【摘 要】
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超声成像检测技术在壳体焊缝缺陷检测中被广泛使用以获取缺陷的大小和位置等信息,为缺陷检测与评估提供可视化依据。超声成像中波束形成技术是实现检测区域高质量成像的关键,可分为前端波束形成与后端波束形成。前端波束形成是在传感器端通过调整阵元激励时序来形成不同方向的波阵面或实现波束聚焦,该方法对硬件电路要求高,电路复杂度和成本的增加制约了该技术的推广和应用。而后端波束形成是通过对接收到的信号进行处理,以达到
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超声成像检测技术在壳体焊缝缺陷检测中被广泛使用以获取缺陷的大小和位置等信息,为缺陷检测与评估提供可视化依据。超声成像中波束形成技术是实现检测区域高质量成像的关键,可分为前端波束形成与后端波束形成。前端波束形成是在传感器端通过调整阵元激励时序来形成不同方向的波阵面或实现波束聚焦,该方法对硬件电路要求高,电路复杂度和成本的增加制约了该技术的推广和应用。而后端波束形成是通过对接收到的信号进行处理,以达到后期波束形成的目的。后端波束形成技术尽管降低了对硬件的依赖,但存在算法运算复杂度高和数据处理量大等问题。为此,本论文提出了一种基于空域抽样和相干因子融合的后波束形成方法,在降低处理数据量的同时,使计算复杂度得以下降。通过缺陷检测与成像试验,验证了提出方法的有效性。在分析后波束形成技术发展现状的基础上,推导了数据抽取因子与阵列阵元数的关系,并对回波数据进行空域等间隔抽样,再对抽样数据进行了空间平滑和对角加载预处理,然后结合最小方差原理计算出加权值,经相干因子加权后,得到波束形成器的输出,并实现了后波束形成条件下的全聚焦成像。论文的主要研究内容及结论如下所示:（1）提出了空域抽样与相干因子融合的后波束形成算法。首先,通过分析完备回波数据和抽样数据的波束模式,推导出抽取因子与阵列阵元数的关系,实现了数据空域抽样;在对抽样数据预处理后,结合最小方差原理计算出抽取数据的加权值,并对抽样数据加权;在计算加权值时,将抽样数据协方差矩阵构造为Toeplitz矩阵结构,降低了矩阵运算的复杂度;最后,引入相干因子对抽样数据进行加权后,该方法增强了抽样数据中相干能量的占比以提高成像质量。该方法可以有效将算法计算复杂度由三维降至二维,与常规最小方差波束形成方法相比,成像时间减少85%以上。相同的空域抽样条件下,该方法成像效果优于其他算法。（2）提出了基于后波束形成的双层介质全聚焦算法,将经过后波束形成处理后的数据用于全聚焦成像。首先,分析了超声在双层介质中的传播特性与声束的传播模式;其次,根据Fermat原理与Snell原理计算出声束在交界面处的入射点与反射点;最后根据计算的入射点,计算出时间索引值,根据时间索引即可得到对应成像点的幅值。该方法可以有效提高缺陷成像的分辨率,进而提高成像质量。（3）搭建了壳体焊缝缺陷检测试验平台,检测对象为加工有裂纹和通孔的标准试块以及预埋缺陷壳体焊缝试块,通过超声阵列缺陷检测与后波束形成成像,并用阵列性能指标对几种缺陷的成像分辨率进行对比分析,结果表明该方法将后波束形成技术与全聚焦算法相结合可以有效提高成像分辨率,为缺陷的量化评估提供了依据。
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