超聲相控陣成像仿真系統(tǒng)研制

楊先明，郭 艷，王海濤，郭瑞鵬，沈立軍

（1.煙臺富潤實業(yè)有限公司，煙臺 264670；2.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210016）

隨著超聲檢測仿真技術(shù)可靠性的不斷提高，其重要性受到了人們的廣泛關(guān)注，其應(yīng)用范圍也從原來的檢測結(jié)果分析、性能驗證，逐步擴(kuò)展到檢測系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化、虛擬檢測等領(lǐng)域［1－2］。超聲相控陣成像仿真就是利用計算機(jī)強(qiáng)大的信息處理功能，以相控陣檢測理論模型為基礎(chǔ)，仿真超聲聲場在介質(zhì)中的傳播及其與缺陷的相互作用，人機(jī)交互式地進(jìn)行檢測參數(shù)優(yōu)化，為工程設(shè)計人員提供具有較高價值的參考。

Matlab集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，包含大量功能強(qiáng)大的函數(shù)可供調(diào)用，可大大加快軟件開發(fā)的效率。但是Matlab是一種解釋性語言，執(zhí)行效率比較低，且不能與硬件底層進(jìn)行直接操作。與此相反，VC＋＋可以方便地進(jìn)行硬件控制，具有強(qiáng)大的界面編程功能，程序執(zhí)行速度快?；诖?，筆者充分利用Matlab與VC＋＋各自的優(yōu)點，通過 VC＋＋調(diào)用 Matlab［3－4］引擎方式，開發(fā)了一套超聲相控陣成像仿真系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

首先設(shè)置相控陣探頭參數(shù)，接著模擬被檢試件中的缺陷，建立仿真環(huán)境，以仿真超聲檢測過程，即探頭發(fā)射超聲波、超聲波在工件中傳播并與缺陷相互作用產(chǎn)生回波信號、回波信號被探頭接收后經(jīng)一系列信號處理過程最終得以圖像形式顯示。

超聲成像系統(tǒng)的仿真分為三大模塊，分別為：探頭參數(shù)設(shè)置模塊、缺陷參數(shù)設(shè)置模塊、仿真成像模塊，如圖1所示。各模塊彼此相互獨立，分別完成一定的功能。從方便用戶的角度出發(fā)，仿真系統(tǒng)采用多層次的分級模塊驅(qū)動形式，首先在可視化交互式的軟件主界面上，選擇進(jìn)入各功能子模塊，在每一個功能子模塊下，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、程序運行、返回上級模塊等操作。

圖1 超聲相控陣成像仿真系統(tǒng)

系統(tǒng)架構(gòu)采用VC＋＋6.0的對話框結(jié)構(gòu)，由對話框類以成員變量的形式來保存探頭參數(shù)、缺陷參數(shù)以及掃描聚焦方式等，而以.mat的數(shù)據(jù)格式存儲A掃描回波數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 探頭參數(shù)設(shè)置模塊

探頭參數(shù)設(shè)置模塊完成仿真探頭參數(shù)設(shè)置，包括：陣元個數(shù)、陣元寬度、陣元高度、陣元間距、探頭中心頻率以及聲速等。超聲相控陣的聲場特性關(guān)系到缺陷的定位定量以及檢測精度和靈敏度，了解聲場結(jié)構(gòu)及分布特征對于提高檢測可靠性、準(zhǔn)確性以及提高檢測效率都起著至關(guān)重要的作用［5－6］。因此模塊加入了探頭性能分析功能，完成探頭顯示、探頭在直角坐標(biāo)系或極坐標(biāo)系下的指向性分析以及探頭聲場聲壓的二維、三維顯示。下面論述超聲相控陣探頭聲場聲壓及指向性仿真理論基礎(chǔ)。

超聲相控陣探頭的幾何參數(shù)如圖2所示，在p（r，θ，t）處產(chǎn)生的聲壓為：

式中：a為陣元寬度；d為陣元間距；N為陣元數(shù)；ω為角頻率；p0為線元在單位距離上產(chǎn)生的聲壓；k為波數(shù)；Δtn為第n個陣元的延遲時間。

圖2 相控陣陣列聲場計算

根據(jù)軟件界面上用戶輸入的探頭參數(shù)和公式（1），可以在無限大超聲聲場空間中求出有限區(qū)域內(nèi)有限個點的聲壓值，并以矩陣形式存儲，然后以圖像形式輸出顯示，此時就可完成探頭聲壓分析功能。

線形矩形相控陣的聲壓指向性函數(shù)為［7］：

式中：a，b分別為陣元在x方向和y方向的寬度；θ1為聲束在xOz平面上的投影與z軸的夾角；θ2為聲束在yOz平面上的投影與z軸的夾角；k為波數(shù)。

同理，根據(jù)用戶輸入的探頭參數(shù)及公式（2）可以求出相控陣探頭各方向的指向性，并以圖像形式輸出。如圖3和4所示為探頭參數(shù)設(shè)置模塊運行界面，其中用戶輸入相控陣探頭參數(shù)為：陣元個數(shù)16，中心頻率4MHz，陣元寬度0.45mm，陣元間隙0.05mm，聲速5 920m／s。圖3為探頭偏轉(zhuǎn)30°時的指向性圖，圖4為探頭聚焦在40mm處的聲場聲壓界面。通過以上對聲場聲壓及指向性的仿真顯示，可以很直觀地看到各種不同探頭的聲場分布情況。

圖3 探頭參數(shù)設(shè)置模塊探頭指向性

圖4 探頭參數(shù)設(shè)置模塊探頭聲壓分布

此外，還可以通過人機(jī)界面改變各探頭相關(guān)參數(shù)，觀察聲場聲壓及指向性變化，分析和研究各參數(shù)對聲場的影響，為在超聲檢測過程中探頭各項參數(shù)的選擇提供參考。

2.2 缺陷參數(shù)設(shè)置模塊

缺陷參數(shù)設(shè)置模塊主要任務(wù)有兩項：

（1）模擬缺陷?？赡M兩種缺陷：點缺陷和體積缺陷。點缺陷為與被檢試件聲阻抗不同的一點；體積缺陷為與被檢試件聲阻抗不同的一空間區(qū)域，在這一空間區(qū)域取為圓柱形通孔，用隨機(jī)分布在圓柱形通孔內(nèi)的離散點表示?？梢栽谌毕菰O(shè)置模塊界面上點擊添加點缺陷，輸入點缺陷名稱、位置信息，如圖5所示。在缺陷設(shè)置模塊界面上點擊添加體積缺陷，輸入體積缺陷的名稱、半徑及位置信息，如圖6所示。

（2）設(shè)置檢測參數(shù)。包括：聚焦方式、掃描方式設(shè)置。其中聚焦方式又包括單點聚焦、接收動態(tài)聚焦、動態(tài)聚焦及變孔徑聚焦；掃描方式包括B掃描和S掃描。如圖7所示為缺陷設(shè)置模塊運行界面。

圖5 添加點缺陷

圖6 添加體缺陷

圖7 缺陷設(shè)置模塊運行界面

2.3 缺陷成像模塊

在已有的超聲成像系統(tǒng)仿真方案中，field II是現(xiàn)今在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界廣泛應(yīng)用的聲場仿真程序，其可以產(chǎn)生在多種陣列條件下的仿真聲場及陣列的接收信號。因此出于仿真發(fā)射聲場與缺陷相互作用的復(fù)雜度和field II權(quán)威性的考慮，模塊采用field II來完成陣列探頭的掃描控制與缺陷回波的產(chǎn)生。具體工作過程為：根據(jù)用戶設(shè)定的探頭參數(shù)、缺陷參數(shù)及聚焦掃描方式等來初始化field II；然后由field II通過在不同的接通陣元施加具有不同延遲時間（由聚焦法則界定）的電激勵信號，產(chǎn)生超聲束進(jìn)入被檢試件；經(jīng)缺陷散射，被探頭各陣元接收并轉(zhuǎn)化為電信號；對所有陣元所接收的電信號再施加相應(yīng)延時并求和，就形成一條A掃回波信號。通過持續(xù)移動接通陣元，便會形成一組A掃回波信號，這些回波信號以.mat文件格式存儲在計算機(jī)上，再經(jīng)包絡(luò)檢波、對數(shù)壓縮［8］、DSC變換等一系列信號處理過程將圖像還原出來。

利用離散希爾伯特變換的方法對A掃描線進(jìn)行包絡(luò)提取，目的是提取回波信號的幅度信息，形成A掃描包絡(luò)文件。由于缺陷的反射、散射等，導(dǎo)致回波信號具有較大的動態(tài)范圍，因此將回波信號進(jìn)行對數(shù)壓縮以使其可以在顯示器中顯示。最后利用數(shù)據(jù)插補(bǔ)填充、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等將A掃圖像合成B掃或S掃圖像。如圖6所示，在x坐標(biāo)分別為：－10，－5，0，5，10mm，z坐標(biāo)分別為30，40，50，60，70mm 處設(shè)置了5個半徑為1mm的通孔。圖8為所設(shè)置缺陷的B掃描成像圖，聚焦方式選擇動態(tài)聚焦。

如圖9所示，在x坐標(biāo)分別為：－10，－5，0，5，10mm，z坐標(biāo)分別為30，35，40，45，50mm 處同樣設(shè)置了5個半徑為1mm的通孔。圖9為所設(shè)置缺陷的S掃成像圖，聚焦方式同樣選擇動態(tài)聚焦。

3 結(jié)語

在明確超聲相控陣檢測成像原理及過程的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一款針對超聲相控陣檢測系統(tǒng)的仿真軟件。將仿真系統(tǒng)分為探頭參數(shù)設(shè)置、缺陷參數(shù)設(shè)置及仿真成像三大模塊。在探頭參數(shù)模塊，可仿真顯示相控陣探頭的聲場聲壓分布及其指向性特性，通過人機(jī)界面改變各探頭相關(guān)參數(shù)，觀察聲場聲壓及指向性變化，可分析研究各參數(shù)對聲場的影響。在仿真成像模塊，利用field II，建立相控陣探頭聲場與缺陷相互作用的模型和缺陷回波的計算模型；仿真缺陷試塊的相控陣超聲成像檢測過程，并通過對回波信號包絡(luò)提取、對數(shù)壓縮、DSC變換等一系列信號處理過程將缺陷圖像還原出來。

［1］ 張偉志，剛鐵，王軍.超聲波檢測計算機(jī)模擬和仿真的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2003，22（3）：39－42.

［2］ 陳建忠，史耀武.超聲檢測過程的數(shù)值模擬［J］.無損檢測，2001，23（5）：198－201.

［3］ MathTools Ltd.MathTools Function Reference Guide［EB／OL ］. http：／／wenku. baidu. com／view／cda450383968011ca300919a.html.

［4］ 張亮，王繼陽.MATLAB與C／C＋＋混合編程［M］.北京：人民郵電出版，2008.

［5］ Shi－Chang Wooh，YijunShi.Optimum beam steering of linear phased arrays［J］.Wave Motion，1999（29）：245－265.

［6］ LIN Y，DODSON J M，HAMILTON J D，et al.Theory and experiment for the design of piezoelectric element for phased arrays［C］.Ontario，Canada：Proceedings of 1997IEEE Ultrasonics Symposium，1997.1697－1700.

［7］ 馮若.超聲診斷設(shè)備原理與設(shè)計［M］.北京：中國醫(yī)藥科技出版社，1993.

［8］ 馮若，姚錦鐘，關(guān)立勛，等.超聲手冊［M］.南京：南京大學(xué)出版社出版，1999.