本發(fā)明涉及一種超聲成像系統(tǒng)，特別是一種基于全矩陣數(shù)據(jù)的超聲全聚焦成像系統(tǒng)，屬于無損檢測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

超聲檢測技術(shù)因具有檢測靈活，既能用于結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測又能用于表面缺陷檢測等特點，而備受無損檢測工程技術(shù)人員的青睞。相控陣超聲技術(shù)作為一種新型的超聲檢測方法，通過電子系統(tǒng)控制探頭陣列中各個陣元，按照一定的延遲時間，規(guī)則地激勵和接收超聲波，控制超聲波束的偏轉(zhuǎn)與聚焦，來實現(xiàn)對試件內(nèi)部缺陷的無損檢測。因此，相控陣超聲技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、適應(yīng)性強等優(yōu)點。

目前市場上的商用相控陣檢測系統(tǒng)可方便的進行B掃、扇掃和C掃成像，但在保證成像實時性的同時，缺陷檢測精度和識別能力卻有限。對此國內(nèi)學(xué)者在相控陣系統(tǒng)開發(fā)方面進行了大量卓有成效的研究。例如，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所劉晨等人研制了一套數(shù)字式多通道相控陣換能器動態(tài)聚集系統(tǒng)，采用數(shù)字控制電子動態(tài)聚焦方法，實現(xiàn)了聲束的聚焦掃描(超聲數(shù)字式相控陣換能器動態(tài)聚焦系統(tǒng)研制，應(yīng)用聲學(xué)，2000)。但該系統(tǒng)也僅能實現(xiàn)空間單點實時聚焦，而無法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中一定空間范圍內(nèi)多點實時聚焦。哈爾濱工業(yè)大學(xué)單寶華等人針對海洋平臺管節(jié)點檢測的需要，設(shè)計研制了一套64通道超聲相控陣檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)相鄰32陣元同時發(fā)射和接收超聲波(超聲相控陣實時檢測系統(tǒng)的研制，哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008)，但由于僅利用了采集數(shù)據(jù)的幅值信息進行成像，其檢測精度和缺陷表征能力有限。北京大學(xué)李法新等基于非線性超聲檢測原理設(shè)計研制了一套超聲相控陣檢測系統(tǒng)，能夠?qū)Σ牧匣蚪Y(jié)構(gòu)的微缺陷、微裂紋等缺陷進行檢測，其檢測精度高于傳統(tǒng)線性超聲相控陣(非線性超聲相控陣無損檢測系統(tǒng)及實驗研究，實驗力學(xué)，2014)，但該系統(tǒng)僅可用于體波相控成像，無法用于板、管等波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波相控聚焦成像。

為克服商用相控陣系統(tǒng)在成像精度及聚焦范圍等方面的局限性，國內(nèi)外學(xué)者對超聲陣列全矩陣數(shù)據(jù)后處理成像方法開展了大量研究，取得了卓有成效的研究成果。例如，Wilcox P D等在考慮聲波傳播過程中幅值衰減及聲束偏轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，提出了修正的全聚焦成像方法，提高了成像的分辨力及缺陷識別能力(Advanced reflector characterization with ultrasonic phased arrays in NDE applications.IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,2007)。周正干等對楔塊耦合檢測模式下，對聲波在雙層介質(zhì)中傳播中的能量衰減進行了研究，利用提出的衰減校準(zhǔn)系數(shù)對全聚焦成像進行了補償，提高了全聚焦檢測范圍及圖像質(zhì)量(相控陣超聲檢測技術(shù)中的全聚焦成像算法及其校準(zhǔn)研究.機械工程學(xué)報,2015)。焦敬品等在陣列中構(gòu)造多個子陣列，利用子陣列在聚焦點處的矢量方向獲取裂紋方向信息，從而完成矢量全聚焦成像；并通過全矩陣數(shù)據(jù)的相位信息對其進行加權(quán)，得出裂紋方向及尺寸等特征信息(用于裂紋方向識別的超聲散射系數(shù)分析方法研究.聲學(xué)學(xué)報,2016)。但以上學(xué)者僅進行了成像方法的研究，并未研制相應(yīng)的超聲相控陣檢測系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有超聲相控陣系統(tǒng)僅能實現(xiàn)空間單點實時聚焦，僅利用了其幅值信息進行較同時使用幅值與相位信息時精度較低的成像，且僅可用于體波相控成像等問題；本發(fā)明提出一種超聲全聚焦成像系統(tǒng)，既能用于體波檢測，又能夠?qū)崿F(xiàn)超聲導(dǎo)波檢測。同時運用全矩陣的幅值與相位信息，實現(xiàn)一定空間范圍內(nèi)多點、高精度成像。

超聲全聚焦成像系統(tǒng)的原理在于，通過控制換能器陣列中各個陣元激勵(或接收)脈沖的時間延遲，改變各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(或來自)結(jié)構(gòu)中某一位置的相位關(guān)系，實現(xiàn)一定空間范圍內(nèi)靈活的調(diào)整合成聲束的焦點位置和偏轉(zhuǎn)方向。最終對被測區(qū)域內(nèi)任意點進行虛擬聚焦處理，獲得區(qū)域內(nèi)任意點的幅值信息和相位信息，并利用全矩陣數(shù)據(jù)的相位信息對幅值信息進行加權(quán)處理，從而實現(xiàn)對試件整體進行高精度的成像。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明所采用的系統(tǒng)參見圖1，一種基于全矩陣數(shù)據(jù)的超聲全聚焦成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括計算機(1)、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡(2)、多通道超聲激勵接收相控陣板卡(3)、超聲波探頭陣列(4)；計算機(1)與多通道同步數(shù)據(jù)采集卡(2)之間通過信號線相連，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡(2)與多通道超聲激勵接收相控陣板卡(3)相連；計算機(1)通過陣列式超聲成像系統(tǒng)控制模塊設(shè)定各種參數(shù)并控制多通道超聲激勵接收相控陣板卡(3)激勵和接收超聲波信號，同時對超聲波信號進行處理；多通道超聲激勵接收相控陣板卡(3)的信號輸出接收端的信號線與超聲波探頭陣列(4)相連；超聲波探頭陣列(4)接收反射回來的超聲波信號，超聲波信號通過多通道超聲激勵接收相控陣板卡(3)處理，再將超聲波信號送入計算機(1)的陣列式超聲成像系統(tǒng)中進行存儲與成像。

本發(fā)明提出的超聲全聚焦成像系統(tǒng)的其具體檢測方法步驟如下，

步驟一：檢測系統(tǒng)搭建及參數(shù)設(shè)置；

(1)以超聲全聚焦成像系統(tǒng)為基礎(chǔ)，搭建檢測系統(tǒng)；

(2)信號參數(shù)設(shè)置：包括激勵信號參數(shù)：激勵電壓、激勵頻率、激勵周期、重復(fù)頻率；接收信號參數(shù)：采樣頻率、采樣點數(shù)、增益、直流偏置；延時設(shè)置：各通道激勵的延時法則。通過計算機軟件控制多通道超聲激勵接收相控陣板卡(3)硬件系統(tǒng)將激勵信號送入超聲波探頭陣列(4)；延時法則由采樣點數(shù)根據(jù)成像區(qū)域確定。

步驟二：采集全矩陣數(shù)據(jù)，由超聲波探頭陣列(4)采集到成像區(qū)域的全矩陣數(shù)據(jù)；

步驟三：根據(jù)不同的成像方法設(shè)置參數(shù)提取信號的幅值及相位特征；對成像區(qū)域進行缺陷成像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明利用多通道同步數(shù)據(jù)采集卡與多通道超聲激勵接收相控陣板卡實現(xiàn)了對全矩陣數(shù)據(jù)的快速采集，并通過矢量全聚焦的方法對全矩陣數(shù)據(jù)的后處理，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中一定空間范圍內(nèi)任意點聚焦。該系統(tǒng)既可以用于結(jié)構(gòu)的體波相控陣成像，也可以用于板、管等結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波成像。

附圖說明

圖1檢測裝置原理圖。

圖2是本發(fā)明方法的實施流程圖。

圖3是被檢測試件無缺陷時的時域信號。

圖4是被檢測試件有缺陷時的時域信號。

圖5是典型成像結(jié)果。

圖中：1、計算機，2、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡，3、多通道超聲激勵接收相控陣板卡，4、超聲波探頭陣列。

具體實施方式

步驟一：檢測系統(tǒng)搭建及參數(shù)設(shè)置；

(1)按照圖1以超聲全聚焦成像系統(tǒng)為基礎(chǔ)，搭建檢測系統(tǒng)；系統(tǒng)包括計算機1、多通道同步數(shù)據(jù)采集卡2、多通道超聲激勵接收相控陣板卡3、超聲波探頭陣列4。計算機1與多通道同步數(shù)據(jù)采集卡2之間通過信號線相連，多通道同步數(shù)據(jù)采集卡2與多通道超聲激勵接收相控陣板卡3相連,多通道超聲激勵接收相控陣板卡3與超聲波探頭陣列4相連。本文檢測實驗所用鋁板，尺寸為1000mm×500mm×1mm。超聲波探頭陣列選用8個壓電陣元，陣元尺寸為6mm×6mm×0.5mm，陣元間隔為2mm，激勵頻率為300kHz。

(2)信號參數(shù)設(shè)置：包括激勵信號參數(shù)：本次實驗選用激勵電壓為200V、激勵頻率300kHz、激勵周期1。接收信號參數(shù)：采樣頻率50MHz、采樣點數(shù)3000、增益10dB、直流偏置0V。延時設(shè)置：使各陣元依次激勵其余通道接收。通過計算機軟件控制多通道超聲激勵接收相控陣板卡(3)硬件系統(tǒng)將激勵信號送入超聲波探頭陣列(4)；

步驟二：開始采集全矩陣數(shù)據(jù)，由超聲波探頭陣列(4)采集到成像區(qū)域的全矩陣數(shù)據(jù)；

步驟三：選擇相位加權(quán)算法對全矩陣數(shù)據(jù)進行成像，設(shè)置陣元個數(shù)8、陣元中心頻率300kHz，數(shù)據(jù)長度3000，陣元寬度5mm，陣元中心間距6mm；對鋁板進行缺陷成像獲取成像區(qū)域的缺陷成像效果圖。