基于阵列A扫描信号的超声相控阵成像方法研究

分类号：TP391.4单位代码：10110学号：S20120580中北大学硕士学位论文基于阵列A扫描信号的超声相控阵成像方法研究硕士研究生_____刘凯__________指导教师_______王召巴__________学科专业___信号与信息处理_____年月日图书分类号__________TP391.4_______________密级非密UDC注1_______________________________________________________________硕士学位论文基于阵列A扫描信号的超声相控阵成像方法研究刘凯指导教师（姓名、职称）王召巴教授申请学位级别工学硕士专业名称信号与信息处理论文提交日期________年______月______日论文答辩日期________年______月______日学位授予日期________年______月______日论文评阅人___________________________________________________________答辩委员会主席_______________________年月日注1：注明《国际十进分类法UDC》的分类原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：中北大学学位论文基于阵列A扫描信号的超声相控阵成像方法研究摘要超声相控阵检测成像技术通过对阵列换能器各阵元进行精确的相位控制，使得发射、接收的合成波束灵活可控，从而对机械结构及零部件进行全方位、多角度的声束扫查，成像结果直观的显现被检测对象内部性状。但我国对于超声相控阵技术的研究相比于国外差距很大，目前国内工业检测所用相控阵设备依赖于国外进口，高昂的价格严重制约了其在我国工业无损检测方面的应用。本文设计一套基于阵列A扫描的超声相控阵成像方案，该方案与超声相控阵设备检测成像的主要区别在于本方案对阵列A扫描信号进行后处理，虚拟延时接收，达到合成声束偏转的效果，再将不同偏转角度的信号扇扫成像，最终达到相控阵检测成像的效果。通过对该方案的研究，希望改善国内依赖从国外进口相控阵设备的现状，降低相控阵设备的制作成本。本方案通过N阵元的超声阵列换能器采集NN个A扫描信号，然后根据需要合成的偏转角度计算各A扫描信号的相位差，把原本同时接收的A扫描信号进行平移，虚拟接收延时，从而实现接收偏转。最后将不同偏转角度的合成A扫描信号扇扫成像。针对采集阵列A扫描信号时采样频率低导致延时精度低、坐标变换后的扇扫图中缺陷内部色值连续性差、与缺陷边缘轮廓对比度低的问题，本文首先对阵列A扫描信号进行插值处理，提高采样频率，从而解决延时精度低的问题，提出一种新的图像处理方法—“基于阈值的矩阵窗内幅值均匀化图像后处理方法”，将B扫描图像经过该方法处理后，解决了图像中缺陷内部色值连续性差、与缺陷边缘轮廓对比度低的问题，为后续对缺陷定量分析奠定了基础。最后，本文设计实验对提出的超声相控阵成像方案进行验证，并借助本实验室的超声相控阵设备进行了对比试件实验，通过对比结果的分析，验证了本文提出的基于阵列A扫描的超声相控阵成像方法。中北大学学位论文关键词：阵列A扫描信号，超声相控阵，成像方法，图像处理中北大学学位论文ResearchonImagingMethodsforUltrasonicPhasedArrayBasedonArrayA-scanSignalsAbstractTheinspectionimagingtechnologyofUltrasonicPhasedArraymakebeam-formingwhichissendandreceivedbyarraytransducercontrolledflexiblethroughcontrolthephaseofeachelementaccurately,soastodetectthemechanicalstructureandcomponentswithall-round,multi-anglebeamscanning,theimagingresultsshowtheinternaltraitsintuitively.However,theresearchonUltrasonicPhasedArrayinourcountryhasabigdisparitywithothercountries.Atpresent,theequipmentofUltrasonicPhasedinourindustrialdetectionisimportedfromabroad,thehighpricerestrictitsapplicationinthefieldofindustrialnon-destructioninourcountry.Inthisdissertation,wedesignanUltrasonicPhasedArrayimagingschemewhichbasedonarrayA-scansignals.ThisdifferenceinthisschemeandtheUltrasonicPhaseArrayequipmentisthat,thisschemeimitatesdelayreceivingthrougharrayA-scansignalspostprocessed.Toachievetheeffectofbeam-formingdeflection,thencombinethedifferentdeflectionanglesignalstoS-scanimagingandtoachievetheeffectofphasedarraydefective..Aftertheresearchofthescheme,wehopetoimprovethesituationthattheuseofUltrasonicPhasedArraydependsonimportingfromabroadinourcountryandreducethecostoftheequipment.TheschemeacquiresN*NA-scansignalsviaaultrasonicarraytransducerwhichhasNelements,andthencalculatethedifferenceofphaseofeachA-scansignalsaccordingtothedeflectionangleofbeam-forming,thentranslateeachA-scansignalstoimitatethedelayofsignalreceived,sothatgettheeffectofdeflection.Intheend,combinethedifferentdeflectionbeam-formingtoS-scanimaging.中北大学学位论文Aimedatthelowdelayprecisionbecauseoflowsamplingfrequency,thecolorcontinuityindefectionispooraftercoordinatetransformation,thisdissertationfirsttoA-scansignalinterpolationprocessing,improvethesamplingfrequency,soastosolvetheproblemoflowprecisionoftimedelay,thenputforwardtoanewmethodofimageprocessing—“ResearchonImagingMethodsforUltrasonicPhasedArrayBasedonArrayA-scanSignals”,aftertheprocessofB-scanimaging,thequestionofdefectionofpoorcontinuityissolved,laidthefoundationforthefollow-upofquantitativeanalysisofthedefection.Atlast,thedissertationdesignstheexperimenttoverifytheUltrasonicPhasedArrayimagingscheme,anddesignacomparativeexperimentwiththehelpofultrasonicphasedarrayequipmentofthelaboratory,bycomparingtheresults,verifytheimagingmethodsforultrasonicphasedarraybasedonarrayA-scansignalsisproposedinthispaper.Keywords:ArrayA-scansignals,UltrasonicPhasedArray,Imagingmethods,ImageProcessing中北大学学位论文I目录第一章绪论1.1课题的研究背景及意义............................................11.2国内外现状及发展趋势............................................21.4本文主要研究内容................................................4第二章超声相控阵检测成像原理2.1相控阵换能器....................................................62.2相控发射与相控接收..............................................72.3相控阵延时法则的计算原理........................................92.4超声相控阵检测成像方式.........................................122.5本章小结......................................................15第三章阵列A扫描信号相控阵成像方法研究3.1阵列A扫描信号的采集原理.......................................163.2基于阵列A扫描信号合成声束偏转.................................173.2.1合成声束左偏的延时计算方法..................................193.2.2合成声束右偏的延时计算方法..................................203.3基于阵列A扫描信号实现B扫成像.................................213.4B扫成像到扇扫图的变换.........................................233.5本章小结......................................................28第四章延时精度提高及图像