超声相控阵技术的仿真实验研究

前言
超声检测是应用最广泛的无损检测技术之一, 具有许多优点, 但需要耦合剂和换能器接近被检材料。相控阵超声无损检测是近年来超声无损检测领域发展起来的新技术, 以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视[1]。虽然相控阵超声成像的概念很早就提出了，但由于当时电子发展水平不高、超声阵列换能器制造技术难以达到要求和数字信号处理技术不成熟等因素的制约，系统复杂且成本很高，直到90年代末相控阵超声检测技术才被普遍接受和应用[2]。

近年来国外对相控阵超声检测技术的研究日趋活跃，例如在核工业、航空工业等质量要求高的行业，开始引入超声相控阵技术进行缺陷检测[3]。和国外相比，国内在相控阵超声无损检测方面的研究比较落后，处于刚刚起步的阶段，还没有成熟的应用于工业现场检测的超声相控阵检测系统。虽然起步较晚，但国内对相控阵超声无损检测技术的研究己呈现良好的势头。

清华大学无损检测实验室施克仁教授和他的博士对相控阵超声声场、阵列探头设计、自适应聚焦、提高检测分辨率、柔性阵列相控阵等方面作了深入的研究[4]。本文采用了一种非实时的合成超声相控阵检测聚焦方法。基于这种方法，设计了一套16 阵元的线性相控阵超声信号发射、接收和处理实验系统。系统可以实现线阵相控阵的发射与接收，从而为相控阵的研究提供了良好的实验平台，利用该实验系统，可以对试块中的缺陷进行仿真验证。

1 相控阵聚焦合成的方法
超声阵列探头是由许多的压电晶片（阵元）按照一定的形状排列组成的，常见的阵列探头是线性阵列探头，其各个阵元可以独立的进行超声发射和接收。基本思想是调整各个阵元发射信号的相位,使各阵元到达焦点的声束具有相同的相位,这就实现了相控聚焦[5]。

发射电路重复激励1号单元，依次选则所有阵元接收回波信号并传至PC机上进行存储。然后设定一个聚焦点P,根据各阵元到达虚拟聚焦点的位置，计算出声程差，转换为时间差。把不同通道接收的信号按照时间差平移，然后叠加可以得到一个聚焦合成信号；同理，将2号阵元发射，所有阵元接收的信号，同样也按P点为聚焦点，得到另一个聚焦合成信号；其它阵元也同样依次发射，所有阵元接收，可得到N个聚焦合成信号，最后将这N个合成信号按P点聚焦合成，得到P 点的总的信号强度。

如图1.1，将单个阵元发射所有阵元接收的信号根据虚拟焦点的声程差聚焦处理，该合成信号即为该发射阵元单独在虚拟焦点的总的声场贡献。若虚拟焦点为缺陷，则合成信号的幅值增强，若虚拟焦点不是缺陷，则合成信号的幅值相对于其它点的缺陷信号减小。

2 仿真实验系统的建立

仿真实验系统的组成如图2.1所示，主要有：标注金属试块、16阵元相控阵换能器、超声激发电路、超声信号采集电路、PC计算机。FPGA产生触发信号触发超声激发电路产生高压脉冲信号，激励电压为400V,使换能器产生超声，回波信号通过限幅、放大滤波后经过采样器，采集超声回波信号并将信号传到上位计算机，对信号做进一步处理。

3 超声信号的发射与接收
在试验中设计的阵列换能器是直接将压电晶片粘贴在铝制试块表面，为了验证相控阵的声束的聚焦偏转特性，制作16阵元的换能器阵列，如图3.1所示，试块厚度为90mm，超声在铝块中的传播速度为6320m/s。

试块的上表面是16 阵元的压电晶片，压电晶片的尺寸为18mm×2mm ×0.8mm，相邻晶片的中心距为2.5mm，并且在试块的下表面粘了一个条形晶片17#，用于接收1#-16#阵元晶片组成的阵列晶片发射的超声波。上述所有的晶片形状都一样，坐标系统以水平方向为x轴，垂直方向为z 轴，16个PZT晶片沿着x 轴方向排列，PZT晶片阵列中心作为坐标原点，即8#和9#晶片中间作为坐标原点，则1#-16#晶片的坐标分别为：1#晶片(-18.75,0)，2#晶片(-16.25,0)，……，7#晶片(-3.75,0)，8#晶片(-1.25,0)，9#晶片(1.25,0)，……，15#晶片(16.25,0)，16#晶片(18.75,0)，17#阵元晶片的坐标为(18.75,90)。对试块和阵列晶片作了坐标标定后，就可以进行超声发射与接收实验了。

首先1#阵元发射，17#阵元接收采集并信号存储，然后2#阵元发射，17#阵元接收采集存储，依次将1#-16#阵元晶片都发射，17#阵元接收采集。由于试块的尺寸并不是很大，可见信号的接受效果还是不错的，如图3.2所示。在图3.2(a)中可见，1#-16#阵元发射17#接收到的信号幅值越来越大，并接收到的时间也越早。因为16#阵元距离17#阵元最近，所以传播的时间也最小，因而最早被接收到，各相应接收到的信号在时间轴上的位置也依次靠前。同时超声信号的衰减也越小，幅值也越大，这与超声声场理论是相符的。

由于17#晶片与1#-16#晶片之间的声程差，所以接收到的信号相位也不一致，若将所有阵元发射的超声信号聚焦到17#阵元位置(18.75,90)处，根据聚焦原理计算得到各延迟时间，然后对各组信号延时，使所有的信号在时间轴上达到一致。图3.2(b)为以17#位置为聚焦点延时后各组信号图，各组信号的相位都一致，这样叠加合成后就可以得到较高的合成信号。
根据1#-16#阵元到17#阵元位置点(18.25,90)的声程差得到的各通道延时时间如表1。

将图3.2(b)中经过延时后的各组信号进行叠加得到叠加信号，并与单个阵元接收到的信号比较，如图3.3所示，接收信号延迟叠加后得到的信号比单个信号的幅值增加了近10倍，可见叠加效果显著。可以看出，相控阵发射与接收明显地提高超声信号的幅值，这将对一些小而深的缺陷检测可以大大提高信噪比。

4 缺陷仿真试验
缺陷试块是一个不锈钢试块，如图4.1所示，在试块深度为40mm的位置有一个Ф2mm的钻孔缺陷，超声在钢中的传播速度为5940m/s。

图4.2为1#-16#位置晶片自发自收的回波信号，从图中波形信号的分布情况，可以看出存在一个缺陷，由于8号阵元接收到的回波在时间轴上最早，可见该缺陷大致在8号阵元的正下方。由于两边的阵元距离缺陷点的距离越来越远，它们接收的回波时间也越晚。

在图4.2中，回波信号的强度也是8号阵元回波最强，依次减弱，缺陷距离8号阵元最近，且缺陷在8号阵元的主瓣声束位置，缺陷相对其他阵元来说，缺陷在阵元的旁瓣位置，这些阵元在缺陷点的位置处的声场本来就比较小，所以他们的回波也就要弱。

单独分析8号阵元的回波情况，其时域信号如图4.3，根据超声回波的时间t=14.5us，计算缺陷的深度为：(5930m/s×14.5us)/2=42.9mm，实际缺陷的位置为40mm，与理论值还是符合比较好，其相对误差为3.75%。同时注意到其波峰值为65mv，可见单个晶片的超声信号幅值较小。

分析了单个位置晶片自发自收的信号后，现在以8#位置阵元发射其它位置接收的情况，其信号接收图如图4.4(a)，图4.4(a)中显示了缺陷回波信号。由于缺陷在8#阵元的正下方，所以阵元接收过程中，超声回波最早发射到8#阵元，即8#阵元最早接收到回波信号，正如图中所示，其他阵元接收到的信号在时间上依次增加，且信号幅值也依次减小。说明由于各阵元距离缺陷焦点的距离不一样，阵元接收到的信号在时间上存在时间差。图4.4(b)是原始信号没有经过延时后直接累加合成。若以缺陷P点坐标为(0,40mm)为聚焦点进行延时，则延迟后各个信号在相位上保持了一致，图4.4(c)所示。图4.4(d)波形为延时后叠加和，比较图4.4(b)和图4.4(d)可以看出延时后的累加和比没有延时后的累加和声压强增强。可见，采用这种方式聚焦合成也是可行的。

由于 P点是缺陷点，若以P点为聚焦点所有阵元接收信号相位延时后得到的信号合成波形得到了增强。接下来我们以另一点P'为虚拟聚焦点,来分析以该点为聚焦点信号合成的情况。图4.5 表示P'点坐标为(20,40)为聚焦点的情形。

图4.5所示为8#阵元发射超声波所有阵元接收回波信号，以P'为虚拟聚焦点为聚焦后的信号波形情况，以P'为聚焦点，根据声程差计算出来的时间延时后，各组信号波形的相位并未超声相控阵检测关键技术的研究一致，而是存在相位差，正是由于存在相位差，所以各组延时信号相加后，合成信号得到了减
弱，如图4.5(d)与图4.5(d)相比，合成信号幅值明显减弱。
如图4.6(a)是不聚焦的回波信号包络，图4.6(b)是聚焦回波信号的包络，图中横坐标为超声传播时间，纵坐标为回波的幅值比

从图4.6(a)中可以看出不聚焦时，40mm处缺陷的回波最大值约为25%；而图4.6(b)中可以看出，40mm缺陷处的回波最大值约为80%，可见聚焦后，焦点处的回波信号得到了明显增强。通过聚焦后，信号增强了20log(80%/25%)=10.1dB，提高了缺陷检测的对比分辨力。此外，聚焦后声场不仅仅在聚焦点位置得到明显增强，同时焦点附近区域的声场也会得到了明显增强。
通过以上信号的分析可知，一个阵元发射所有阵元接收的信号，通过某一点为聚焦点延时合成后可以得到一个合成信号。如果将其它阵元也都单独发射所有阵元接收后延时合成，这样总共可以得到16个合成信号，然后再将这16个合成信号同样根据相同聚焦点延时合成，得到最终的合成信号。若聚焦点为缺陷位置，则使得缺陷点的回波信号大大加强；若聚焦点没有缺陷，则各组回波信号相互抵消，合成信号也大大减弱。
5 小结
本文在相控阵聚焦原理的基础上，搭建了线阵超声相控阵检测仿真系统。对阵元晶片进行了超声发射接收实验，通过分析比较阵元延时接收与未延时接收信号，可以看出聚焦接收迟后可以使叠加信号得到明显增强，同时验证了信号延时聚焦合成方式的可行性。通过对试块的缺陷检测的仿真实验，对比聚焦与不聚焦的实验效果，证明相控阵聚焦可以提高缺陷检测能力。


参考文献
[1] 单宝华, 喻言, 等. 超声相控阵检测技术及其应用[J]. 无损检测, 2004, 26( 5) : 235～238.
[2] Don E.Bray. Historical review of Technology Development in NDE . Proceeding of 15th World Conference on NDT [CD] . Rome: 2000.
[3] Didier Cassereau, Mathias Fikn. The Phased array technology-application to time-reversal in acoustics .IEEE，2000: 461 - 464.
[4] 施克仁．无损检测新技术．北京, 清华大学出版社, 2007．135~138，223~228．
[5] 刘　晨,魏　伟,等. 超声数字式相控阵列换能器动态聚焦系统研制[J] . 应用声学,2000 ,19(6) :15 - 16.
[6] 周琦,刘方军,等. 超声相控阵成像技术与应用.2002.
[7] 冯若.超声手册.南京：南京大学出版社，1999．48~53，253~257．
[8] A Garcia and A Tanarro．Ultrasonic inspection using array transducers．Insight, 1998, 40(12):841~844．

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前辈你好，其中有一点不明白想请教一下。
“若聚焦点为缺陷位置，则使得缺陷点的回波信号大大加强；若聚焦点没有缺陷，则各组回波信号相互抵消，合成信号也大大减弱。”
前文有说聚焦在虚拟点时，原来的点（0，40）的回波信号会合成减弱。红字部分是不是应该这么理解：聚焦点与缺陷在不同位置，和红字前一句对应，回波合成信号会减弱？

请问楼主如何获得标准

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