超声相控阵B扫描成像系统研究

    0 引言

    超声相控阵技术已有20多年的发展历史,初期主要应用于医疗领域。医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像,利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。最初,由于系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业及航空工业等领域。如核电站主隔热板的检测;核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊焊缝热疲劳裂纹的检测。近几年,超声相控阵技术发展尤为迅速。

    本文研制出一种新的相控阵反投影成像系统,在该系统中用同一信号分别激励各个晶片,将回波信号采集存入计算机。然后根据各个晶片到达虚拟焦的位置计算相位差,把原本同时发射的信号进行平移,虚拟延时发射,定点聚焦。最后再将各个聚焦点信号成像,做出B扫图。

    1 超声相控阵原理[1]

    超声相控阵包括发射和接收两部分。相控阵的发射相控是用电子技术调整阵元的发射时间和超声强度,以实现焦点位置和聚焦方向的动态大范围角度调节。基本思想是调整各个阵元发射信号相位,使各阵元到达焦点的声束具有相同的相位,实现相控聚焦。接收相控是发射相控的逆过程,利用电子技术或数字信号处理技术对阵元接收到的超声检测信号进行逆处理,以获得缺陷信号的位置和特征信息。

    2 系统组成

    系统主要包括:计算机、TDS2014型数字示波器、TSD2MM扩展模块、传感器阵列(相控阵探头)及译码选通阵列等,如图1所示。

    用两个译码选通电路,每次同时选通晶片Ñ和Ò,分别发射和接收超声波,并分别与示波器通道I和II接通。采用5077PR脉冲发生器产生始脉冲来激励晶片Ñ,晶片I受激振动发出超声波,在钢件中传播,遇到凹槽和下界面反射回来。用晶片II接收回波信号,并送入示波器通道Ñ。然后计算机通过示波器的DS2MM扩展模块的串口,全波采集示波器通道I的回波信号,提取和存储许多特征参数,并且应用matlab软件分析波形,进行信号处理分析。

    本系统软件开发工具为VC610,系统工作步骤如下:启动后自动完成初始化,检测硬件配置,设定通讯参数;设置示波器特性,进行数据的人工采集或自动采集;在自动采集的情况下,控制光电继电器按照一定顺序,定时选通阵列中的两个晶片,分别接通发射和接收回路;实时采集通道Ñ中的回波信号,并将其转换成二进制数据文件;利用matlab编程,对采集的信号组进行排列、移项、叠加、频谱分析等,进而根据信号处理的结果,对缺陷的形状、位置、大小进行成像分析。