[发明专利]矢量相控阵超声检测参数优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声波检测技术，尤其是相控阵超声检测方法。

背景技术

超声检测时往往需要对物体内某一区域进行成像，为此，必须进行声束扫 描。常规相控阵超声检测是通过控制换能器阵中各个阵元激励(或接收)脉冲的 时间延迟，改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位 关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控波束合成，形成成像扫描 线技术，原理如图1所示。

相控阵超声检测成像的分辨率是检测成像的重要指标，是衡量系统检测能 力的重要依据，因此也是国内外相控阵研究者不懈努力追求的目标。

对比度分辨率表征检测成像中缺陷与背景在色彩上的最小差异，是图像上 能够检测出的回波幅度的最小差别，该指标越好，图像越细腻柔和，细节信息 越丰富。轴向分辨率表征空间轴向辨别两个目标的能力。在回波信号形状上我 们可以将轴向分辨率理解为：在系统的冲激响应条件下，实际回波信号经过 HILBERT变换后时域上信号(波形包络)的-3dB或-6dB宽度。

聚焦声场中的主瓣高度直接影响着相控成像的对比度分辨率。所以我们以 主瓣高度作为目标函数对矢量相控阵激励脉冲中相位、频率进行优化。

发明内容

解决问题：矢量相控阵超声检测是对常规相控阵超声检测的进一步发展和 完善。但检测过程中矢量脉冲激励信号的频率和相位的选择，对检测分辨率有 重要影响，所以矢量参数的优化成为矢量相控阵超声检测实现的必要步骤。本 发明的目的就是提供一种矢量相控阵超声检测参数优化的新方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明特提出以下技术方案：

矢量相控阵超声波检测技术，就是利用不同频率、相位的矢量脉冲超声波 在空间的非相干叠加来实现聚焦和偏转。

根据设定的偏转方向及聚焦点，以聚焦声压强度做为优化的目标函数，对 矢量相控阵参数：频率和相位按照K-T条件用最速下降法结合Armijo线搜索方 法进行寻优。

技术效果：由于目标函数中具有波动特征，故应该存在有很多的局部极大 点，根据算法的实践来看，根据仿真结果和工程经验给出一个较好的初始点， 即可快速求解得到的一般是全局极大点对应的二维(频率和相位)矢量。

相对于遗传、模拟退火算法等随机型的算法而言，目前的算法属于确定型 的算法，即每次迭代都会产生确定的下降量，结果可靠，而且计算速度快。

具体实施方式

考虑由N个点阵元组成的任意形状的阵列在场点处聚焦，如图2所示。对 于聚焦点，第i个阵元的声压公式如下：

式中：P_i第i个阵元在聚焦点的声压，P_im声压幅值，ρ材料密度， c声速，f_i声波频率，r_i阵元到焦点距离，u_i阵元振幅，α_i衰 减系数，α₀散射衰减系数，α₁吸收衰减系数，k_i波数，相位， ΔA阵元面积

首先确定第i个阵元和聚焦点的位置r_i；其次计算在该位置条件下由上式 (a)(b)得出声压幅值与频率的关系；从中确定声压最大时对应的频率f_i；然后 由上式(d)计算初始相位那么，在超声相控阵中如果我们将控制阵列中各个 阵元的频率和相位使其满足最佳条件，则可以获取更大的阵列聚焦声压，从而 提高该场点的信噪比并改善成像的对比度分辨率。矢量相控阵可以数学描述为：

由于任何形状、大小的换能器，其有效振源表面可看作是许多点源组合而 成。每个小面积的超声换能器都可以近似看作镶在坚硬障板上的活塞振动源， 因此声场中任意点(x，y，z)的声压p(x，y，z)可以由以下积分求得：

所以对于实际声场分布，也可以用上面数学模型式来研究矢量相控阵，但 要注意此时参数对象是各个物理阵元，不是各个等效点源；也就是同一物理阵 元上的等效点阵源的频率和初始相位应保持一致。

我们以聚焦声压即主瓣高度作为目标函数进行矢量优化，在空间点F的聚 焦声压为各点源辐射声压之和。