取样相控阵超声实时三维成像的工业应用

　　近年来,由于使用传感器阵列各阵元产生的基波(惠更斯原理)传播,能通过高速数字计算,重建合成相控阵信号,以此实现超声波束任意转角变向或按需改变焦深,因而"取样相控阵"技术相比于常规相控阵法,应用更为普遍。因阵列中各个换能器的近声场是类似点源的近声场,故靠近换能器的探测区要比一般情况下--即近声场取决于换能器阵列的全孔径(full aperture)时,缺陷探测要有利得多。而且,特殊的IZFP法能将检测物件快速三维成像,即通过切片组合,将二维法算出的合成孔径聚焦(SAFT)B型显示图像,变成三维数据立体图像,由此可提供多视角投影数据,对检测结果进行评价和分析。三维(3D)SAFT法也可考虑改进的换能器设计,使之在每一空间方向均有大角度的声束特性,这方面还在研制之中。本文综述"取样相控阵"法的基本原理,并通过一些工业应用实例,来说明取样相控阵的种种优势。

　　1　取样相控阵法原理和特性

　　常规相控阵技术(CPA)是通过电子发收延迟控制,来使声束变角转向的,而取样相控阵技术(SPA)则利用基波合成法来重建扇形图像。这样,通过发射一次脉冲,可以重建包含各种入射角的扇形图像,此过程利用了基尔霍夫偏移算法(Kirchhoff migra2tion algorithm)。因此,合成聚焦可存在于每个成像点(见图1)。

　　为改善用取样相控阵(SPA)技术对被检工件中材料缺陷的检出能力,要使用有最大声束扩散的超声换能器。由于相控阵阵元的孔径(Aperture)尺寸相比于一般单晶片换能器要小,故特别适用于取样相控阵法的合成聚焦。

　　图像重建原理可简述如下:如图2所示,在所有探头位置(X),可获得被检体积层析图像重建所需要的完整高频信号。因为是大声束扩散,所以来自不同反射体的叠加回波信号会同时接收到,并储存起来。所捕获的信息量代表垂直于被检工件表面的某一个平面。超声波从每个探头位置到该平面上每一像素体的传播时间均可由计算机算出。

　　与SAFT(Synthetic Aperture Technique合成孔径)算法相似,图1所示工件横截面或体积可分成许多产生像点的像素(见图2)。对每个像点来说,到达换能器各单元(阵元)的超声传播时间均可由计算机算出,并分配与时间相关的超声波幅值。图2即说明了图像重建的原理:单个像素相关于阵元位置,其声传播时间呈双曲线分布;而图像重建则相关于像点位置。

　　然而,要在相控阵换能器的一个位置,通过取样相控阵来提高缺陷检出率,会受到其近声场的限制。特别是对一个尺寸较大的工件来说,检测的体积大多在探头近声场之外。因此,要发挥取样相控阵对整个检测体积的优势,探头的有效发射孔径就要设法增大,由不同位置取得的超声信息,就要叠加一起。