專利名稱：矢量相控陣超聲檢測參數(shù)優(yōu)化方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超聲波檢測技術，尤其是相控陣超聲檢測方法。
技術背景超聲檢測時往往需要對物體內(nèi)某一區(qū)域進行成像，為此，必須進行聲束掃 描。常歸目控陣超聲檢測是通過控制換能器陣中各個陣元激勵(或接收)脈沖的 時間延遲，改變由各陣元發(fā)射(或接收)聲波到達(或來自)物體內(nèi)某點時的相位 關系，實現(xiàn)聚焦點和聲束方位的變化，從而完成相控波束合成，形成成像掃描 線技術，原理如圖1所示。相控陣超聲檢測成像的分辨率是檢測成像的重要指標，是衡量系統(tǒng)檢測能 力的重*據(jù)，因此也是國內(nèi)外相控陣研究者不懈努力追求的目標。對比度分辨率表征檢測成像中缺陷與背景在色彩上的最小差異，是圖像上 能夠檢測出的回波幅度的最小差別，該指標越好，圖像越細膩柔和，細節(jié)信息 越豐富。軸向分辨率表征空間軸向辨別兩個目標的能力。在回波信號形狀上我們可以將軸向分辨率理解為在系統(tǒng)的沖激響應條件下，實際回波信號經(jīng)過 HILBERT變換后時域上信號(波形包絡)的-3dB或-6dB寬度。聚焦聲場中的主瓣高度直接影響著相控成像的對比度分辨率。所以我們以 主瓣高度作為目標函數(shù)對矢量相控陣激勵脈沖中相位、頻率進行優(yōu)化。發(fā)明內(nèi)容解決問題矢量相控陣超聲檢測是對常贈目控陣超聲檢測的進一步發(fā)展和 完善。但險測過程中矢量脈沖激勵信號的頻率和相位的選擇，對檢測分辨率有重要影響，所以矢量參數(shù)的優(yōu)化成為矢量相控陣超聲檢測實現(xiàn)的必要步驟。本 發(fā)明的目的就是提供一種矢量相控陣超聲檢測參數(shù)優(yōu)化的新方法。技術方案為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明特提出以下技術方案 矢量相控陣超聲波檢測技術，就是利用不同頻率、相位的矢量脈沖超聲波在空間的非相干疊加來實現(xiàn)聚焦和偏轉(zhuǎn)。根據(jù)設定的偏轉(zhuǎn)方向及聚焦點，以聚焦聲壓強度做為優(yōu)化的目標函數(shù)，對矢量相控陣參數(shù)頻率和相位按照K-T條件用最速下降法結(jié)合Armi jo線搜索方法進行尋優(yōu)。技術效果由于目標函數(shù)中具有波動特征，故應該存在有很多的局部極大 點，根據(jù)算法的實踐來看，根據(jù)仿真結(jié)果和工程經(jīng)驗給出一個較好的初始點， 即可快速求解得到的一般是全局極大點對應的二維(頻率和相位)矢量。相對于遺傳、模擬退火算法等隨機型的算法而言，目前的算法屬于確定型 的算法，即每次迭代都會產(chǎn)生確定的下降量，結(jié)果可靠，而且計算速度快。
具體實施方式
考慮由N個點陣元組成的任意形狀的陣列在場點處聚焦，如圖2所示。對 于聚焦點，第i個陣元的聲壓^^式如下<formula>formula see original document page 4</formula> (d)式中《第i個陣元在聚焦點的聲壓，i^聲壓幅值，p材料密度， c聲速，y;聲波頻率，c陣元到焦點距離，w,陣元振幅，a,衰 減系數(shù)，cc。散射衰減系數(shù)，《,吸收衰減系數(shù)，/t,波數(shù)，伊,相位， M陣元面積首先確定第i個陣元和聚焦點的位置"'；其次計算在該位置條件下由上式 (a) (b)得出聲壓幅值與頻率的關系；從中確定聲壓最大時對應的頻率乂；然后由上式(d)計算初始相位^。那么，在超聲相控陣中如果我們將控制陣列中各個陣元的頻率和相位使其滿足最佳條件，則可以獲取更大的陣列聚焦聲壓，從而 提高該場點的信噪比并改善成像的對比度分辨率。矢量相控陣可以數(shù)學描述為<formula>formula see original document page 5</formula>人由于任何形狀、大小的換能器，其有效振源表面可看作是許多點源組合而 成。每個小面積的超聲換能器都可以近似看作鑲在堅硬障板上的活塞振動源，因此聲場中任意點(XJ，Z)的聲壓P"，少,z)可以由以下積分求得J":所以對于實際聲場分布，也可以用上面數(shù)學模型式來研究矢量相控陣，但要注意此時參數(shù)對象是各個物理陣元，不是各個等效點源；也就是同一物理陣 元上的等效點陣源的頻率和初始相位應保持一致。我們以聚焦聲壓即主瓣高度作為目標函數(shù)進行矢量優(yōu)化，在空間點F的聚 焦聲壓為各點源輻射聲壓之和。P-S+尸2+L尸 =t《 由點源輻射公式分解得到e—(cos(A,' -0,Hsin(A:,, -心))焦點處聚焦聲壓幅值最大。對單源來說，最大幅值即: 對于N個點源的聲場疊加，任一點"，y，"e^處有<formula>formula see original document page 6</formula>矢量相控聚焦焦點F處聲壓幅值達到最大，故只要求解^^卩的最大值即<formula>formula see original document page 6</formula>注意上面的式子中<formula>formula see original document page 6</formula>原問題可以用如下的非線性優(yōu)化問題描述:<formula>formula see original document page 6</formula>其中:<formula>formula see original document page 6</formula>自變量為x = (/i，/2,A厶，"2，A夂)的2n維矢量。根據(jù)K-T條件，可得若x'為最優(yōu)解， 一定滿足如下的最優(yōu)性條件: <formula>formula see original document page 6</formula>即求解一個非線性互補問題<formula>formula see original document page 6</formula>即/ =[x' -"V/(x')]+ ，其中a為一正常數(shù)，[]+代表在正象限的投影。如果x' W 滿足最優(yōu)性條件，稱Z—穩(wěn)定點。鑒于目標函數(shù)的復雜性，考慮用最速下降法法求解。具體第k步的迭代公式為 A+i = [A k = O，l，L n其中《4="^>0， Z e(O，l)， "(0，l/2)為給定常數(shù)。^是滿足下式的第一個非負整數(shù)。/")--^ V/")具體算法如下Begin e = 10-8， Pl， k = 0， "-0-5， <r = 10-3， xi=;c°， Z為給定的初值。Step m=ldo while) - /(^ + r 4) ^ <sV/(& )r A 固+1end doA+i =[乂*if ll^+i-^ll" then stop else k=k+l go to Step End


圖l相控陣超聲檢測聚焦和偏轉(zhuǎn)圖2點陣元組成的任意形狀的陣列在場點F處疊加聚焦
權利要求
1、一種相控陣超聲波檢測技術，其特征是利用不同頻率、相位的矢量脈沖超聲波在空間的非相干疊加來實現(xiàn)聚焦和偏轉(zhuǎn)。
2、 如權利要求1所述的相控陣超聲波檢測技術，其特征是根據(jù)設定的 偏轉(zhuǎn)方向及聚焦點，以聚焦聲壓強度做為優(yōu)化的目標函數(shù)，對矢量相控陣參數(shù): 頻率和相位按照K-T條件用最速下降法結(jié)合Armi jo線搜索方法進行尋優(yōu)。
全文摘要
矢量相控陣超聲檢測是對常規(guī)相控陣超聲檢測的進一步發(fā)展和完善。但檢測過程中矢量脈沖激勵信號的頻率和相位的選擇，對檢測分辨率有很大影響，所以矢量參數(shù)的優(yōu)化成為矢量相控陣超聲檢測實現(xiàn)的必要步驟。本發(fā)明的目的就是提供一種矢量相控陣超聲檢測參數(shù)優(yōu)化的新方法。矢量相控陣超聲波檢測技術，就是利用不同頻率、相位的矢量脈沖超聲波在空間的非相干疊加來實現(xiàn)聚焦和偏轉(zhuǎn)。根據(jù)設定的偏轉(zhuǎn)方向及聚焦點，以聚焦聲壓強度做為優(yōu)化的目標函數(shù)，對矢量相控陣參數(shù)頻率和相位按照K-T條件用最速下降法結(jié)合Armijo線搜索方法進行尋優(yōu)。
文檔編號G01N29/14GK101334381SQ200710118058
公開日2008年12月31日 申請日期2007年6月28日 優(yōu)先權日2007年6月28日
發(fā)明者春 彭, 波 彭, 敏 王 申請人:碩德(北京)科技有限公司