陷的声学检测方法流程图；

图2为利用本发明的声学检测方法执行信号发射和接收的状态示意图；

图3a-3c为本发明中的前向波束和逆向波束的卷积情况示意图；

图4a-4b为利用本发明的声学检测方法得到单发单收的两个声场分布图；

图4c为图4a和图4b中示出的两个声场分布图叠加后的效果图；

图4d为图4c中示出的效果图的俯视投影分布图；

图5a为本发明实施例1中得到的整个分层介质的声场分布图；

图5b为本发明实施例1中得到的整个分层介质的声场等高线分布取对数表示 图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种分层介质中目标或缺陷的声学检测方法进行详细说明。

本发明提出一种分层介质中目标或缺陷的声学检测方法，所述的声学检测方法是基于时间反转和目前在地球物理上正在蓬勃发展的逆时偏移技术相结合的混合方 法，利用该方法不但能将目标从界面信号的干扰中鉴别出来，而且能够得到目标(缺 陷)的位置信息，即实现目标(缺陷)的定位。如图1所示，所述的声学检测方法 具体包括以下步骤：

步骤1)将换能器阵列布放于分层介质表面，选择换能器阵列中任意一个阵元 向分层介质内发射前向声束，并通过换能器阵列中的其余阵元接收由目标或缺陷反 馈的散射信号和界面反馈的反射信号；

步骤2)各个阵元根据接收到的散射信号和反射信号均做时间反转处理，模拟 生成各阵元对应的逆向声束；和

步骤3)在分层介质空间中各个点，将接收到的前向声束和各阵元对应的逆向 声束分别进行卷积处理，以各阵元在同一点卷积后得到的各个最大值之和作为分层 介质空间中该点的声场值，比较获得声场值最高的点对应的坐标作为目标或缺陷所 在位置。

下面以双层介质的缺陷探测为例，说明以上描述的声学检测方法的具体实施过程。如图2所示，分层介质由声速c₁的介质1和声速c₂的介质2组成，界面在纵轴 坐标z＝h处，在介质2中有目标O，在坐标点(x₀，z₀)处，在介质1表面z＝0处，安 置一个换能器阵列，阵元数有n个，阵元间距为d。具体操作过程为：

(1)在阵列中，假设以阵元i(x_i，0)作为信号发射源，发射信号为Ω(t)，到达接 收阵元j(x_j，0)，第j个阵元上得到的接收信号形式表示为：

上式(1)中等号右侧第一项是界面反射信号，反射系数为a_ij，第二项是由目标散射的信号，散射系数为b_ij。如图2所示，发射信号由阵元i发射后经界面反射到达阵 元j的旅行时为

由阵元i发射的信号到达目标的旅行时为t_i ^o，而由目标O散射 的信号到接收阵元j的旅行时为t_j ^o，它们分别表示为：

其中，r_i1 ^o表示第i个阵元发射的信号在介质1中的入射声线，r_i2 ^o表示第i个阵 元发射的信号在介质2中的折射声线，r_ij1表示第i个阵元发射的信号经界面反射至 第j个阵元的声线。

上述入射声线r_i1 ^o和折射声线r_i2 ^o满足Fermat最短声程原理和Snell定律。由下 列方程式计算获得：

其中，θ_i1 ^o表示入射声线r_i1 ^o与界面法线之间的夹角，θ_i2 ^o表示折射声线r_i2 ^o与界 面法线之间的夹角。

而

其中r_j1 ^o和r_j2 ^o也满足式(3)，只需将式(3)中出现的下标“i” 改成“j”即可。令：

(2)根据TR-RTM的原理进行RTM处理，即让阵元i发射前向声束：

F_i(t)＝Ω(t) (4)

逆向声束R_ij(t)是第i个阵元的发射信号经过界面反射和目标散射后，在第j个 阵元收到的信号进行时间反转，并由第j个阵元提前

发出的声束。记信号P(t)的 时间反转信号表示为[P(t)]^TR，此时逆向声束R_ij(t)表示为：

其中，

表示界面反射信号的时间反转信号，

表示缺陷散射信号的时间反转信号。

(3)在介质2中某一点X的坐标为(x，z)，从第i个阵元发射前向的声束经界面 折射到达点X的旅行时为

它也满足式(3)，只需将式(3)中出现的上标“o”换成 “x”即可，则对于空间中任意一坐标点(x,z)，在该点将前向声束和逆向声束两个 信号进行卷积处理：

假定前向声束在第i个阵元(x_i，0)处的出发时间为时间零点，那么前向波到达 空间中某一点X(x,z)的时刻为

因此在整个时间流中，在空间X点仅在时刻

到

内有前向波信号，其他时间没有该信号，Δτ为此声束脉冲前沿与后沿的时差。

逆向声束由第j个阵元发出至点X，从第j个阵元发射逆向声束经界面折射到达 点X的旅行时为

同样满足式(3)，但逆向声束的出发时间如之前所述提早了

那么到达点X的时刻为

对于点X，仅在时刻

到

内 有逆向波信号，其他时间没有该信号。

对于以上计算获得的空间中各点的卷积结果，可分以下三种类型：

(1)任何时间均不相关。在点X处，从第j个阵元发出的逆向声束的前沿到达 时刻

大于前向声束后沿到达时刻

即

或者逆向声束 波后沿到达时刻

小于前向声束波前沿到达的时刻

即

此时卷积值均为零，以上两种情况如图3a所示。

(2)完全相关。即由第i个阵元发射的前向声束和第j个阵元发射的逆向声束 同时到达X点，即

在

时刻，两声束完全重叠，到达卷积最大 值。显然目标点O点就属于这种情况，该情况如图3b所示。

(3)部分相关。在X点处，相对于前向声束有信号的时间区间

内， 逆向声束有信号在时间区间

内部分相关，卷积极大值均小 于完全相关情况中的卷积值，部分相关的情况如图3c所示。

我们将上述情况在时间流中取卷积的极大值作为该点的声场值，在任何时间均不相关情况中极大值为零，在完全相关情况中极大值为最大值，而在部分相关情况 中的极大值小于完全相关情况中的最大值。

如果将接收阵元j遍历整个阵列，即j＝1、2、3·····n上的各阵元在介质 2中X点处分别进行卷积获取相应的极大值，对于介质2中每一点X将这些值加起来， 作为该点的声场值M。所述的声场值M表示为：

如果X点遍及我们计算区域，就得到了整个区域的声场分布即声图像。最大值 在目标O处，且是唯一最大值的地方。这是因为不同接收阵元如第j个阵元和第k 个阵元，提前发出逆向声束的时间

和

虽然不同，但对于目标点O而言，

和

分别恰好等于前向波声束和各逆向波声束相应的旅行时之间的时间差。因此 第j个阵元和第k个阵元发出的逆向声束到达目标点O的时间等于前向波声束到达 目标点O的时间

但是对于某个接收阵元j，空间中还有些点其前向声束和逆向声 束相应的旅行时的时间差也为

就可以满足在某个时刻达到完全相关，即有一 系列卷积值最大的点。同理对于接收阵元k也有一系列的点达到完全相关，其旅行 时差为

由于

和

不同，除去目标点O处，这时对于不同的阵元，是在不同 的地方达到完全相关的。或者说除去目标点O外，其它各点最多有一个接收阵元能 完全相关达到最大值，除此之外，该点在其它阵元都是部分相关或者完全不相关。 进行叠加后的声场值M远小于目标点O处的声场值M。

对于逆向声束中相应的界面反射信号而言，存在接收阵元j在

为相应旅行 时差时完全相关的点，但这一定都不是对于接收阵元k完全相关的点。对于界面-目 标信号(界面反射信号)而言，所有阵元的卷积结果加起来有一个广泛的不均匀的 分布，其峰值远小于O点对应的目标-目标信号(目标散射信号)的声场峰值。将这 两个声场叠加起来，就得到一个总的声场分布，从而抑制了界面信号对目标声场分 布的干扰，而只在目标点处将出现唯一的峰值，从而实现本发明的目的，即实现了 对目标的检测和定位。

实施例一

在本实例中，换能器阵列由41个阵元组成，阵元间距为0.8mm，阵列总长度为32mm，且第1个阵元位置为坐标原点。界面距离换能器阵所在平面距离为4mm，目标 距离换能器阵所在平面距离为20mm，且距离第一个阵元的横坐标位置差为10mm，即 目标所在位置为(10mm，20mm)。上层介质1为硅橡胶，其纵波速度为1020m/s，下层 介质2为水，其纵波速度为1500m/s。

我们计算介质2中的声场范围，其在x方向从0mm到32mm，z方向从4mm到40mm 范围内，假定反射系数a＝1，目标散射系数b＝3，即强散射弱反射情况，发射波形为 半个周期的余弦波：

Ω(t)＝[H(t)-H(t-T/2)]cos[ω(t-T/4)] (7)

其中，ω＝2πf，f＝1MHz。如果不作特别说明，仿真中均采用第1个阵元发 射，即发射阵元位置坐标为(0,0)。

选择第1个阵元发射和第16个阵元接收，接收阵元收到两个信号，一个是界面 反射信号：

其中

是界面反射信号的旅行时。

另一个为目标散射信号：

其中

由实验直接读出，而

由第1个阵元自发自收的时间

读出，从 而

由

计算得出。令：

如果设定发射阵元的信号发射时间为时间零点，则第16个阵元接收到的信号流表示为：

其中等式右侧第1项对应界面的反射信号，第2项对应目标散射信号。

对上述接收信号作时间反转处理：

并作为逆向声束提前

发射，逆向声束表示为：

而前向声束表示为：

F(t)＝[H(t)-H(t-T/2)]cos[ω(t-T/4)] (13)

前向声束F(t)和逆向声束R(t)在空间中某点X＝(x，z)作卷积，进行TRM处理， 对任何一点X，取其卷积的极大值，作为该点的声场值。那么，在空间声场分布图如 4(a)所示，它呈脊状分布。脊顶线为完全相关的空间一系列点的集合。它包括目标O 点，此时发射声束在旅行时为

时到达，虽然第16的阵元比第1个阵元到达目标O 点路径要长，其声程差对应旅行时为

但逆向声束又提前

发射，逆向声束 也在

时到达O点。因此完全相关，在O点达到卷积的最大值。需要注意的是，除 目标O外空间中有一系列点也都满足到达该点的前向声束旅行时和逆向声束旅行时 差为

也完全相关，同样达到卷积极大值，故形成一条脊顶线，在脊顶线的周 围则部分相关，声场值逐渐减小，再远处则完全不相关，声场值为零。因此在图3(a) 上可以看到一个脊状的声场分布。

如果选取第36个阵元作为接收阵元接收信号时，同样对前向声束和后向声束采用上式(10)-(12)作TR-RTM处理，也形成一个脊状分布，但是其与第16个接收阵元 的取向不同，两者存在一个夹角，脊顶线所经过的位置除O点处都与第16个阵元的 不相同，如图4(c)所示。图4(d)是图4(c)的俯视投影分布图，从中可以清楚的看出 脊顶线相交于点O。这说明所有阵元均在目标点O处完全相关，故该点的声场值叠 加最大。

如果接收阵元遍历所有41个阵元，则叫这种方式为单发多收TR-RTM处理方式， 由式(6)得到声场分布M，即声像图，其顶点在目标点O处，随距顶点的距离的变化， 其声场值迅速下降，图像整体呈现山峰状如图5(a)所示。图5(b)为声场投影下的等 高线分布，它是令目标O点的声场值为0dB，取20logM得出。图中-6dB处为声场 下降一半的等高线，可见大致在Z方向较长，约6.5mm，而在X方向较短，约2mm。 -3dB的等高线Z方向，约3.6mm，X方向，约0.8mm。这是阵列声束聚焦的共同特性， 即在X方向分辨率较高，Z方向分辨率较差，具有较长的景深。

以上所讲的是前向声束和逆向声束相对应的散射部分做TR-RTM处理得到的声场分布，而前向声束和逆向声束中界面反射部分也得到了一个声场分布但数值较小， 这对应图5(b)的右上方部分，可看到该分部对整体声场分布造成了较小影响。其最 大的声场值约为-24dB，原因是对界面反射信号散焦了，这说明该方法能够有效抑制 界面信号的干扰。

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 (1)

1.一种分层介质中目标或缺陷的声学检测方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1)将换能器阵列布放于分层介质表面，选择换能器阵列中任意一个阵元向分层介质内发射前向声束，并通过换能器阵列中的其余阵元接收由目标或缺陷反馈的散射信号和界面反馈的反射信号；

步骤2)各个阵元根据接收到的散射信号和反射信号均做时间反转处理，模拟生成各阵元对应的逆向声束；和

步骤3)在分层介质空间中各个点，将接收到的前向声束和各阵元对应的逆向声束分别进行卷积处理，以各阵元在同一点卷积后得到的各个最大值之和作为分层介质空间中该点的声场值，比较获得声场值最高的点对应的坐标作为目标或缺陷所在位置；

所述步骤1)中其余阵元接收到的信号表示为：

其中，

表示界面反射信号，a_ij表示界面反射系数，b_ijΩ[t-(t_i ^o+t_j ^o)]表示目标或缺陷散射信号，b_ij表示目标或缺陷散射系数，

表示前向声束由第i个阵元发射后经界面反射到达第j个阵元的旅行时，t_i ^o表示前向声束由第i个阵元发射后到达目标或缺陷的旅行时，t_j ^o表示由目标或缺陷发射的散射信号到第j个阵元的旅行时；

所述步骤2)中模拟生成各阵元对应的逆向声束表示为：

其中，

表示界面反射信号的时间反转信号，

表示目标或缺陷散射信号的时间反转信号，

Images