超声相控阵成像技术与应用

　　现代无损检测技术发展的大趋势是从对材料的定性检测到高精度、高分辨率的定量检测，从而实现对工业设备更加准确的无损评价。近年来的一个研究热 点就是相控阵超声检测技术。超声相控阵技术的基本思路来源于雷达电磁波相控阵技术，最早应用于医用B超成像系统中。但在工业无损检测领域，由于检测仪器复 杂度高，制作成本高昂，其应用受到很大的限制。然而近年来多种相关高技术，如压电复合材料、纳秒级别脉冲信号控制、数据处理和数据分析、软件技术和微电子 技术的快速发展，使得超声相控阵技术在无损检测领域得到快速发展[1-2]。与传统的超声检测技术相比，超声相控阵技术在声束可达性、检测精确性、重现性 及检测结果的可靠性、实时性和直观性等方面具有明显的优势。传统超声相控阵系统一般体积较大，不便于携带。笔者结合现代数字信号处理技术和微电子技术，提 出了一种高集成度相控阵超声检测系统的实现方案。该方案包含32个独立收发通道，采用多种新型高集成度芯片完成其超声发射和接收模块的设计，大大提高了系 统的集成度，为系统设备的小型化提供可能。利用可灵活配置的FPGA 芯片实现高精度发射波形产生和数字接收动态聚焦，进一步提高系统的数字化水平。

　　1　超声相控阵检测原理

　　相控阵超声检测系统由超声阵列换能器和相应的电子控制系统组成。超声阵列换能器由多个相互独立的压电晶片按照一定的排列方式组成阵列。每个阵元 都有自己独立的发射和接收电路。利用电子技术控制超声阵列换能器不同阵元之间的触发延时时序，产生具有不同相位的超声相干子波束在空间叠加干涉，达到声束 聚焦和偏转的效果(图1)。

　　在相控阵超声发射状态下，阵列换能器中各个阵元按照一定延时规律顺序激发，产生的超声发射波束在检测空间合成，形成聚焦点和指向性。改变各阵元激发的延时规律可以改变焦点位置和波束指向，实现在一定空间范围内的聚焦扫描。

　　在相控阵超声接收状态下，阵列换能器的各阵元接收声场的反射信号，根据聚焦点的几何位置按不同延时值进行延时，然后加权求和获得接收合成声束。在一次接收过程中实时改变聚焦延时值，可以实现动态跟踪聚焦[3]。

　　2　系统硬件组成与功能实现

　　超声相控阵检测系统的主要功能是利用电子技术控制超声声束的聚焦与偏转，实现对被测工件的扫查，并对接收回波进一步分析成像。系统的硬件总体框图如图2所示。系统主要包含超声波发射接收电路、FPGA 数据处理与控制模块和ARM 后处理模块。