合成孔径全聚焦相控阵超声波检测原理

合成孔径全聚焦相控阵超声波检测原理

    首先回顾一下超声波检测发展历程：常规超声---TOFD---常规相控阵---全聚焦相控阵---合成孔径全聚焦相控阵。其原理介绍如下：

常规超声检测原理：常规的超声波检测通常采用一个压电晶片来产生超声波。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。

TOFD衍射时差法检测原理：Time Of Flight Diffraction(TOFD)超声波衍射时差法，是一种依靠从待检试件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点”处得到的衍射能量来检测缺陷的方法，用于缺陷的检测、定量和定位分析。

    TOFD技术采用一发一收两个宽带窄脉冲探头进行检测，探头相对于焊缝中心线对称布置。发射探头产生非聚焦纵波波束以一定角度入射到被检工件中，其中部分波束沿近表面传播被接收探头接收，部分波束经底面反射后被探头接收。接收探头通过接收缺陷尖端的衍射信号及其时差来确定缺陷的位置和自身高度。

　　　　　　　　　　　　　　　　　常规超声检测原理        　               　　　　　　　TOFD检测原理

常规相控阵检测原理：超声相控阵系统由超声阵列换能器和相应的电子控制系统组成。超声阵列换能器由许多小的压电晶片( 阵元) 按照一定形状排列而成的，其内部的各阵元可以独立进行超声发射或接收。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，产生的超声发射子波束在空间合成，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，形成在一定空间范围内的扫描聚焦。

全聚焦相控阵检测原理：FMC（全矩阵采集）是利用超声相控阵探头的一个特定的数据采集过程。对于一个N个晶片的阵列探头，每个晶片依次激发，同时所有的晶片接收信号。这些数据被组织在一个包含所有采集信号矩阵中。表示的是由晶片i发射晶片j接收的A扫信号。全矩阵数据需要进行后处理后来显示检测结果。全聚焦方法（TFM）就是一种用来处理FMC数据集的后处理算法。

    全聚焦法的前提要求是全矩阵捕获（ＦＭＣ）：在一个采集（探测）周期内，阵列的每一阵元均发射一个声波，即共有ｎ个阵元相继发射。对每个发射，ｎ个阵元中每一个阵元均接收一个Ａ扫信号。这样，总共就有ｎ２个Ａ显示信号组合在一个矩阵中，矩阵横行代表发射阵元，纵列代表接收阵元，每一个点均为有效聚焦点。

　　　　　　　　　　常规超声检测原理图　　　　　　   　　　　　　　　　　全聚焦相控阵检测原理

                                     常规相控阵与全聚焦相控阵的区别　　　　　　　　　　　　　　　　　                               

什么是合成孔径全聚焦相控阵？

          顾名思义，该技术即为合成孔径和全聚焦技术的结合，在全聚焦的基础上，采用合成孔径技术对后期数据进行处理。

何为合成孔径技术？

对于超声波信号，提高检测灵敏度、信噪比和分辨率最有效的方法就是采用合成孔径技术。

超声波合成孔径技术的原理与合成孔径雷达技术一样，就是传感器以一定步长沿线性孔径轨迹移动，在轨迹上的孔径位置向成像区域（被检测区域）发射脉冲信号，并接收和储存检测信号，然后下一孔径位置进行相同的发射、接收和储存，直到扫描完成；接着按照重建点，对相应孔径检测信号的回波，做时延调整、信号叠加和平均等处理，实现逐点聚焦，最终重建整个成像区域的信号反射图像。

合成孔径相控阵-信号时延叠加原理：由于换能器为电子扫描成像，扫描过程中各换能器处于空间的不同位置，使得同一目标反射的脉冲回波在接收时发生延迟。根据以上特点，由焦点所处的位置，对各个换能器通道设定不同的延迟形式，在叠加时使焦点处产生的回波同相叠加，从而使焦点处信号幅度得到放大。而组织体中其它位置产生的回波或随机噪声信号是非同相叠加，信号幅度放大有限甚至被降低，从而达到放大目标回波、抑制其它信号的作用，提高了成像的分辨率和信噪比。

合成孔径相控阵-自适应加权算法原理：在早期的时延叠加算法中，对各通道回波延迟后，对所有聚焦点采用一组固定的权值进行叠加。实际上，由于超声换能器的波束指向性和组织体对超声波的散射能力不同，采用固定的权值并不能对被测组织体的所有区域实现良好聚焦，因此，发展出了自适应阵列的处理方法。自适应阵列法对聚焦目标的回波进行延迟后，依据一定的自适应算法，由各通道回波的情况计算出一系列权值，最后进行加权叠加。

　　　　　　　　　　信号时延叠加原理   　　　　　　　　         　   自适应加权算法原理

合成孔径技术：合成孔径聚焦超声成像作为一种超声后处理方法,能够将小孔径成像合成为大孔径成像,通过逐点聚焦的方法,使图像的分辨率不随位置和深度变化。在采用同样换能器阵元探头的情况下,使用合成孔径聚焦方法能够得到更高分辨率的重建图像,为缺陷的定性分析提供更可靠的依据。