相控阵超声成像补偿聚焦技术.pdf

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1、第37卷第1期压电与声光Vo1．37NO．12Ol5年O2月PIEZOElECTRICS8LACOUST()0PTICSFeb．2O15文章编号：1004—2474(2015)01—0122—08相控阵超声成像补偿聚焦技术彭小冲，费跃农，俞志伟(深圳大学机电与控制工程一～．～叭№学一院一，唧广东一～～深一～舢一圳一～一～51一～一～800一～0一)一一一～一一～一～一．～一一～一一_～K蕈摘要：针对相控阵成像中因为聚焦深度唯一且不能改变而导致成像失真问题，提出改进方法，提高相控阵检测成像质量。在用单个换能器单元轮流发射声波，全孔径单元接收的收发超声方式得到基础数据组

2、的基础上，在数据处理中重构出发射聚焦和接收聚焦。提出在重构过程中运用动态聚焦补偿技术，使各个深度都聚焦。该文给出重构发射和接收聚焦点及动态聚焦补偿的理论基础，补偿点的计算方法，补偿电路的具体实现。从仿真结果可看出成像效果比传统单点聚焦相控阵有显著提高。提出的相控阵动态深度补偿技术改善了成像质量，物理实现电路简单且具有实用价值。关键词：无损检测；超声波；相控阵；发射聚焦；动态聚焦中图分类号：TB559文献标识码：A．．：薹一一一一．一～0引言2)理想的动态聚焦需实现每个采样点都具有不同的各单元相对接收延时。否则就会由于相邻两相控阵超声成像检测系统的相控效果(声束的一一

3、一一一一一～一一一一聚焦点相距较远导致焦点盲区的问题。偏转和聚焦效果)是由各阵元通道的发射和接收时3)要使每个采样点都为聚焦点，需计算大量的延实现的。由于发射和接收时延影响系统的焦点的聚焦法则，成像帧率会很低，要提高重构图像速度，控制，进而影响到系统的空间分辨力。但因相控阵势必要使用逻辑电路设计迭代算法来计算大量的延检测在一次收发过程中只有一个发射聚焦点和一个迟法则，一些研究者提出了具有实时动态聚焦功能接收聚焦点，如果缺陷位置不在聚焦深度上，各个换的波束合成器¨1。]。能器单元接收波不能在缺陷深度同相位叠加，叠加4)实际工业运用中，相控阵列不与被测物直接出现相位差，

4、成像失真；且成像离聚焦深度越远其失接触，他们之间存在着各种形状的楔块，声波穿过楔真越严重，缺陷成像越不清晰。块时必然发生折射。折射后的声波路径(介质问入为了使上述失真减小，要实现发射和接收在被射点)会因为焦点改变而改变，即不存在一个可表征测物内各深度都聚焦。实现各深度都聚焦具有难折射后单元延迟与聚焦点移动轨迹的迭代公式。在点：折射条件下，要设计可行的迭代电路只能通过用单1)传统相控阵发射聚焦点在各阵元发射瞬间一介质等效相控阵组来替代原来的相控阵组，再来已决定，不能动态改变。收稿日期：201402—21作者简介：彭小冲(】990)，男，广东人，硕士生，主要从事无损检测

5、的研究。E—mail：523208615@qq．corn。费跃农(1962一)，男，教授，博士。E—mail：feiyn@SZU．edu．CI1。第】期彭小冲等：相控阵超声成像补偿聚焦技术l23设计硬件电路实现动态聚焦算法，这种等效势必存此，N个单元在点产生的振动的总合S(￡)一N在替代误差的问题。’∑s(￡)。要使各单元发射聚焦在3：7点，即对于在这种研究背景下，本文在采样相控阵采集”一1基础数据组的基础上，提出相控阵聚焦补偿技术，离一1，2，⋯，N，S()在点振动要同相位。令线地计算出各个深度的聚焦延时补偿表，对每个深S()一P(t—to—t，0)一P(t—tl

6、o—t1，0)度进行查表补偿聚焦，其好处有(4)1)用采样相控阵发射和接收声波方式，可重构其中我们定义单元1为基准单元，并且假设出发射聚焦点，在此基础上进行发射各深度聚焦补t。一0(基准单元发射初始延时为0，即以基准单元偿。发射声波时刻为计时0点)。可反算出聚焦在z点，2)查表补偿的方式重构图像成像效率高。单元的初始延时t。，则3)我们在计算补偿点时，用楔块折射后的声波t0一t1一t(5)路径，使在折射的条件下也可成功动态聚焦。满足式(5)有NN4)在动态聚焦过程中，用读写表的方式代替了s(￡)===∑s(￡)一∑P(t一，o)(6)硬件电路迭代的方式，动态聚焦模块

7、可简单地与波如果空间z点产生反射，则单元?T1接收到反射束合成器合成，可靠性好。的信号为大多采样相控阵的文献只是对其发射和接收检N测的描述，缺少方法说明和动态聚焦点重构的具体r(￡)一P(t—to—t一，0)一实现方案，本文将基于采样相控阵技术提出重构聚一1N焦点和动态聚焦补偿实现方法。>：P(t—t1一，0)(7)n=11动态发射聚焦补偿原理式中为超声波传播R所需的时间，与z点位置假设有N个发射单元，对于每一个发射单元用和单元m位置有关。要使式(7)成立(发射聚焦在下标，z来区分，每个单元在电信号的激励下发出的点z)，要满足式(5)。超声波信号为ram()为个