Page 6 - 201806
P. 6
836 2018 年 11 月
点叠加的声场，是一个主动成像的方法，其主要的过
1 引言 程是采用二维正反傅里叶变换，具备高速成像性能。
反转问题的基本思想把缺陷目标看作二次声源，根
超声波在固体材料的结构健康性检测和评估
据每个阵元接收的信号反推缺陷的具体位置和大
的应用毫无疑问地促进各个行业的快速发展，保证
小。图1是实验中的超声相控阵二维示意图，采用的
了人类的生命财产安全，因此无损检测行业在社会
探头由 32个阵元组成，每个阵元都具备发射和接收
很多领域中扮演着重要的角色。中国是世界上高
速铁路发展最快最好的国家，目前已经牢牢居于世 信号的功能，阵元宽度D 为0.1 mm，阵元间距 pitch
为1.0 mm。x轴方向是探头在被测物体表面的移动
界第一，庞大的铁路网带动着中国的经济迅猛地发
展。所以，铁路的安全是重中之重，无损检测业界 方向，z 轴是被检测物体的深度方向。超声相控阵
关注的焦点是常年承载负荷铁路的安全问题，比如 采集数据的一种方式称为全矩阵捕获 [9] 。如图 2 所
铁轨的腐蚀、裂纹、断裂等。超声相控阵由很多独 示，假若超声相控阵的阵元一共有 n 个，R x 为接收
立的阵元组成，能够动态聚焦自动 B 扫和 S 扫，具 阵元，T x 为发射阵元，比如 T x1 为激励阵元，所有阵
有较高的图像分辨率。超声成像在无损检测方面 元全部接收信号，就会产生 n 个接收到的信号，S 11 ，
的应用类似于其他领域，比如医学超声，地震学成 S 12 ，S 13 ，· · · ，S 1n 。以此类推，依次激发其他阵元，总
像，探地雷达和海洋声呐。那么，不同领域就形成 共就会产生 n × n 个接收的信号，由这些信号组成
了一些典型成像算法。波数算法经过傅里叶域的 的数据就是三维的全矩阵数据。全矩阵的对角线信
非线性插值解决了反转问题，和时域算法相比较具 号组成的数据就是各个阵元自发自收的信号，可以
有运算速度快的高效率优点。频率偏移成像技术 看作是由一个单独的发射接收阵元沿着 x 轴方向
最先应用在地震信号的处理，目的是提高横向分辨 扫描，类似雷达声呐中传统的B扫信号。
率 [1] 。随后Cafforio等 [2] 将其应用于雷达合成孔径
T x
聚焦并得到了较好的结果。Callow 等 [3] 在频率波 R x
↼u֒↽ D ↼v֒↽ x
数域中研究了合成孔径声呐的一些图像增强算法。 pitch
2004 年，张春城等 [4] 在频率波数域中研究了探地 ρ out
ρ in
雷达合成孔径成像。2008年，Hunter等 [5] 用超声阵
列实现了基于全矩阵的波数成像算法。2011 年，严
↼x֒z↽
刚等 [6] 用数值仿真实现频率波数偏移方法在薄板 Target
z
中的 Lamb 波应用，目的是识别多部位损伤。同年，
周子超等 [7] 基于频率波数算法究了微波近场成像。 图 1 超声相控阵收发几何图
2015 年，Moghimirad 等 [8] 基于全矩阵数据应用频 Fig. 1 Ultrasonic phased array transceiver geometry
率波数对人体囊肿成像，紧接着在波数域中用虚拟
⊲⊲⊲
声源研究了合成孔径成像。 R x R x R x R x R xn
本文应用 32 个阵元的超声相控阵检测钢轨和
T x S S S S ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ S n
B 型相控阵试块并获取全矩阵数据，以试块为校准
T x S S S S ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ S n
模型，采用频率波数域成像算法快速重建钢轨和试
T x ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲
S S S S S n
块的缺陷，与全聚焦方法的成像结果做了对比，波数
⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲
成像速度快且效果更佳。
⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲
⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲
2 频率波数成像原理 Ă
⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲ ⊲⊲⊲
T xn S n S n S n S n S nn
频率波数偏移是基于波动方程来完成求解被
测物体内部缺陷反射界面的逆过程，把所有独立散 图 2 全矩阵捕获
射点看作二次声源，总的散射场是各个独立的散射 Fig. 2 Full matrix capture
