Page 151 - 201805

第 37 卷 第 5 期 王冲等： 阵元固体指向性补偿对超声全聚焦成像的优化研究 733

值。考虑一维线性阵列探头置于二维各向同性均匀
1 引言 介质表面，建立二维坐标系 Oxz，如图 1 所示。x 轴

沿阵列方向并平行于介质表面，z 轴垂直于介质表
随着现代工业的快速发展，人们对材料可靠
面并指向介质内部，阵列排列在x轴上，成像区域位
性和安全性的要求不断提高。基于超声全矩阵采
于阵列下方。假设阵元数目为 N，记录各阵元中心
集的全聚焦成像逐步成为相控阵超声检测领域的
点所接收到的回波为u (x i , x j , t)。x i 和x j 分别表示
研究热点 [1−2] 。全矩阵采集 (Full matrix capture,
激发和接收阵元的坐标，t为时间。
FMC) 指单阵元激发所有阵元接收，各阵元依次激
发直到获取所有的激发接收回波组合。超声全聚 x ↼x i ֒↽ ↼x j ֒↽
O
焦(Total focusing method, TFM) 成像是以延时叠
加为基础的全矩阵后处理成像方法，对成像区域内 z
r iP r jP
每一个像素点均采用所有的 FMC 数据进行聚焦计
算。2005 年，Bristol 大学的 Holmes 等 [3] 提出了基
于 FMC+TFM 的检测方法，并指出相比于常规相 P↼x n ֒z m ↽
控阵技术，TFM 由于实现了任意点的收发双向聚
焦，成像分辨率得以显著提高。 图 1 二维全聚焦成像几何模型示意图
在 TFM 成像中，声波传输受到阵元指向性的 Fig. 1 A schematic diagram of two dimensional
影响，同样距离不同角度的缺陷反射幅度不同，造 total focusing method geometric model
成不同方位的缺陷成像幅度不均匀 [4] 。缺陷相对阵
在图 1 所示模型中， 阵列下方有一散射点
列中心偏角越大，回波幅度越低，在TFM 成像中的
P(x n , z m )，n = 1, 2, · · · , M1，m = 1, 2, · · · , M2，
检测灵敏度就越低，甚至造成漏检。在阵列成像正
M1 为成像区域内x方向的像素点个数，M2是成像
演模型中，阵元指向性用来表征阵元辐射声场能量
区域内z 方向的像素点个数。
的角度分布特征。在后处理成像中，研究人员利用
根据几何关系，激发阵元 (x i , 0) 和接收阵元
指向性函数对 TFM 算法进行补偿，以改善 TFM 对
(x j , 0)到散射点P(x n , z m ) 的路径分别为
大偏角缺陷的成像能力 [5−6] 。但传统指向性函数对 √
2 2
固体中的辐射声场能量衰减表征能力不足，对固体 r iP = (x i − x n ) + z , (1)
m
√
TFM成像中大偏角区域的补偿效果有限，无法有效 2 2
r jP = (x j − x n ) + z . (2)
m
避免缺陷漏检。本文针对固体材料中的阵元辐射声
则任意成像点 P(x n , z m ) 的 TFM 像素值 I(x n , z m )
场特征，引入了固体指向性因子，建立了基于固体指
可表示为
向性补偿的 TFM 优化算法，研究了固体指向性函
N N
数对大偏角区域缺陷成像的补偿效果，以提高TFM ∑ ∑
I (x n , z m ) = h(x i , x j , t ijP )
算法在固体中的检测能力。 i=1 j=1
N N
∑ ∑ ( r iP + r jP )
2 超声全聚焦成像基本原理 = h ij c , (3)
i=1 j=1
FMC 是基于阵列换能器的一种高级数据采集 其中，c为介质声速，h ij 是第i个阵元激发、第j 个阵
方式，采集的结果包含了成像区域内最完备的检测 元接收的回波信号包络。
信息。TFM 采用全部的 FMC数据集对检测区域内 考虑声束传播衰减对成像的影响，其全聚焦像
任意像素点进行聚焦，显著提高了成像分辨率，被称 素幅值I B (x n , z m )可表示为
为“黄金法则” 。
[7]
I B (x n , z m )
TFM 算法首先对检测区域网格化，然后计算
N N ( )
∑ ∑
每一个成像点与各阵元之间的传输延时，根据延时 = B ij (x n , z m ) h ij r in + r jm , (4)
c L
检索相应的回波数据，最后叠加得到成像点的像素 i=1 j=1