CN114047256A - 基于动态阵元合成孔径聚焦的平板陶瓷膜缺陷超声成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声检测和成像领域，具体涉及一种基于动态阵元合成孔径聚焦的平板陶瓷膜缺陷超声成像方法。包括如下步骤：步骤(1)：根据平板陶瓷膜进行超声设备的搭建和确定换能器数量；步骤(2)：改变换能器的位置；步骤(3)：采用动态阵元合成孔径聚焦的方法进行检测；在非缺陷区域采用单阵元检测模式，在缺陷区域采用多阵元检测模式，基于超声缺陷引起阵元接收能量的差异进而切换单阵元与多阵元的检测模式；步骤(4)：进行超声检测数据的储存；步骤(5)：对步骤(4)储存的数据进行运算，进行缺陷点的聚焦成像。本发明提出通过将多个小型超声波阵列拼接成大尺寸的超声波阵列，以此提高聚焦孔径，缩小焦点直径，来提高聚焦精度和成像速率。

Description

基于动态阵元合成孔径聚焦的平板陶瓷膜缺陷超声成像方法

技术领域

本发明属于超声检测和成像领域，具体涉及一种基于动态阵元合成孔径聚焦的平板陶瓷膜缺陷超声成像方法。

背景技术

平板陶瓷膜在水处理中有着过滤快、无污染、可二次回收利用等特点被广泛使用。平板陶瓷膜的过滤方式是浸入式，在水流的作用下水中的大块杂质易与平板陶瓷膜发生碰撞，造成平板陶瓷膜的破裂和损伤。对于传统的检测内部缺陷通常采用射线检测和超声检测，射线检测具有辐射性不利于检测；对于传统的超声成像方法存在缺陷成像不清晰，成像速率慢等缺点，不能精确定量的分析缺陷的实际大小和实际形状，不利于检测人员对后续平板陶瓷膜的结构改进。因此，急需一种能成像清晰和成像速率快的检测方法。

在2005年，英国布里斯托大学的Holmes等人在《Post-processing ofthe fullmatrix of ultrasonic transmit–receive array data for non-destructiveevaluation》提出基于一个发射阵元与一个接收阵元组合的全矩阵数据采集，实现波束范围内的全聚焦成像算法。采用全矩阵的成像方法，成像能达到成像精度的效果但是成像速率较慢。2014年，杜英华等人在《多阵元合成孔径聚焦超声成像研究》文章中使用多个阵元同时发射，多个阵元同时接收的模式进行数据采集，证明了多阵元合成孔径聚焦超声成像可以获得比单阵元合成孔径聚焦成像更高的成像精度和分辨率。此方法虽能获得较高的成像精度，但是与单阵元相比计算量较大。

2020年，隋皓等人在一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法(授权公告号为CN 112485336 A)中通过使用合成孔径方法提升了缺陷的检测能力的同时保留了全部的缺陷反射波信息，可实现内部多缺陷的高信噪比成像和精确定位。此方法根据对数据集的缺陷反射时间判断检测物体的时间是否有缺陷，数据集的数量对检测的效果影响较大。2019年，郭业才等人基于序贯回归方法的多阵元合成孔径聚焦波束形成方法(授权公告号为CN 106950569 B)通过对多阵元合成孔径聚焦波束形成的子阵与子阵阵元分别进行动态幅度遍迹，有效减少波束形成的主瓣宽度和旁瓣幅度，提高了成像质量。此方法每次发射、接收只有一个阵元增加了超声成像的时间，降低了成像的速率。

单阵元合成孔径其发射和接收子孔径都是只由同一个阵元组成；多阵元合成孔径采用多阵元进行发射，采用全阵列进行接收的技术，将发射和接收子孔径增大，以改善信噪比低的问题；合成发射孔径采用多阵元进行发射，采用全阵列进行接收的技术，是在多阵元合成孔径基础上提出目的是提高成像速度。合成聚焦是由单阵元发射超声信号，全孔径来接收回波信号。

综上所述，现有的方法虽然能对缺陷进行成像，但是以上都是通过增大超声波阵列的尺寸可实现阵列孔径的增大，提高阵列的聚焦精度。然而大尺寸的超声波阵列加工困难、体积大、成像精度较低、成像速率慢。

发明内容

为了克服现有技术和方法的不足，本发明提出一种基于动态阵元合成孔径聚焦的平板陶瓷膜缺陷的超声成像方法，该方法能够有效提高平板陶瓷膜的缺陷的成像质量和聚焦精度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于动态阵元合成孔径聚焦的平板陶瓷膜缺陷超声成像方法，包括如下步骤：

步骤(1)：根据平板陶瓷膜进行超声设备的搭建和确定换能器数量；

步骤(2)：改变换能器的位置；

步骤(3)：采用动态阵元合成孔径聚焦的方法进行检测；在非缺陷区域采用单阵元检测模式，在缺陷区域采用多阵元检测模式，基于超声缺陷引起阵元接收能量的差异进而切换单阵元与多阵元的检测模式；

步骤(4)：进行超声检测数据的储存；

步骤(5)：对步骤(4)储存的数据进行运算，进行缺陷点的聚焦成像。

进一步地，步骤(1)中的确定换能器的数量通过如下公式计算：

其中，N为换能器的数量，L为待检测的平板陶瓷膜的长度，λ为相邻换能器之间距离的一半，D为探头孔径。

进一步地，步骤(2)中改变换能器位置的周期为：通过阵元发射超声到其他的阵元接收到超声以后为一个周期，在完成一个完整的“发射-接收”周期下，换能器的位置需要进行移动；

每个换能器移动的距离不超过合成孔径的有效长度L，合成孔径的有效长度L为:

其中，D为探头孔径，R为缺陷的深度，μ为阵元间距的一半。

进一步地，步骤(3)具体为：

步骤(31)：单阵元检测模式：激励第一个阵元发射超声，其他阵元接收以后，再进行第二次的阵元发射，即第二个阵元发射，在等其他阵元接收以后，比较第一次和第二次的接收能量；

步骤(32)：比较第一次和第二次的接收能量是否存在能量差，如果没有能量差时，继续进行单阵元超声检测确定缺陷的位置；

如果存在能量差时，通过比较两次能量差确定缺陷的位置，单阵元检测模式变成多阵元检测模式对缺陷处进行多阵元超声扫描；

步骤(33)：进行多阵元检测时，比较相邻多阵元接收能量，存在能量差时进行单阵元扫描；

步骤(34)：重复步骤(31)-(33)，直至到扫描到合成孔径的有效长度为止。

进一步地，步骤(31)中激励单阵元发射超声时，第i个阵元延时时间表达式为：

其中，r为发射阵元到缺陷点的距离，θ为发射阵元到缺陷点连线与竖直方向的夹角，θ为0°～90°，l_i为发射阵元与接收阵元的距离，c为波速。

进一步地，合成孔径的波束为：

其中，M表示探头扫描的一维位置坐标，其中所述一维位置坐标的x＝[M],y值恒等于零，[M]表示取值为整数，x_i(t-τ_i)表示为第i阵元接收到的信号，τ_i表示为第i阵元延时时间，考虑偏转延时

对波束形成简化为：

其中，

表示偏转延时，θ为发射阵元到缺陷点连线与竖直方向的夹角，d为阵元的直径。

进一步地，对步骤(4)储存的数据进行运算，进行缺陷点的聚焦成像具体为：

其中，M表示探头扫描的一维位置坐标，其中一维位置坐标的x＝[M],y值恒等于零，[M]表示取值为整数，t为声波传播时间，c为波速，τ(i,j)为阵元发射超声到缺陷点的延迟时间，R为缺陷的深度。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)基于动态阵元合成孔径聚焦的平板陶瓷膜缺陷超声成像方法，定义了单阵元与多阵元结合方法，基于超声缺陷而引起阵元接收能量的差异进而切换单阵元与多阵元的检测模式。

(2)提出的动态阵元是在非缺陷区域采用单阵元检测，在缺陷区域采用多阵元模式的方法，不仅提高缺陷成像精度和分辨率，还提高了成像速率。

附图说明

图1动态阵元合成孔径聚焦整体检测流程图；

图2单阵元合成孔径成像原理；

图3多阵元合成孔径成像原理；

图4本发明动态阵元合成孔径成像原理图；

图5本发明合成孔径聚焦成像的示意图。

具体实施方式

下面结合附图1、图2、图3和基于动态阵元合成孔径聚焦的平板陶瓷膜缺陷超声成像方法对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1所示，本发明基于动态阵元合成孔径聚焦的平板陶瓷膜缺陷超声成像方法，包括以下步骤：

步骤1：根据平板陶瓷膜进行超声设备的搭建和确定换能器数量。

根据检测的平板陶瓷膜的长度来决定选取换能器的数量，其换能器的计算公式为：

L≥ND+(N-1)2λ (1)

化简为：

其中，N为换能器的数量，L为检测的平板陶瓷膜的长度，λ为相邻换能器之间的一半距离，D为探头孔径。

步骤2：改变换能器的位置。

通过阵元发射超声到其他的阵元接收到超声以后为一个周期，在一个完整的“发射-接收”下换能器的位置的需要进行移动。移动的距离不能超过合成孔径的有效长度。对于合成孔径的超声成像，其合成孔径的有效长度为：

其中，D为探头孔径，R为缺陷的深度，μ为阵元间距的一半。

步骤3：采用动态阵元合成孔径聚焦的方法进行检测。

通过结合图4和图5对动态阵元合成孔径聚焦的方法进行阐述，激励第一个阵元发射超声，其他阵元接收以后。在进行第二次的阵元发射，在等其他阵元接收以后。比较第一次和第二次的接收能量。通过比较两次能量差可以确定缺陷的位置位于第几个阵元的下方。如果没有能量差时，继续进行单阵元超声检测；如果阵元接收信号存在能量差时，单阵元激发会立刻变成多阵元激发的模式对缺陷处进行多阵元超声扫描，多阵元合成孔径聚焦超声成像可以获得比单阵元合成孔径聚焦成像更高的成像质量和分辨率，改善信噪比低的问题。进行多阵元扫描时，同样储存第一次多阵元的发射到多阵元接收能量，存储第二次多阵元的发射到多阵元接收能量。比较两次发射与接收的能量差，如果存在能量差值，则进行单阵元超声检测；如果没有能量差时，继续进行多阵元超声检测。等待换能器的位置移动超过合成孔径的有效长度时，停止单阵元或多阵元的超声检测。

激励单阵元发射超声，建立直角坐标系如图2所示，可以计算出i个阵元延时时间表达式为：

其中，r为发射阵元到缺陷点的距离，θ为发射阵元到缺陷点连线与竖直方向的夹角，l_i为发射阵元与接收阵元的距离，c为波速。

建立单阵元合成孔径的波束为：

其中，M表示探头扫描的一维位置坐标，其中所述一维位置坐标的x＝[M],y值恒等于零，[M]表示取值为整数，x_i(t-τ_i)表示为第i阵元接收到的信号，τ_i表示为第i阵元的延时。考虑偏转延时

对波束形成简化为：

其中，

表示偏转延时，θ为发射阵元到缺陷点连线与竖直方向的夹角，θ为0°～90°，d为阵元的直径。对回波数据存储后再进行后处理，通过这种方式使得信号处理技术在超声成像技术中的应用更加方便，从而提升成像质量。

步骤4：进行超声检测数据的储存。

对回波数据存储后再进行后处理，通过这种方式使得信号处理技术在超声成像技术中的应用更加方便，从而提升成像质量。记录了单阵元的检测能量变化以及多阵元的检测能量的变化，为动态阵元切换提供了数据的支持。

步骤5：超声的数据成像。

经过对步骤4储存数据进行运算，进行缺陷点的聚焦成像：

其中，M表示探头扫描的一维位置坐标，其中所述一维位置坐标的x＝[M],y值恒等于零，[M]表示取值为整数，t为声波传播时间，c为波速，τ(i,j)为阵元发射超声到缺陷点的延迟时间，R为缺陷的深度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (7)

1.一种基于动态阵元合成孔径聚焦的平板陶瓷膜缺陷超声成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：根据平板陶瓷膜进行超声设备的搭建和确定换能器数量；

步骤(2)：改变换能器的位置；

步骤(3)：采用动态阵元合成孔径聚焦的方法进行检测；在非缺陷区域采用单阵元检测模式，在缺陷区域采用多阵元检测模式，基于超声缺陷引起阵元接收能量的差异进而切换单阵元与多阵元的检测模式；

步骤(4)：进行超声检测数据的储存；

步骤(5)：对步骤(4)储存的数据进行运算，进行缺陷点的聚焦成像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中的确定换能器的数量通过如下公式计算：

其中，N为换能器的数量，L为待检测的平板陶瓷膜的长度，λ为相邻换能器之间距离的一半，D为探头孔径。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中改变换能器位置的周期为：通过阵元发射超声到其他的阵元接收到超声以后为一个周期，在完成一个完整的“发射-接收”周期下，换能器的位置需要进行移动；

每个换能器移动的距离不超过合成孔径的有效长度L，合成孔径的有效长度L为:

其中，D为探头孔径，R为缺陷的深度，μ为阵元间距的一半。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)具体为：

步骤(31)：单阵元检测模式：激励第一个阵元发射超声，其他阵元接收以后，再进行第二次的阵元发射，即第二个阵元发射，在等其他阵元接收以后，比较第一次和第二次的接收能量；

步骤(32)：比较第一次和第二次的接收能量是否存在能量差，如果没有能量差时，继续进行单阵元超声检测确定缺陷的位置；

如果存在能量差时，通过比较两次能量差确定缺陷的位置，单阵元检测模式变成多阵元检测模式对缺陷处进行多阵元超声扫描；

步骤(33)：进行多阵元检测时，比较相邻多阵元接收能量，存在能量差时进行单阵元扫描；

步骤(34)：重复步骤(31)-(33)，直至到扫描到合成孔径的有效长度为止。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(31)中激励单阵元发射超声时，第i个阵元延时时间表达式为：

其中，r为发射阵元到缺陷点的距离，θ为发射阵元到缺陷点连线与竖直方向的夹角，θ为0°～90°，l_i为发射阵元与接收阵元的距离，c为波速。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，合成孔径的波束为：

其中，M表示探头扫描的一维位置坐标，其中所述一维位置坐标的x＝[M],y值恒等于零，[M]表示取值为整数，x_i(t-τ_i)表示为第i阵元接收到的信号，τ_i表示为第i阵元延时时间，考虑偏转延时

对波束形成简化为：

其中，

表示偏转延时，θ为发射阵元到缺陷点连线与竖直方向的夹角，d为阵元的直径。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对步骤(4)储存的数据进行运算，进行缺陷点的聚焦成像具体为：

其中，M表示探头扫描的一维位置坐标，其中一维位置坐标的x＝[M],y值恒等于零，[M]表示取值为整数，t为声波传播时间，c为波速，τ(i,j)为阵元发射超声到缺陷点的延迟时间，R为缺陷的深度。

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