混凝土超聲檢測中陣列合成孔徑聚焦算法研究

【摘要】隨著社會的進步，電子計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，對于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部探測已經(jīng)成為當前研究的一個熱點。混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜、探頭耦合、檢測信號的發(fā)射與提取以及后期的信號分析與處理等問題都成為混凝土探測的研究難點，而且對于大面積混凝土檢測的效率問題也有待于解決。所以需要找到一種行之有效的方法來解決其中的一些關(guān)鍵問題來提高混凝土探測的分辨率和效率。本文引入陣列合成孔徑聚焦算法的研究，相信它能解決以上諸多問題。

【關(guān)鍵詞】分辨率 陣列 SAFT 探頭聚焦 超聲脈沖 陣列SAFT算法

一、檢測分辨率

無論是超聲成像，還是在雷達中，基本目的都是確定目標的空間位置。體積目標界面各點的空間信息了解以后，就可以轉(zhuǎn)換為用人眼可見的物體圖像顯示在屏幕上，所成圖像的清晰程度與成像系統(tǒng)對相鄰的兩個或幾個點目標的分辨能力有關(guān)。統(tǒng)對在同一方向，不同距離上的兩個目標的分辨稱為深度分辨；對在同一距離，不同方向上的兩個點目標的分辨稱為橫向分辨或側(cè)向分辨。成像系統(tǒng)的分辨能力越高，則可以把靠得越近的兩個點目標分辨開，這樣所成的圖像細節(jié)就越容易辨認，也即圖像清晰度越高。

二、陣列SAFT探頭聚焦算法原理

與傳統(tǒng)雙探頭合成孔徑聚焦成像相比，采用線形陣列探頭又有了新的特點。提出的線形陣列探頭的工作方式是陣列中的每個探頭輪流做發(fā)射探頭，其他的探頭都當做接收探頭，然后分別收集每個接收探頭上采集的數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機進行進一步的成像處理。若由 6 個探頭組成的線形陣列在進行探測時，會在探測結(jié)構(gòu)體中充分形成9條獨立的A掃孔徑線，相應(yīng)的若由k個探頭所組成的線形陣列，會在探測結(jié)構(gòu)體中充分形成2k-3條獨立的A 掃孔徑線，。由于探頭固定擴散角的原因，假設(shè)反射點 P 只能被陣列中的n個探頭探測到，且n≤k。P點到探測表面的垂直距離為R。

由于P點只能被陣列中n個探頭探測到，探測體內(nèi)就會有2n-3條獨立的有效孔徑掃查線。P點到這n個探頭發(fā)射點的距離ri 是變化的，如公式所示：

ri= （i=1，2，...，n）

式中di為這n個探頭到P點的橫向距離。由于線型陣列探頭的結(jié)構(gòu)特點，P點反射信號在陣列各有效孔徑信號中的實際聲程Sm 也是變化的，可用公式表示：

其中m=1，2，...，（2n-3）

式中m表示各有效孔徑信號的序號，Sm 隨著 m 值為奇數(shù)值或偶數(shù)值的差異表現(xiàn)出不同的遞推關(guān)系。但是點 P 在各個有效孔徑檢測信號中反射回波達到時刻tm也不同，可以表示為：

線形陣列探測中的重建過程可通過公式所示進行聚焦：式中Sm當P點位于奇數(shù)值有效掃描孔徑線上時為Sm’；當P點位于偶數(shù)值有效掃描孔徑線上時就為Sm\"。V表示混凝土中的平均聲速。點P在線形陣列探測中的重建過程可通過公式所示進行聚焦：

式中F(tm)為第m個有效孔徑信號中點P的回波；S為點P的重建信號。按照上述陣列SAFT算法，采用線形陣列探頭可對混凝土結(jié)構(gòu)中其他任意反射點進行有效聚焦。

三、陣列SAFT算法理論推導(dǎo)

（一）成像情況分析

如下圖，以缺陷點位于陣列中第5條掃描線上的情況為例進行分析，假設(shè)第5條掃描線上的缺陷點為圖中交點，位于其它奇數(shù)值掃描線上的情況類似。第5條掃描線主要是由3號探頭和4號探頭探測形成的A掃孔徑線，它左邊的第4條掃描線主要是由2號探頭和4號探頭探測形成的A掃孔徑線，它右邊的第6條掃描線主要是由3號探頭和5號探頭探測形成的A掃孔徑線。現(xiàn)在說明這3個孔徑信號的聚焦原理，如何把缺陷信號疊加到其所在的第5條掃描孔徑線上。

（二）奇數(shù)值掃描線合成孔徑聚焦算法推導(dǎo)

這3個孔徑的合成聚焦處理，就是把第4條掃描孔徑線和第6條掃描孔徑線上相應(yīng)位置的缺陷信號按距離修正并疊加求平均到第5條掃描孔徑線上相應(yīng)位置的缺陷信號上去，重建成像區(qū)域的信號反射圖。這3個孔徑中相應(yīng)缺陷回波信號聲程幾何關(guān)系如下圖所示。假定線形陣列中各個探頭的直徑都為20mm。

假設(shè)第5條掃描線信號中開始出現(xiàn)缺陷點反射回波時，該時刻對應(yīng)的已采樣點數(shù)為n。

最終得出：

上述式中 a—第5條掃描線上缺陷信號聲程的一半;

V—聲波在混凝土中傳播時的平均聲速；

n—采樣點數(shù)；

tcy—采樣時間；

N—采樣延遲點數(shù)。

四、結(jié)束語

本文首先闡述了分辨率，然后根據(jù)陣列SAFT探頭聚焦原理提出一種具有更高成像分辨率的陣列SAFT算法。該方法不僅采集每相鄰探頭間形成的掃描孔徑信號，同時也采集每相隔探頭間形成的掃描孔徑信號，最大限度增加進行陣列據(jù)融合處理的有效數(shù)組維數(shù)，再配合有效的信號處理方法濾除結(jié)構(gòu)噪聲和表面直達波幅度，理論上可對結(jié)構(gòu)內(nèi)反射點具有快速、更高分辨率的成像效果。

參考文獻：

[1]沈建中.超聲成像技術(shù)及其在無損檢測中的應(yīng)用.無損檢測，vol.16，No.7，July 1996，pp.202-206.

[2]孫寶申，張凡，沈建中.合成孔徑聚焦聲成像時域算法研究.

[3]李秋鋒，石立華，梁大開.基于合成孔徑聚焦技術(shù)的混凝土斷面二維成像方法研究[J].聲學(xué)學(xué)報，2008，4(33).