CN108463721A - 用于在长距离超声波检查中改善发送/接收指向性的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于在长距离超声波检查中改善发送/接收指向性的方法和装置。根据本发明的一实施例的发送指向性改善装置包括：相控阵探头，其包括以在用于长距离超声波检查的被导波脉冲的中心频率下与1/4波长对应的间隔排列的信道1换能器和信道2换能器；和驱动部，其将相位相反的电脉冲提供给所述信道1换能器和所述信道2换能器来使所述信道1换能器和所述信道2换能器驱动，使以所述信道1换能器和所述信道2换能器中意图的发送方向为基准配置在前端的换能器比配置在后端的换能器以在所述中心频率下与1/4周期对应的时间延迟来驱动。

Description

用于在长距离超声波检查中改善发送/接收指向性的装置和 方法
技术领域
本发明的实施例涉及利用超声波的非破坏性检查技术。
背景技术
长距离超声波检查(Long-Range Ultrasonic Testing，LRUT)是用于在诸如管道、杆、绳索、板、壳(shell)等之类的结构物中利用沿其长度远远传播的低频率(通常100kHz以下)的被导波(guided waves)来有成本效益地检测诸如腐蚀、裂纹等之类的缺陷的非破坏检查方法之一。
在圆筒形结构物和板形结构物的长距离超声波检查中已证实，诸如基本扭转模式(Fundamental Torsional Mode，T(0,1)模式)和基本剪切水平模式(Fundamental ShearHorizontal Mode，SH0模式)之类的被导波是特别有用的。这是因为其具有以下的优选特性：传播速度一定而与频率无关，在与其行进方向垂直的结构物截面内具有比较均匀的粒子位移，对有可能会在结构物内部/外部的流体不敏感。
有效的长距离超声波检查系统中所要求的最重要的特性之一是沿意图的方向发送单一模式被导波脉冲、识别并检测沿意图的方向行进的相同模式回波的能力。
为获得这种发送/接收指向性而广泛使用的相控阵探头(phased array probe)由与结构物表面声学耦合、以脉冲-回波方式操作的两个信道的相同换能器构成，这些信道之间的间隔在被导波脉冲的中心频率下与1/4波长对应。
用于操作这种相控阵探头的现有技术通过引发沿意图的方向(正向，forwarddirection)行进的两个信道的被导波之间的增强干涉和沿与意图的方向相反的方向(反向，backward direction)行进的被导波之间的消隐干涉，使得长距离超声波检查系统具有发送指向性。另外，在接收过程中，选择先检测正向回波的信道，使该信号的相位延迟90度之后，添加相位延迟的信道信号和其他信道信号，从而增强正向回波信号，抑制反向回波信号。
另外，用于长距离超声波检查系统的磁致伸缩(magnetostrictive)换能器由具有优异的磁致伸缩特性的物体、向该磁致伸缩物体施加偏置静态(static)磁场的装置即永磁体(或电磁体)、以及RF(radio frequency，无线频率)线圈以下构成，该RF线圈向该偏置磁场内的区域施加动态(dynamic)磁场，或者检测由进入到该偏置磁场区域内的被导波引起的磁场的变化。
包括具有作为用于向磁致伸缩物体施加静磁场的装置的永磁体(或)(射频)线圈，其施加动态磁场或检测由波导进入偏置磁场区域引起的磁场变化。
在由诸如铁之类的铁磁(ferromagnetic)材料制成的结构物的情况下，通过使用结构物本身作为换能器的一个要素，可以实现非接触(noncontact)换能器。在由非磁性材料制成的结构物的情况下，可以利用粘接在其表面的镍或铁钴合金材料的薄(通常为0.2mm以下)的条(或补片)。这种磁致伸缩补片换能器已广泛用于铁结构物的长距离超声波检查。这些磁致伸缩材料与铁相比不仅具有优异的磁致伸缩特性，而且极其容易形成磁场。另外，沿着与静态磁场和动态磁场的相对方向，该磁致伸缩补片换能器可以选择性地发送和接收各种被导波模式。根据维德曼(Wiedemann)效应，由相互垂直的两个磁场驱动的该换能器特别适用于SH0和T(0,1)模式的发送/接收。
在管道的长距离超声波检查中，广泛使用由相同的两个磁致伸缩条换能器构成的相控阵磁致伸缩探头。各个换能器由铁钴合金条和螺旋管(solenoid)形态的RF(radiofrequency，无线频率)线圈，该铁钴合金条在管道的外部表面以环绕其圆周的方式粘接，该线圈环绕该粘接的条，且因此在该条上沿其宽度方向(管道的长度方向)形成动态磁场。在朝向为了操作T(0,1)模式被导波所要求的条的长度方向(管道的圆周方向)的偏置磁场中，使用条内的残留磁化。该残留磁化是通过沿着所粘接的两个条而使U形永磁体以均匀速度旋转一次或两次而形成的。
最近，还使用了相控阵磁致伸缩探头，该相控阵磁致伸缩探头由磁致伸缩带和两个信道的细长(elongated)螺旋形(spiral)表面RF线圈构成，该磁致伸缩带包括紧密环绕磁致伸缩条或补片的一个或多个螺线管。可以通过使直流电流流到所述螺旋管来使偏置磁场最优化，并且在被导波脉冲的中心频率下与1/2波长对应的所述螺旋形线圈的两个引脚(leg)之间的间隔可以提供改善的SNR(signal-to-noise ratio，信噪比)。
诸如针对换能器的空间间隔、针对用于驱动换能器的电脉冲的驱动时差、针对回波信号的相位延迟之类的主要工作参数通过考虑全部的意图的被导波脉冲的中心频率特性来决定。这意味着，在为了有效的长距离超声波检查而提高发送/接收指向性中，探头的频率特性是非常重要的。具有阶梯式厚度变化的管试样中由所述厚度变化引起的T(0,1)模式被导波的反射率依赖于其入射方向和频率。即，针对从厚部位入射的波动的反射率随着频率增加而增加，另一方面，针对从薄部位入射的波动的反射率随着频率增加反而减少。电子是可预测的波动反射的普遍性质，后者是由被导波的几何声学特性(geometricacoustical)引起的。在与结构物表面粘接的磁致伸缩补片的两端中也呈现出类似的反射特性，这对相控阵磁致伸缩探头的频率特性产生相当大的影响。该影响随着波动频率的增加或磁致伸缩补片对结构的厚度比(ratio)的增加而变大。
发明内容
根据本发明的一实施例的发送指向性改善装置，其包括：相控阵探头，其包括以在用于长距离超声波检查的被导波脉冲的中心频率下与1/4波长对应的间隔排列的信道1换能器和信道2换能器；和驱动部，其将相位相反的电脉冲提供给所述信道1换能器和所述信道2换能器来使所述信道1换能器和所述信道2换能器驱动，使以所述信道1换能器和所述信道2换能器中意图的发送方向为基准配置在前端的换能器比配置在后端的换能器以在所述中心频率下与1/4周期对应的时间延迟来驱动。
根据本发明的一实施例的接收指向性改善装置，其包括：相控阵探头，其包括以在用于长距离超声波检查的被导波脉冲的中心频率下与1/4波长对应的间隔排列的信道1换能器和信道2换能器；和信号处理部，其使由所述信道1换能器和所述信道2换能器检测到的信号中的一个的相位延迟，使用相位延迟的信号和剩余信号之间的相位差来调整所述相位延迟的信号和所述剩余信号的振幅之后，添加振幅调整后的两个信号。
所述信号处理部可以使用下述的相位延迟函数
(其中，fc是所述中心频率，f是检测到的被导波回波信号的波动频率)来生成所述相位延迟的信号。
所述信号处理部可以使用下述的振幅调整函数
g0＝(1-|sin(△θ/2)|)m
(其中，Δθ是所述相位差，m是大于或等于0的整数)来调整所述振幅。
所述相控阵探头可以还包括磁致伸缩带，所述磁致伸缩带具有在所述中心频率下与(2k+1)/4(其中，k是大于或等于1的整数)波长对应的宽度，所述信道1换能器和所述信道2换能器是以与所述1/4波长对应的间隔排列在所述磁致伸缩带上的RF线圈，所述磁致伸缩带的所述宽度方向的两个端部可以与跟所述两个端部相邻的线圈引脚的中心间的距离与所述1/4波长相同。
所述信号处理部可以以意图的接收方向和所述振幅调整后的信号之间的振幅差为基准追加调整所述振幅调整后的信号的振幅并将添加该信号。
所述信号处理部可以使用下述的振幅调整函数
(其中，AF是先检测到沿意图的接收方向行进的回波的信道的振幅调整后的信号的振幅，AL是另一信道的振幅调整后的信号的振幅，n是大于或等于0的整数)来追加调整所述振幅调整后的信号的振幅。
根据本发明的一实施例的发送指向性改善方法，其使用相控阵探头，所述相控阵探头包括以在用于长距离超声波检查的被导波脉冲的中心频率下与1/4波长对应的间隔排列的信道1换能器和信道2换能器，所述发送指向性改善方法包括以下步骤：将第一电脉冲施加给所述信道1换能器和所述信道2换能器中以意图的方向为基准配置在后端的换能器；和在从所述第一电脉冲被施加的时点经过了在所述中心频率下与1/4周期对应的时间后，将与所述第一电脉冲相位相反的第二电脉冲施加给所述信道1换能器和所述信道2换能器中以所述意图的方向为基准配置在前端的信道换能器。
根据本发明的一实施例的接收指向性改善方法，其使用相控阵探头，所述相控阵探头包括以在用于长距离超声波检查的被导波脉冲的中心频率下与1/4波长对应的间隔排列的信道1换能器和信道2换能器，所述接收指向性改善方法包括以下步骤：收集由所述信道1换能器和所述信道2换能器检测到的信号；使所述所收集的信号中的一个的相位延迟；使用相位延迟的信号和剩余信号之间的相位差来调整所述相位延迟的信号和所述剩余信号的振幅；和添加振幅调整后的两个信号。
所述使相位延迟的步骤可以使用下述的相位延迟函数
(其中，fc是所述中心频率，f是检测到的被导波回波信号的波动频率)来使所述相位延迟。
所述调整振幅的步骤可以使用下述的振幅调整函数
g0＝(1-|sin(△θ/2)|)m
(其中，Δθ是所述相位差，m是大于或等于0的整数)来调整所述振幅。
所述相控阵探头可以还包括磁致伸缩带，所述磁致伸缩带具有在所述中心频率下与(2k+1)/4(其中，k是大于或等于1的整数)波长对应的宽度，所述信道1换能器和所述信道2换能器可以以与所述1/4波长对应的间隔排列在所述磁致伸缩带上，所述磁致伸缩带的所述宽度方向的两个端部与跟所述两个端部相邻的线圈引脚的中心间的距离与所述1/4波长相同。
所述添加步骤可以包括以下步骤：以意图的接收方向和所述振幅调整后的信号之间的振幅差为基准追加调整所述振幅调整后的信号的振幅；和添加振幅被追加调整后的信号。
所述追加调整的步骤可以使用下述的振幅调整函数
(其中，AF是先检测到沿意图的接收方向行进的回波的信道的振幅调整后的信号的振幅，AL是另一信道的振幅调整后的信号的振幅，n是大于或等于0的整数)来追加调整所述振幅调整后的信号的振幅。
根据本发明的一实施例的相控阵磁致伸缩探头，其包括：磁致伸缩带，其具有在用于长距离超声波检查的被导波脉冲的中心频率下与(2k+1)/4(其中，k是大于或等于1的整数)波长对应的宽度；和信道1RF线圈和信道2RF线圈，其以在所述中心频率下与1/4波长对应的间隔排列在所述磁致伸缩带上，所述磁致伸缩带的所述宽度方向的两个端部与跟所述两个端部相邻的线圈引脚的中心间的距离与所述1/4波长相同。
根据本发明的实施例，通过有效地抑制沿与意图的发送方向相反的方向行进的被导波，可以在长距离超声波检查中改善发送指向性。
此外，在以相位延迟为基础的接收方向控制技术中，在添加相位延迟的(phase-delayed)信道信号和其他信道信号之前，通过利用随时间而变化的这些信号之间的相位差来控制它们的振幅，可以有效地提高接收指向性。
此外，在包括磁致伸缩带的相控阵探头的情况下，通过感应从磁致伸缩带的一端部反射回的脉冲和增强的被导波之间的相干性(coherency)，可以使相控阵探头的频率响应最优化，通过利用起因于内部回波反射的两个信道信号振幅差的符号(sign)根据其入射方向而变化的事实，可以进一步提高接收指向性。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例的发送指向性改善装置的结构图。
图2是示出相控阵探头的各信道的换能器配置在被检查体上的图。
图3是示出根据现有技术的施加给相控阵探头的各信道的换能器的电脉冲和在被检查体内部沿意图的发送方向和意图的发送方向的相反向行进的被导波的例子的图。
图4是示出根据本发明的一实施例的施加给相控阵探头的各信道的换能器的电脉冲和在被检查体内部沿意图的发送方向和意图的发送方向的相反向行进的被导波的例子的图。
图5是根据本发明的一实施例的接收指向性改善装置的结构图。
图6是示出根据本发明的一实施例的在信号处理部中执行的信号处理过程的图。
图7是示出根据本发明的一实施例的相控阵磁致伸缩探头配置在被检查体上的例子的图。
图8是示出根据本发明的一实施例的在信号处理部中执行的追加的振幅调整过程的图。
图9和图10是示出使用本发明的实施例和现有技术的试验结果的图。
具体实施方式
图1是根据本发明的一实施例的发送指向性改善装置的结构图。
参照图1，根据本发明的一实施例的发送指向性改善装置100包括相控阵探头110和驱动部。
相控阵探头110包括声学耦合到被检查体的表面、以脉冲－回波方式工作的两个信道的相同换能器(transducer)，各信道的换能器根据由驱动部130施加的电脉冲向被检查体内部发送超声波，产生被导波。
另外，驱动部130产生电脉冲并施加给相控阵探头110的各换能器。
具体地，图2是示出相控阵探头的各信道的换能器配置在被检查体上的图，图3是示出根据现有技术的施加给相控阵探头的各信道的换能器的电脉冲和在被检查体内部沿意图的发送方向和意图的发送方向的相反向行进的被导波的例子的图，图4是示出根据本发明的一实施例的施加给相控阵探头的各信道的换能器的电脉冲和在被检查体内部沿意图的发送方向和意图的发送方向的相反向行进的被导波的例子的图。
参照图2，相控阵探头110的各信道的换能器210，220以在由驱动部130施加的电脉冲的中心频率fc下与1/4波长(λc/4)对应的间隔分别配置在被检查体230上，分别根据由驱动部130施加的电脉冲在被检查体230内部产生被导波。
另外，在图2所示的例子中，由相控阵探头110产生的被导波和针对被导波的回波可以沿与被检查体230的长度方向平行的z轴的两方向(+z方向和-z方向)行进。在这里，z轴的原点是两个信道换能器210，220位置的中央。在被检查体230是圆柱形形状的结构物的情况下，被检查体230厚度方向的轴是r轴，在被检查体230是平板结构物的情况下，被检查体230厚度方向的轴是x轴。与纸面垂直的剩余一轴为θ轴或y轴。
另外，在图示的例子中，在相控阵探头110的位置处以被检查体230的长度方向为基准检查右侧部位的情况下，意图的发送和接收方向分别是+z方向和-z方向。另一方面，在相控阵探头110的位置处以被检查体230的长度方向为基准检查左侧部位的情况下，意图的发送和接收方向分别是-z方向和+z方向。
另外，由于沿θ轴(或y轴)方向具有均匀粒子位移的单一模式被导波脉冲的产生，相控阵探头110的各信道也可以由串联或并联连接的相同换能器构成，相同信道的换能器由相同电脉冲同时驱动。
另外，根据现有技术，具有相同相位的电脉冲以在电脉冲的中心频率fc下与1/4周期Tc/4对应的时间间隔被施加给各信道的换能器210，220。
具体地，参照图2和图3，在图2所示的例子中，假定被导波脉冲的意图的发送方向是+z方向，现有技术如图3的上端图示的曲线图310所示，先向以+z方向为基准配置在前端的信道1(ch.1)换能器210施加电脉冲(实线)，在从向信道1换能器210施加了电脉冲的时点经过了与Tc/4对应的时间的时点，将与施加给信道1换能器210的电脉冲相位相同的电脉冲(单点划线)施加给以+z方向为基准配置在后端的信道2(Ch.2)换能器220。
另外，在图3的中央图示的曲线图320示出了在信道2换能器220的位置处沿+z方向行进的正向被导波脉冲。如图示的例子所示，根据现有技术，通过电脉冲，由信道1换能器210生成的正向被导波脉冲(实线)和由信道2换能器220生成的正向被导波脉冲(单点划线)具有相同相位。因此可知，它们之间的干涉结果即正向被导波(Add)脉冲(虚线)具有与针对各信道的被导波脉冲振幅的约两倍对应的振幅和2Tc的长度。
另外，在图3的下方所示的曲线图330示出了在信道1换能器210的位置处沿-z方向行进的反向被导波脉冲。如图示的例子所示，可以看出，根据现有技术，由信道1换能器210生成的反向被导波脉冲(实线)和由信道2换能器220生成的反向被导波脉冲(单点划线)在具有0.5Tc的差异的时域内存在，特别是在0.5Tc～2.0Tc时域中，它们具有180度的相位差。因此可知，它们之间的干涉结果即反向被导波(Add)脉冲(虚线)具有在所述时域中可以忽略的振幅，而在0～0.5Tc和2.0Tc～2.5Tc时域中，照原样具有各信道的被导波脉冲的振幅。
另一方面，根据本发明的一实施例，驱动部130将相位彼此相反的电脉冲以在电脉冲的中心频率fc下与1/4周期Tc/4对应的时间间隔施加给各信道的换能器210，220，各信道的换能器210，220可以以与Tc/4对应的时间间隔产生相位彼此相反的被导波脉冲。
具体地，参照图2和图4，在图2所示的例子中，假定被导波脉冲的意图的发送方向是+z方向，驱动部130如图4的上端图示的曲线图410所示，可以先向以+z方向为基准配置在后端的信道2换能器210施加电脉冲(单点划线)，在从向信道2换能器220施加了电脉冲的时点经过了与Tc/4对应的时间的时点，将与施加给信道2换能器220的电脉冲相位相反的电脉冲(实线)施加给以+z方向为基准配置在前端的信道1换能器210。
另外，在图4的中央图示的曲线图420示出了在信道2换能器220的位置处沿+z方向行进的正向被导波脉冲。如图示的例子所示，可以看出，由信道1换能器210生成的正向被导波脉冲(实线)和由信道2换能器220生成的正向被导波脉冲(单点划线)在具有0.5Tc的差异的时域内存在，特别是在0.5Tc～2.0Tc时域中，它们具有相同相位。因此可知，它们之间的干涉结果即正向被导波(Add)脉冲(虚线)，其长度长出0.5Tc，而在所述时域中，具有与各信道的被导波脉冲的约两倍对应的振幅。
另外，在图4的下方所示的曲线图430示出了在信道1换能器210的位置处沿-z方向行进的反向被导波脉冲。如图示的例子所示，可以看出，由信道1换能器210生成的反向被导波脉冲(实线)和由信道2换能器220生成的反向被导波脉冲(单点划线)不仅在相同时域内存在，而且具有180度的相位差。因此可知，它们之间的干涉结果即反向被导波(Add)脉冲(虚线)具有可以忽略的振幅。
结果，根据本发明的实施例，通过在使正向被导波脉冲增强的同时，有效地抑制反向被导波脉冲，可以在长距离超声波检查中提高发送指向性。
图5是根据本发明的一实施例的接收指向性改善装置的结构图。
参照图5，接收指向性改善装置500包括相控阵探头510和信号处理部530。
在图5所示的例子中，由于相控阵探头510是与图1所示的结构相同的结构，因而省略对其详细说明。
信号处理部530可以使由相控阵探头510的两个信道换能器检测到的两个信道的信号中的一个的相位延迟，使用相位延迟的信号和相位未延迟的信号之间的相位差来调整相位延迟的信号和剩余信号的振幅之后，添加振幅调整后的两个信号。
例如，在图2中意图的接收方向是-z方向的情况下，信号处理部530可以使由信道2换能器220检测到的信号的相位延迟。另一方面，在意图的接收方向是+z方向的情况下，信号处理部510可以使由信道1换能器210检测到的信号的相位延迟。
具体地，由于信道1换能器210和信道2换能器220之间的间隔对应于λc/4，因而由它们分别检测到的正向回波具有Tc/4的时间差。因此，假定图2中意图的接收方向为-z方向，则沿-z方向接收的正向回波由信道2换能器220先检测，在经过Tc/4的时间后由信道1换能器210检测。另一方面，沿+z方向接收的反向回波由信道1换能器210先检测，在经过Tc/4的时间后由信道2换能器220检测。
因此，由于在中心频率fc下由信道2换能器220检测到的正向回波信号比由信道1换能器210检测到的正向回波信号相位超前90度，因而在使由信道2换能器220检测到的信号如现有技术那样延迟90度的情况下，相位延迟的信号和相位未延迟的信号在中心频率fc下具有相同相位。
另一方面，在反向回波的情况下，由于在中心频率fc下由信道2换能器220检测到的反向回波信号比与由信道1换能器210检测到的反向回波信号相位滞后90度，因而在使由信道2换能器220检测到的信号的相位如现有技术那样延迟90度的情况下，相位延迟的信号和相位未延迟的信号在中心频率fc下具有180度的相位差。
然而，由于由所述信道1换能器210和信道2换能器220之间的固定间隔(即λc/4)引起的相位差根据被导波的波动频率而不同，因而由信道2换能器220检测到的信号的相位延迟值也需要根据波动频率来调整。
因此，根据本发明的一实施例，信号处理部530可以使由两个信道的换能器210，220中以意图的接收方向为基准配置在前端的换能器检测到的信号的相位根据波动频率不同地延迟。
作为具体的例子，信号处理部530可以使用如下面的数学式1那样的相位延迟函数，使由以意图的接收方向为基准配置在前端的换能器检测到的信号的相位延迟。
[数学式1]
其中，fc是中心频率，f是检测到的信号的波动频率。
数学式1的相位延迟函数在中心频率fx下提供与现有技术相同的相位延迟值(即，90度)。
然而，利用数学式1的相位延迟函数的相位延迟的使用随着波动频率远离中心频率而使两个反向回波信号之间的相位差远离180度。
这意味着如现有技术那样简单地添加两个信号数据使得难以抑制反向回波信号。
因此，根据本发明的一实施例，信号处理部530可以利用相位延迟的信号和剩余信号之间的相位差来调整相位延迟的信号的振幅和剩余信号的振幅之后，添加振幅调整后的两个信号。
作为具体的例子，可以通过将依赖于所述相位差的振幅调整函数与相位延迟的信号和剩余信号相乘来执行所述振幅调整。此时，如理想的正向回波信号所示，在其相位差是0度的情况下，不应改变其振幅，如理想的反向回波信号所示，在其相位差是180度的情况下，应使其振幅减少到零，因而振幅调整函数应提供0至1之间的值。
另外，由于要抑制的反向回波信号的相位差更接近180度，因而与接近0度相比接近180度的相位差区域中的振幅调整函数值的变化应相对较小。
因此，信号处理部530作为满足这种要求条件的例子，可以利用如以下的数学式2那样的振幅调整函数。
[数学式2]
g0＝(1-|sin(Δθ/2)|)m
其中，Δθ是相位延迟的信号与剩余信号的相位差，m是大于或等于0的整数。
由数学式2提供的振幅调整函数的使用允许反向回波信号的有效抑制。另外，对于通过添加具有时差的两个信号而提供的信号的两端部分，该函数的应用也提供类似的效果。
图6是示出根据本发明的一实施例的在信号处理部530中执行的信号处理过程的图。
参照图6，信号处理部530可以将由相控阵探头510的两个信道换能器210，220检测到的模拟信号S1(t)，S2(t)转换成数字信号(601)，使用具有固定通带宽度的滤波器对转换后的数字信号执行滤波(602)。
之后，信号处理部530可以选择转换后的数字信号中用于相位延迟的信号(603)。此时，用于相位延迟的信号的选择可以利用意图的接收方向来决定。
具体地，信号处理部530可以选择由两个信道的换能器210，220中先检测正向回波的(即，以意图的接收方向为基准配置在前端的)信道的换能器检测到的信号作为用于相位延迟的信号。
之后，信号处理部530可以针对每个数字信号执行快速傅立叶变换(Fast FourierTransform，FFT)，获得针对每个数字信号的振幅频谱和相位频谱(604)。
之后，信号处理部530可以利用依赖于频率的相位调整函数605来使针对为了相位延迟而选择的数字信号的频谱的相位延迟(606)。例如，信号处理部530利用根据所述数学式1的相位调整函数来计算根据频率的相位延迟值，利用计算出的相位延迟值来使针对为了相位延迟而选择的数字信号的频谱的相位延迟。
之后，信号处理部530可以将相位延迟的数字信号和相位未延迟的数字信号各自的振幅频谱和相位频谱转换成复频谱(607)。
之后，信号处理部530可以使用具有可变带宽(Variable Bandwidth，VB)的高斯窗(Gaussian Window，GW)来调整所述转换后的复频谱(608，609)。
之后，信号处理部530可以针对复频谱执行逆快速傅里叶变换(Inverse FastFourier Transform，IFFT)来转换成时域的复信号Z1(t)，Z2(t)(610)。
之后，信号处理部530可以测量复信号Z1(t)，Z2(t)之间的相位差Δθ(611)，利用所测量的相位差和依赖于该相位差的振幅调整函数来计算针对复信号Z1(t)，Z2(t)的振幅调整值(612)。例如，信号处理部530可以将复信号Z1(t)，Z2(t)之间的相位差Δθ应用于上述的根据数学式2的振幅调整函数来计算针对复信号Z1(t)，Z2(t)的振幅调整值。
之后，信号处理部530可以将计算出的振幅调整值乘以各个复信号Z1(t)，Z2(t)来调整振幅之后(613)，将振幅调整后的复信号Z1 0，Z2 0合并输出(614)。
另外，根据本发明的一实施例，图1所示的发送指向性改善装置100的相控阵探头110和图5所示的接收指向性改善装置500的相控阵探头510可以由图7所示的相控阵磁致伸缩探头构成。
具体地，图7是示出根据本发明的一实施例的相控阵磁致伸缩探头配置在被检查体上的例子的图。
参照图7，根据本发明的一实施例的相控阵磁致伸缩探头包括磁致伸缩带710、信道1RF线圈720和信道2RF线圈730。
磁致伸缩带710声学耦合到被检查体740的表面，信道1RF线圈720和信道2RF线圈730可以分别由线圈引脚的中心间的距离为λc/2的螺旋形线圈构成。在本说明书中，磁致伸缩带710用作指代磁致伸缩条、磁致伸缩片和磁致伸缩带的全体的术语。
另外，信道1RF线圈720和信道2RF线圈730以相邻线圈引脚的中心间的距离与λc/4对应的间隔排列在磁致伸缩带710上。
另外，磁致伸缩带710可以具有使得宽度方向(即，z轴方向)的两端部和与两端部相邻的线圈引脚的中心间的距离与λc/4对应的宽度。
具体地，在图示的例子中，磁致伸缩带710的右侧端部与信道2RF线圈730的引脚相邻，相邻信道2RF线圈730的引脚的中心与磁致伸缩带710的右侧端部之间的距离与λc/4对应。同样，磁致伸缩带710的左侧端部与信道1RF线圈720的引脚相邻，相邻信道1RF线圈720的引脚的中心与磁致伸缩带710的左侧端部之间的距离与λc/4对应。
因此，在图示的例子中，磁致伸缩带710的宽度与5λc/4对应。在使用具有一个引脚的螺线管形式的RF线圈来取代螺旋形线圈的情况下，所要求的磁致伸缩带710的宽度与3λc/4对应。一般来说，在使用具有k个引脚的RF线圈的情况下，所要求的磁致伸缩带710的宽度与(2k+1)λc/4对应。由包括具有这种宽度的磁致伸缩带710的探头生成的被导波脉冲的频谱类似于驱动电脉冲的频谱。这是因为驱动电脉冲的中心频率接近于针对磁致伸缩带的宽度方向振动的反共振(anti-resonance)频率。
另外，驱动部130可以将相位相反的电脉冲以在电脉冲的中心频率fc下与1/4周期对应的时间间隔Tc/4施加给RF线圈720，730，从而以与Tc/4对应的时间间隔生成相位相反的被导波脉冲。
具体地，在图7所示的例子中，假定被导波脉冲的意图的发送方向是+z方向，驱动部130可以先向信道2RF线圈730施加电脉冲，在从向信道2RF线圈730施加了电脉冲的时点经过了与Tc/4对应的时间的时点，将与施加给信道2RF线圈730的电脉冲相位相反的电脉冲施加给信道1RF线圈720。由此，如图3中所说明的那样，在被检查体740内正向被导波通过增强干涉被增强，反向被导波通过消隐干涉被有效抑制。
另外，磁致伸缩带710的宽度方向的两端部与跟两端部相邻的线圈引脚的中心间的距离(即λc/4)可以引导从磁致伸缩带710的一端因厚度差而反射回的脉冲与增强中的正向被导波脉冲之间的相干性(coherency)。这是因为在被检查体740内被导波的往复行进距离和由从磁致伸缩带710的端部的内部反射引起的脉冲的相位变化分别为180度。在中心频率fc下的这种相干性使由从磁致伸缩带710的一端部的内部反射引起的相控阵磁致伸缩探头的频率特性的失真最小化。
另外，在回波接收处理中，在磁致伸缩带710的端部发生被导波的衍射现象。在非常低的波动频率下，该现象有助于在与被检查体740粘接的磁致伸缩带710区域中的被导波的迅速形成。然而，由于入射回波的几何声学特性，随着波动频率的增加，该被导波形成会延迟。这暗示了针对先检测入射回波的信道的信号振幅小于针对另一信道的信号振幅。
另外，入射回波的占优势的内部反射从与最后检测回波的RF线圈的引脚相邻的磁致伸缩带710的端部发生。即，考虑到由该内部反射引起的180度相位变化，可以推断来自所述线圈引脚位置的回波是和立刻到达的回波从磁致伸缩带710的端部反射回的、因此具有Tc/2的时差的回波间的增强干涉的结果。
另外，来自与所述线圈引脚相邻的另一信道的线圈引脚位置的回波是具有Tc的时差的两个回波的是两个回波的消隐干涉的结果。
这种论点意味着针对先检测入射回波的信道的信号振幅小于另一信道的信号振幅。换句话说，这意味着两个信道信号之间的振幅差的符号(sign)依赖于回波的接收方向。
具体地，在图7中，由于沿-z方向接收到的回波先由信道2RF线圈730检测，因而由信道2RF线圈730检测到的信号的振幅小于由信道1RF线圈720检测到的信号的振幅。
另一方面，由于沿+z方向接收到的回波先由信道1RF线圈720检测，因而由信道1RF线圈720检测到的信号的振幅小于由信道2RF线圈730检测到的信号的振幅。
因此，根据本发明的一实施例，如上述那样，信号处理器530可以将相位延迟的信号和剩余信号的振幅通过利用两个信号的相位差进行调整之后，以振幅调整后的两个信号的振幅差和意图的接收方向为基准，对振幅调整后的两个信号的振幅进行追加调整并将其添加。
作为具体的例子，信号处理部530可以利用如下面的数学式3那样的振幅调整函数来求出幅度调整值之后，以相位差为基础将振幅调整值乘以幅度调整后的两个信号之后将其添加。
[数学式3]
在数学式3中，AF是先检测到沿意图的接收方向行进的回波的信道的振幅调整后的信号的振幅，AL是另一信道的振幅调整后的信号的振幅，n是大于或等于0的整数。
此时，在沿意图的接收方向接收到的正向回波的情况下，AF小于AL，在该情况下，由数学式(3)生成的振幅调整值为1。
另一方面，在沿与意图的接收方向相反的方向接收到的反向回波的情况下，AF大于AL，在该情况下，由数学式(3)生成的振幅调整值根据n的值为小于1或相同。此时，n的值越大，振幅调整值就越小，结果，可以有效地减少反向回波信号的振幅。
图8是示出根据本发明的一实施例的在信号处理部530中执行的追加的振幅调整过程的图。
参照图8，信号处理部530通过图6所示的过程所生成的振幅调整后的复信号Z1 0，Z2 0的振幅A1，A2的差和意图的接收方向为基准计算振幅调整值(801)。此时，可以使用所述的数学式(3)的幅度调整函数来计算振幅调整值。在意图的接收方向是-z方向的情况下，信道2的振幅A2为AF，在意图的接收方向是+z方向的情况下，信道1的振幅A1为AF。
之后，信号处理部530可以将计算出的振幅调整值乘以各个复信号Z1 0，Z2 0来调整振幅(802)，将振幅调整后的复信号进行组合(803)。
之后，信号处理部530为了消除可能在振幅调整过程中产生的噪声，对组合的复信号执行固定带宽通过滤波(804)。
在下文中，为了验证本发明，对以下情况作了描述：如图7所示，使用包括磁致伸缩带(115mm宽，约1mm厚)和两个螺旋形RF线圈(23mm信道间隔)的相控阵探头来测试直管(碳钢，3m长，166mm外径，8mm厚)。用于测试的管除了两端以下没有特别的不连续。
另外，相控阵探头配置在距管的左端0.7m处，工作成利用T(0,1)模式被导波来测试管的右侧部位。根据被导波的传播速度(约3240m/s)和两个信道的螺旋形RF线圈之间的间隔，通过下面的数学式4决定电脉冲的中心频率fc。
[数学式4]
fc＝3240/(4×23)≈35(kIIz)
利用三种发送/接收技术进行了上述测试。一种是现有的发送/接收技术，另一种是根据本发明的实施例的发送技术和现有的接收技术的组合，而剩余一种是根据本发明的实施例的发送/接收技术。不管是哪种使用技术，电脉冲的周期数均固定为3。
另外，为了应用根据本发明的实施例的接收技术而选择的工作参数如下。m＝1，n＝0。另外，高斯窗口的频率带宽是中心频率fc的75％。
图9示出了针对根据这些发送/接收技术的测试结果的RF信号数据。在图9所示的例子中，上方所示的曲线图示出了使用现有的发送/接收技术的测试结果，中间所示的曲线图示出了使用根据本发明的实施例的发送技术和现有的接收技术的组合的测试结果，下方所示的曲线图示出了使用根据本发明的实施例的发送/接收技术。
另外，在图9所示的例子中，MB(main-bang)是指由进入与相控阵探头并联连接的接收电路的电脉冲引起的回波，LE(left end)和RE(right end)分别是指由从管的左侧端和右侧端的反射引起的回波，可以看出，RE信号比LE信号大得多。然后，RT(round trip)表示沿管的长度方向往复一次的回波。即，RT信号是由正向被导波引起的反向回波信号和由反向被导波引起的正向回波信号重合的结果。如上所述，反向回波比正向RT回波有利得多，因为正向波由于发送方向性而增强，并且反向波被抑制。因发送指向性而增强了正向被导波并抑制了反向被导波，因此反向RT回波比正向RT回波有利得多。
另外，从所示的测试结果可以看出，针对三种发送/接收技术的RE信号具有大致相同的振幅，而其他信号的振幅存在相当大的差异。特别地，可以看出，在根据本发明的实施例的发送/接收技术的情况下，除RE信号之外的信号弱到几乎不可见的程度。这表明，根据本发明的实施例的发送/接收技术的发送/接收指向性明显优于现有技术的发送/接收指向性。这种优势主要依靠接收指向性。
从上方和中间示出的曲线图中两个LE信号的比较可以看出，与现有技术相比，根据本发明的实施例的发送技术提供了两倍左右改善的发送指向性。
另外，RT信号未示出在下方所示的曲线图中暗示了相控阵探头的两个信道信号之间的相位差接近180度。这表明，在构成RT信号中，反向回波明显优于正向回波。
图10示出了与图9所示的RF信号数据对应的视频信号数据及其两个构成要素(即，两个信道的视频信号)。
具体地，在图10所示的例子中，上方所示的曲线图示出了与图9的上方所示的RF信号数据对应的视频信号数据，中间所示的曲线图示出了与图9的中间所示的RF信号数据对应的视频信号数据，下方所示的曲线图示出了与图9的下方所示的RF信号数据对应的视频信号数据。
参照图10，可以看出，在由沿意图的接收方向接收到的正向回波引起的RE信号中，两个信道信号之间有小的时差，先检测该正向回波的信道2换能器的信号比信道1换能器的信号稍小。
另一方面可知，在主要由沿+z轴方向行进的反向回波引起的LE或RT信号中，两个信道信号之间有相当大的时差，其中间区域中的信道1换能器信号与信道2信号相比相当大。还可以看出，针对根据本发明的实施例的发送技术的该时差与针对现有技术的时差相比相当小，在由该时差引起的初始区域中，信道1信号振幅大于信道2信号振幅。总之，通过使用依赖于相位差的振幅调整函数，非常有效地抑制了所述反向信号。然而，更仔细地观察可知，RT信号尾部分未被充分抑制，其一部分保持在3.25m附近。尽管这里没有明确地示出，但通过辅助地使用依赖于振幅差的振幅调整函数来更有效地抑制诸如该尾部分之类的信号。
另外，本发明的实施例可以包括计算机可读取记录介质，该计算机可读取记录介质包括用于在计算机上执行在本说明书中描述的方法的程序。所述计算机可读取记录介质可以单独或组合地包括程序指令、本地数据文件、本地数据结构等。所述介质可以是特别为本发明设计和构成的介质，或者可以是在计算机软件领域中可常用的介质。计算机可读取记录介质的例子包括：诸如硬盘、软盘和磁带之类的磁介质，诸如CD-ROM、DVD之类的光记录介质，诸如软盘之类的磁光介质，以及诸如ROM、RAM、闪存等之类的特别构成为保存和执行程序指令的硬件装置。程序指令的例子可以包括不仅由编译器产生的机器语言代码，而且还使用解释器等通过计算机来执行的高级语言代码。
尽管以上已经详细说明了本发明的代表性实施例，然而本发明所属领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，能够对上述实施例进行各种修改。因此，本发明的权利范围不应限于所说明的实施例，而应由不仅所附权利要求书、而且与该权利要求书的等同物来确定。
附图标记说明：
100： 发送指向性改善装置
110，510： 相控阵探头
130： 驱动部
210： 信道1换能器
220： 信道2换能器
230，740： 被检查体
500： 接收指向性改善装置
530： 信号处理部
710： 磁致伸缩带
720： 信道1RF线圈
730： 信道2RF线圈

Claims (15)

1.一种发送指向性改善装置，其包括：
相控阵探头，其包括以在用于长距离超声波检查的被导波脉冲的中心频率下与1/4波长对应的间隔排列在被检查体上的两个信道换能器；和
驱动部，其将第一电脉冲提供给所述两个信道换能器中以所述被导波脉冲的意图的方向为基准配置在后端的信道换能器，通过所述配置在后端的信道换能器向所述被检查体内部发送正向被导波脉冲和反向被导波脉冲，在从所述第一电脉冲被提供的时点经过了在所述中心频率下与1/4周期对应的时间后的时点，将与所述第一电脉冲相位相反的第二电脉冲提供给所述两个信道换能器中以所述意图的方向为基准配置在前端的信道换能器，通过所述配置在前端的信道换能器向所述被检查体内部发送正向被导波脉冲和反向被导波脉冲，从而通过所述配置在前端的信道换能器和所述配置在后端的信道换能器发送的两个反向被导波脉冲没有时间差地重叠而抵消干涉。
2.一种接收指向性改善装置，其包括：
相控阵探头，其包括以在用于长距离超声波检查的被导波脉冲的中心频率下与1/4波长对应的间隔排列在被检查体上的两个信道换能器；和
信号处理部，其使由所述两个信道换能器检测到的被导波回波信号中的一个的相位延迟，使用相位延迟的被导波回波信号和相位未延迟的被导波回波信号之间的相位差来调整所述相位延迟的被导波回波信号和所述相位未延迟的被导波回波信号的振幅之后，添加振幅调整后的两个被导波回波信号。
3.根据权利要求2所述的接收指向性改善装置，其中，所述信号处理部使用下述的相位延迟函数
(其中，fc是所述中心频率，f是检测到的被导波回波信号的波动频率)来生成所述相位延迟的信号。
4.根据权利要求2所述的接收指向性改善装置，其中，所述信号处理部使用下述的振幅调整函数
g0＝(1-|sin(△θ/2)|)m
(其中，Δθ是所述相位差，m是大于或等于0的整数)来调整所述相位延迟的被导波回波信号和所述相位未延迟的被导波回波信号的振幅。
5.根据权利要求2所述的接收指向性改善装置，其中，所述相控阵探头还包括磁致伸缩带，所述磁致伸缩带具有在所述中心频率下与(2k+1)/4(其中，k是大于或等于1的整数)波长对应的宽度，所述两个信道换能器是以与所述1/4波长对应的间隔排列在所述磁致伸缩带上的RF线圈，所述磁致伸缩带的所述宽度方向的两个端部与跟所述两个端部相邻的线圈引脚的中心间的距离与所述1/4波长相同。
6.根据权利要求5所述的接收指向性改善装置，其中，所述信号处理部以被导波回波的意图的接收方向和所述振幅调整后的两个被导波回波信号之间的振幅差为基准追加调整所述振幅调整后的两个被导波回波信号的振幅并添加该两个信号。
7.根据权利要求6所述的接收指向性改善装置，其中，所述信号处理部使用下述的振幅调整函数
(其中，AF是先检测到沿所述意图的接收方向行进的被导波回波的信道的振幅调整后的被导波回波信号的振幅，AL是另一信道的振幅调整后的被导波回波信号的振幅，n是大于或等于0的整数)来追加调整所述振幅调整后的两个被导波回波信号的振幅。
8.一种发送指向性改善方法，其使用相控阵探头，所述相控阵探头包括以在用于长距离超声波检查的被导波脉冲的中心频率下与1/4波长对应的间隔排列在被检查体上的两个信道换能器，所述发送指向性改善方法包括以下步骤：
将第一电脉冲提供给所述两个信道换能器中以所述被导波脉冲的意图的方向为基准配置在后端的信道换能器，通过所述配置在后端的信道换能器向所述被检查体内部发送正向被导波脉冲和反向被导波脉冲；和
在从所述第一电脉冲被提供的时点经过了在所述中心频率下与1/4周期对应的时间后的时点，将与所述第一电脉冲相位相反的第二电脉冲提供给所述两个信道换能器中以所述意图的方向为基准配置在前端的信道换能器，通过所述配置在前端的信道换能器向所述被检查体内部发送正向被导波脉冲和反向被导波脉冲，从而通过所述配置在前端的信道换能器和所述配置在后端的信道换能器发送的两个反向被导波脉冲没有时间差地重叠而抵消干涉。
9.一种接收指向性改善方法，其使用相控阵探头，所述相控阵探头包括以在用于长距离超声波检查的被导波脉冲的中心频率下与1/4波长对应的间隔排列在被检查体上的两个信道换能器，所述接收指向性改善方法包括以下步骤：
收集由所述两个信道换能器检测到的被导波回波信号；
使所述所收集的被导波回波信号中的一个的相位延迟；
使用相位延迟的被导波回波信号和相位未延迟的被导波回波信号之间的相位差来调整所述相位延迟的被导波回波信号和所述相位未延迟的被导波回波信号的振幅；和
添加振幅调整后的两个被导波回波信号。
10.根据权利要求9所述的接收指向性改善方法，其中，所述使相位延迟的步骤使用下述的相位延迟函数
(其中，fc是所述中心频率，f是检测到的被导波回波信号的波动频率)来使所述相位延迟。
11.根据权利要求9所述的接收指向性改善方法，其中，所述调整振幅的步骤使用下述的振幅调整函数
g0＝(1-|sin(△θ/2)|)m
(其中，Δθ是所述相位差，m是大于或等于0的整数)来调整所述相位延迟的被导波回波信号和所述相位未延迟的被导波回波信号的振幅。
12.根据权利要求9所述的接收指向性改善方法，其中，所述相控阵探头还包括磁致伸缩带，所述磁致伸缩带具有在所述中心频率下与(2k+1)/4(其中，k是大于或等于1的整数)波长对应的宽度，
所述两个信道换能器是以与所述1/4波长对应的间隔排列在所述磁致伸缩带上的RF线圈，所述磁致伸缩带的所述宽度方向的两端部与跟所述两个端部相邻的线圈引脚的中心间的距离与所述1/4波长相同。
13.根据权利要求12所述的接收指向性改善方法，其中，所述添加步骤包括以下步骤：
以被导波回波的意图的接收方向和所述振幅调整后的两个被导波回波信号之间的振幅差为基准追加调整所述振幅调整后的两个被导波回波信号的振幅；和
添加振幅被追加调整后的两个被导波回波信号。
14.根据权利要求13所述的接收指向性改善方法，其中，所述追加调整的步骤使用下述的振幅调整函数
(其中，AF是先检测到沿所述意图的接收方向行进的被导波回波的信道的振幅调整后的被导波回波信号的振幅，AL是另一信道的振幅调整后的被导波回波信号的振幅，n是大于或等于0的整数)来追加调整所述振幅调整后的两个被导波回波信号的振幅。
15.一种相控阵磁致伸缩探头，其包括：
磁致伸缩带，其具有在用于长距离超声波检查的被导波脉冲的中心频率下与(2k+1)/4(其中，k是大于或等于1的整数)波长对应的宽度；和
信道1RF线圈和信道2RF线圈，其以在所述中心频率下与1/4波长对应的间隔排列在所述磁致伸缩带上，
所述磁致伸缩带的所述宽度方向的两个端部与跟所述两个端部相邻的线圈引脚的中心间的距离与所述1/4波长相同。
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