Page 28 - 应用声学2019年第2期

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0 引言
超声成像技术具有检测灵敏度高、缺陷显示直
观、检测速率快等优点，已被广泛应用于航空航天、
石油船舶、汽车电力等工业领域 [1−2] 。在检测复杂
曲面构件时，为保证耦合质量，通常采用楔块或水浸
等耦合方式进行检测，声束在耦合介质和被测构件
组成的双层介质中传播，以单介质声速为基础的传
统成像方法难以适用。在双层介质中，声波在界面
处的折射使声束的传播速度和方向发生变化。当界
面形状复杂时，声速在水平和竖直方向上均发生变
化，声波经由界面到达缺陷的发生时间难以准确测
定，造成图像上缺陷位置严重失真，影响缺陷的定位
和定量 [3] 。
针对双层介质中缺陷成像问题，目前广泛认
可的方法为合成孔径聚焦技术 (Synthetic aperture
focusing technique, SAFT) 与射线追踪 (Ray trac-
ing method, RTM)相结合的复合成像技术 [4] 。根据
Snell 定律或者 Fermat 定理，RTM 能够准确求得声
束在各层介质之间的折射角和传播路径，进一步求
得信号缺陷回波的发生时间，再通过 SAFT 技术中
的延时叠加算法进行聚焦成像，最终将缺陷回波位
置准确地呈现在超声图像中 [5−6] 。此外，RTM还可
以与全聚焦技术 (Total focusing method, TFM) 相
结合，进一步提升超声图像的分辨率和信噪比
虽然对界面的形状没有限制，但此类方法使用迭代
运算求解界面上折射点，计算开销大，降低了SAFT
和 TFM 成像效率 [10] ，这一不足严重限制了这类方
法在分层介质成像中的进一步应用。
虚拟源成像技术是一种适用于双层介质的超
声成像技术，最早应用于医学超声成像。早期虚拟
源技术将虚拟源设置在换能器的后方 [11−12] ，通过
对各阵元进行延时激励，整个传感器产生的声场可
以看作是由后方的虚拟源产生的，这一过程使得进
入被检物体的声场能量增加，再结合延时叠加算法，
能提高图像的信噪比。Passmann等 [13] 进一步地将
凹形传感器的焦点看作虚拟源并结合合成孔径聚
焦技术进行成像，在皮肤类疾病诊断中取得良好的
效果。Sutcliffe 等 [7,14−15] 拓宽了虚拟源在工业无
损检测领域中的应用，他通过将声波传播时间进行
预先计算、储存的方法结合延时叠加设计了基于虚
2019 年 3 月
拟源的实时成像系统。国内对于虚拟源技术的研
究相对较少。王平等 [16] 对虚拟阵元进行了仿真研
究，并结合动态聚焦技术在一定程度上解决了分辨
率与探测深度之间的矛盾。李遥等 [17] 将虚拟源技
术与自适应加权相结合，提高了病灶目标的超声图
像分辨率。王浩等 [18] 利用虚拟源成像技术对有机
玻璃/钢双层固体介质进行成像，得到了高分辨率
的第二介质边钻孔 (Side drilled hole, SDH) 检测图
像。然而，这些方法均针对于单层介质或者分界面
规则的双层介质，并未尝试界面为非规则曲面的检
测状况。
本文在此基础上，结合合成孔径聚焦技术解决
复杂曲面构件超声图像中缺陷位置的失真问题。利
用相邻阵元的界面回波时间差以及阵元中心坐标
构建在界面上的虚拟源。虚拟源位置确定之后，根
据实际阵元-虚拟声源-像素点三者之间的声传播路
径计算延时时间，对非规则曲面构件进行虚拟聚焦。
1 原理
复杂曲面构件虚拟源成像原理如图 1 所示。在
图 1(a) 中，声波传播到界面上的入射点可以看作向
第二介质中辐射声场的波源。依次激励阵元，在相
邻两入射点之间构造虚拟的发射源。假设虚拟源的
位置已知，那么通过阵元中心、虚拟源、像素点三点
[7−9] 。 坐标和对应介质声速可以求得声波在阵元中心 -虚
拟源以及虚拟源 -像素点的传播时间。如图 1(b) 所
示，将成像区域网格化后，通过上述传播时间对阵列
信号进行合成孔径聚焦，可得到第二层介质的超声
图像。在此过程中，声波在界面处复杂的折射点迭
代运算被避免了，相比于 RTM 严格计算每个成像
点到每个发射点的传播时间，这一过程大大减少了
运算成本，提高了成像效率。
利用相邻阵元界面回波时间差构建虚拟源原
理如图 2 所示。图 2 中，u i 和 u i+1 为相邻激励阵元
中心。由于耦合介质中一般不存在反射体，因此阵
元接收信号中的第一个回波为界面回波。分别将u i
和 u i+1 垂直入射到界面的点记为 q i 和 q i+1 ；u i q i 和
u i+1 q i+1 分别是阵元中心至入射点的路径，c k 为相
邻阵元 u i 和 u i+1 中心，v k 为相邻阵元 u i 和 u i+1 对
应的虚拟源。当阵元间距 d 与界面的曲率半径相对
很小时，路径u i q i 和u i+1 q i+1 可以看作是平行的。