基于超聲相控陣的水下船體表面成像方法研究

葉曉同，趙 鵬，鄭 珂，王月兵，鄭慧峰

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

1 引 言

目前，每天的活躍船舶數(shù)量平均為數(shù)十萬艘。如此多的船舶在河流、海洋中行走難免會碰到一些暗礁或者附著一些藻類貝類生物，對水下船體造成損傷[1]。如果不及時發(fā)現(xiàn)、檢修，將會對船上的人員貨物造成無法估量的損失。由于水體的吸收和散射作用，傳統(tǒng)基于電磁波的船體成像方法作用距離非常有限[2]，存在局限性。而超聲波作為一種探測手段，因其具有在水下遠(yuǎn)距離傳播的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于水下物體成像[3]。

在超聲成像應(yīng)用中，張鐵棟等利用單波束前視聲吶實現(xiàn)了對水下場景的三維重建[4]；Sabo等利用合成孔徑聲吶對海底斷層進(jìn)行成像[5]；王愛學(xué)等使用單波束側(cè)掃聲吶對水下地形進(jìn)行重建[6]。由于上述幾種成像方法都是使用單探頭，只能通過移動探頭來提高成像性能，使用不方便且成像分辨率不足，因此無法應(yīng)用于水下船體表面成像。之后董慶亮等在分析側(cè)掃聲吶和多波束測深系統(tǒng)的特點后，提出了側(cè)掃聲吶和多波束測深系統(tǒng)結(jié)合的方法增強(qiáng)聲吶成像質(zhì)量[7];在此基礎(chǔ)上易媛媛等設(shè)計了一種以多波束聲納系統(tǒng)為核心的船舶底部安全檢測裝置，實驗結(jié)果表明該裝置初步具有三維圖像識辨功能[8];之后陳孟君等將多波束聲吶應(yīng)用于水下船體成像，得到了船底三維圖像，但成圖效果較差[9]。此外多波束聲吶往往需要通過國外途徑購置，經(jīng)濟(jì)成本高昂，并且探測精度也越來越無法滿足當(dāng)前水下探測要求，迫切需要一種新的成像方法。

超聲相控技術(shù)無需通過機(jī)械移動換能器即可實現(xiàn)空間區(qū)域的大范圍掃描，且可有效地調(diào)節(jié)聲波信號的輻射和聲波聚焦位置等聚焦參數(shù)[10]，在一定程度上可提高超聲檢測成像的空間分辨率[11]。為此，本文提出一種基于超聲相控陣技術(shù)的水下物體成像方法，利用超聲陣列換能器對物體進(jìn)行掃描，實現(xiàn)水下船體表面的三維成像。

2 基本原理

2.1 超聲陣列換能器聲場特性

對于超聲陣列換能器，利用惠更斯原理，將陣列中每個陣元看作獨立聲源，分別求出每個陣元對聲場的貢獻(xiàn)，再疊加起來，就可以得到整個陣列聲場空間中任意位置的聲壓值。

超聲陣列換能器單個陣元在空間中任意P點產(chǎn)生的聲壓為：

(1)

式中：ω為角速度；k為聲波波數(shù)；ρ為介質(zhì)密度；u0為換能器輻射面中心處的振速；m=1,2,…,M；n=1,2,…,N，即將單個陣元劃分為M·N個微元；rm,n為輻射平面內(nèi)第M·N個微元與聲場中任意觀察點之間的距離。

那么，整個超聲陣列換能器的聲場是各陣元聲場的疊加，即

(2)

2.2 超聲相控陣原理

將超聲相控陣列視為相干聲源，當(dāng)輸入激勵信號時，由于干涉現(xiàn)象的存在，聲波在空間相互疊加，形成波陣面。在波陣面上，相位相同的聲波疊加，振動加強(qiáng)；相位相反的聲波疊加，振動減弱。因此控制各陣元晶片輻射聲波的發(fā)射時延，可形成具有聚焦或偏轉(zhuǎn)特性的聲場[12]。通過改變相位延遲，實現(xiàn)聚焦位置的更變，實現(xiàn)查掃功能。如圖1所示為改變焦點位置至P點時聲束偏轉(zhuǎn)聚焦的幾何示意圖。

圖1 相控聲束偏轉(zhuǎn)聚焦示意圖Fig.1 Schematic diagram of deflection focusing of phased array sound beam

以陣列中心O作為參考點，當(dāng)振元數(shù)N為奇數(shù)時，中心陣元到第n個陣元的距離為：

(3)

第n個陣元到焦點P的距離為：

(4)

則中心陣元和第n個陣元間的聲程差為：

ΔSn=F-L

(5)

可以得出中心陣元與陣元n之間的時延差為：

(6)

式中：n=1,2,…,N-1；F為焦距；d為相鄰陣元中心間距；θ為聲束偏轉(zhuǎn)角；c為聲速。

N為偶數(shù)時，陣列中心到第n個陣元的距離為(n-(N-1)/2)d，與N為奇數(shù)時相等，因此，N無論為奇數(shù)或偶數(shù)時各陣元的時延均可通過式(6)求得。

2.3 成像原理

利用超聲相控陣技術(shù)實現(xiàn)聲束聚焦，當(dāng)船體位于聚焦區(qū)域內(nèi)時聲束會發(fā)生強(qiáng)散射，散射聲波被換能器接收，如圖2所示，兩個接收振元O1、O2分別接收來自同一反射點Q(x,y,z)的回波信號，以換能器陣列中心作為空間坐標(biāo)原點，兩接收陣元與X軸的空間距離分別為d1和d2；掃描點Q(x,y,z)與兩個接收端的距離分別為L1和L2。

圖2 掃描陣元與掃描點空間幾何關(guān)系Fig.2 Geometric relationship between scanning array elements

根據(jù)圖2所示的幾何關(guān)系，在YOZ平面中，分別以O(shè)1、O2為圓心，L1、L2為半徑畫圓，當(dāng)兩圓的圓心距D滿足條件：|L1-L2|

(7)

因為兩圓相交有兩個交點，并且聲波是沿Z軸正方向傳播，因此，這里取Z正方向的交點，即掃描點的空間位置坐標(biāo)Q(y,z)兩坐標(biāo)值為正。

由于所用為一維陣列換能器，只能實現(xiàn)YOZ平面的相控掃描，因此掃描點Q的x坐標(biāo)值與初始原點O處相同，在完成一條掃描線相控掃描后，需要在x方向機(jī)械移動換能器陣列，移動后x值即為該掃描線x值，通過移動換能器即可實現(xiàn)空間二維掃描。

3 換能器測試

換能器的性能對成像效果有直接的影響[13]，因此在進(jìn)行成像實驗前需對換能器性能進(jìn)行測試。在設(shè)計換能器時依據(jù)文獻(xiàn)[13]所得結(jié)論，在保證換能器焦域覆蓋范圍與軸向徑向分辨率的條件下，則應(yīng)選擇頻率較高且陣元中心距較大的探頭。實驗使用的換能器陣列由32片壓電陶瓷片構(gòu)成，其中每個陣元都可以用來發(fā)射聲波信號，同時第4、12、20、28陣元可以用來接收回波信號，4個接收振元兩兩組合后依據(jù)式(7)得出6組掃描點空間坐標(biāo)，取平均值以提高精度。每個陣元寬度為3.6 mm，長度為120 mm，相鄰陣元中心間距為4 mm，陣列的工作頻率f=500 kHz。介質(zhì)聲速c=1 480 m/s，介質(zhì)密度ρ=1 000 kg/m3，質(zhì)點振速u0=0.016 m/s。由于一維線型超聲陣列換能器只能在一個方向聚焦，為了提高換能器聚焦性能，在換能器陣列前端加裝曲率半徑為450 mm的聲透鏡，實現(xiàn)在換能器寬度方向自聚焦，焦距為800 mm。

依據(jù)式(6)計算出相控時延分別控制聲束匯聚在距換能器表面800 mm，相控偏轉(zhuǎn)-100、-50、0、50、100 mm的地方，使用水聽器對焦點處X軸、Y軸的聲壓進(jìn)行掃描，將水聽器測試得到的實測結(jié)果與利用式(1)在相同偏轉(zhuǎn)位置處得到的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3、圖4所示。比較圖3與圖4，與仿真結(jié)果相比，實測結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢基本一致，換能器具有良好的聚焦效果。

圖3 換能器焦平面各偏轉(zhuǎn)方向?qū)崪y聲壓Fig.3 Actual sound pressure measured at different deflection directions on the focal plane of the transducer

圖4 換能器焦平面各偏轉(zhuǎn)方向仿真聲壓Fig.4 Simulating sound pressure in different deflection directions on the focal plane of the transducer

表1與表2給出了實測與仿真情況下的主瓣最大聲壓值下降6 dB的主瓣寬度和主瓣高度。

表1 各偏轉(zhuǎn)方向?qū)崪y聲壓數(shù)據(jù)Tab.1 Measured sound field data in different deflection directions

由表1和表2可見，兩個方向的實測主瓣寬度略大于仿真結(jié)果，主瓣寬度較窄，具有良好的成像分辨率。

同時對換能器聲束聚焦在距換能器表面800 mm、無偏轉(zhuǎn)時聲軸方向上的聲壓進(jìn)行測試，并與仿真結(jié)果對比，結(jié)果如圖5所示。

表2 各偏轉(zhuǎn)方向仿真聲場數(shù)據(jù)Tab.2 Simulated sound field data in different deflection directions

圖5 聲軸方向仿真與實測聲壓Fig.5 Simulated and measured sound pressure in the direction of the sound axis

以聲壓最大值降低一半的范圍作為有效聚焦區(qū)域，由圖5可知此換能器有效聚焦區(qū)域為距換能器600～1 250 mm的地方，其中800 mm處為焦點所在。在此區(qū)域內(nèi)換能器聚焦效果較好，經(jīng)被測物體散射后回波信噪比最高。

4 成像測試與結(jié)果分析

為了驗證成像結(jié)果，搭建了如圖6所示實驗系統(tǒng)，以木質(zhì)船模作為成像物體，對一側(cè)水下船體進(jìn)行掃描。系統(tǒng)主要由超聲陣列換能器、被測船模、固定裝置、牽引裝置、超聲相控陣收發(fā)系統(tǒng)和上位機(jī)組成。上位機(jī)控制超聲相控陣收發(fā)系統(tǒng)發(fā)出正弦脈沖信號激勵換能器發(fā)出超聲波，超聲波信號在經(jīng)過船模散射后被換能器接收，經(jīng)超聲相控陣收發(fā)系統(tǒng)傳送至PC機(jī)顯示。超聲陣列換能器通過硬連接固定在牽引裝置上，被測船模成像面放置在換能器有效聚焦范圍內(nèi)，本實驗中為800 mm左右的地方。

圖6 測量系統(tǒng)Fig.6 Test system

設(shè)備搭建完成后，控制超聲陣列換能器進(jìn)行相控掃描。在掃描時設(shè)置每條掃描線40個掃描點，相鄰掃描點間距為2 mm，單條掃描線長為80 mm；在一條剖面線掃描完成后利用牽引裝置將換能器運動一段距離，移動步進(jìn)距離為5 mm，移動次數(shù)200步。即在80 mm×1 000 mm的掃描范圍內(nèi)掃描8 000個點。掃描的范圍如圖7(a)所示，圖示部分為實際被測面，同時將掃描得到的各個點的數(shù)據(jù)繪制成圖7(b)所示的點云圖。

圖7 對比圖Fig.7 Compare photos

對所得到的點云數(shù)據(jù)首先進(jìn)行中值濾波剔除奇異點[14]，之后利用三次樣條插值對數(shù)據(jù)缺失部分進(jìn)行填補(bǔ)，最后利用LaBVIEW附帶的3D Vision工具包用處理后的點云數(shù)據(jù)重構(gòu)出被側(cè)面三維模型，如圖8所示。為了對重構(gòu)模型進(jìn)行誤差分析，需要得到被側(cè)面真實三維模型，因此利用海克斯康公司的型號為Global Classic 9158的橋式三坐標(biāo)測量機(jī)對小船模型測量面進(jìn)行三維坐標(biāo)掃描，將三坐標(biāo)機(jī)獲取的點云數(shù)據(jù)作為被測面真實三維模型，如圖9所示。

圖8 測試三維模型Fig.8 Testing 3D models

圖9 原始三維模型Fig.9 Original 3D model

(8)

5 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)水下船體表面成像設(shè)備成本較高、成像誤差較大的問題，本文研究了利用超聲陣列換能器成像的方法。基于超聲相控陣技術(shù)，利用超聲陣列換能器對水下船體進(jìn)行掃描，通過散射回來的回波信號，獲取水下物體的空間坐標(biāo)信息，實現(xiàn)了水下船體表面的掃描成像，且具有較高的成像分辨率。

對于本文所用的一維超聲陣列換能器，目前只能實現(xiàn)一個方向的相控掃描，還需要借助行走機(jī)構(gòu)實現(xiàn)二維掃描，在機(jī)械行走時花費了大量時間，因此接下來可設(shè)計成二維線陣換能器，實現(xiàn)兩個方向的相控掃描，提高水下船體三維空間聚焦掃描成像的速度與精度。