超聲相控陣超分辨率成像方法研究.pdf

1、航空、航天、鐵路、橋梁、核電站、新材料等領(lǐng)域的快速發(fā)展，一方面推動了無損檢測技術(shù)的發(fā)展，另一方面對無損檢測技術(shù)提出了更高的要求。作為最具發(fā)展前景的超聲相控陣成像檢測技術(shù)，它綜合了超聲相控陣技術(shù)和超聲成像技術(shù)，具有檢測面積大、檢測速度快、檢測結(jié)果圖像化、易定量等優(yōu)勢，但是其成像分辨率受到聲波衍射限制。為了提高成像分辨率，需要使用更高頻率的超聲波，但是，超聲波的頻率越高，其在傳播過程中的衰減就越厲害，影響探測深度。在超聲波工作頻率不變的前提

2、下，本文研究了基于時間反轉(zhuǎn)聲學(xué)理論的超分辨率成像方法，提高了成像分辨率、改善了超聲圖像質(zhì)量。主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點如下：
　　一、研究了超聲相控陣在固體介質(zhì)中的聲場特性，構(gòu)建了超聲成像系統(tǒng)的點擴(kuò)散函數(shù)，作為陣列參數(shù)分析的評價指標(biāo)，定量分析了陣列參數(shù)對成像分辨率的影響?；陉嚵械膯蝹€陣元在固體介質(zhì)中的遠(yuǎn)場指向性函數(shù)和惠更斯原理，研究了陣列的聲場特性，結(jié)果表明，通過對陣元應(yīng)用不同的延遲定律，實現(xiàn)了聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)，達(dá)到了掃描成像的目的。

3、引入全矩陣采集法FMC采集超聲陣列數(shù)據(jù)，全聚焦方法TFM進(jìn)行圖像重構(gòu)，構(gòu)建了超聲成像系統(tǒng)的點擴(kuò)散函數(shù)，以其作為評價目標(biāo)，定量分析了陣列參數(shù)對成像分辨率的影響，研究表明：陣元間距p取半波長，可以抑制柵瓣；陣元輸出超聲脈沖的持續(xù)時間影響超聲成像系統(tǒng)的縱向分辨率，超聲脈沖持續(xù)時間越短，縱向分辨率越高；陣列數(shù)目影響超聲成像系統(tǒng)的橫向分辨率，陣元數(shù)目越多，橫向分辨率越高。
　　二、研究了時間反轉(zhuǎn)聲學(xué)理論，提出了實用化的時間反轉(zhuǎn)多信號分類法T

4、R-MUSIC，并分析了噪聲對TR-MUSIC成像分辨率的影響，在噪聲較弱時能夠克服聲波的衍射限制，實現(xiàn)超分辨率成像，解決了成像分辨率與探測深度相矛盾的問題。對存在多次散射的模型進(jìn)行了分析，詳細(xì)討論了其特征值系統(tǒng)和TR-MUSIC成像函數(shù)，并分析了噪聲對TR-MUSIC成像分辨率的影響，結(jié)果表明，在不考慮噪聲或噪聲較弱的情況下，TR-MUSIC能夠克服聲波的衍射限制，實現(xiàn)超分辨率成像，解決了成像分辨率與探測深度相矛盾的問題。將TR-MU

5、SIC實用化，提出了利用切比雪夫窗函數(shù)提取缺陷散射信號的方法，結(jié)果表明，該方法能夠有效提取時域波形中的缺陷散射信號，消除其它干擾信號；同時提出了10％閾值準(zhǔn)則，用于劃分不同噪聲強度下的信號子空間和噪聲子空間。實驗結(jié)果表明，實用化的TR-MUSIC成像方法能夠區(qū)分鋼試塊內(nèi)距離 Rd　　三、研究了多頻時間反轉(zhuǎn)成像方法，提出了多頻時間反轉(zhuǎn)多信號分類法MF-TR

6、-MUSIC，較好地解決了CF-TR-MUSIC成像分辨率易受噪聲干擾的問題。針對強噪聲環(huán)境下CF-TR-MUSIC失效的問題，提出了MF-TR-MUSIC成像方法，研究了其成像函數(shù)中參數(shù)的選取原則，結(jié)果表明，頻率增量Δω對成像方法的影響較小，本文取Δω=100kHz；頻率帶寬Ω對成像方法的影響較大，本文取Ω=3MHz～7MHz，等于陣元輸出超聲脈沖的?6dB帶寬。研究了MF-TR-MUSIC成像方法的超分辨率特性和對噪聲的魯棒性，仿真

7、和實驗結(jié)果表明， MF-TR-MUSIC能夠區(qū)分鋼試塊內(nèi) Rd　　四、研究了陣列傳感器的相干點擴(kuò)散函數(shù)，提出了相位補償?shù)南辔幌喔蓵r間反轉(zhuǎn)多信號分類法PC-MUSIC，解決了TR-MUSIC成像縱向分辨率不高的問題，改善了超聲圖像質(zhì)量。定義了1-D線性陣列的相干點擴(kuò)散函數(shù)，