超聲相控陣成像仿真系統研制

楊先明，郭 艷，王海濤，郭瑞鵬，沈立軍

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

隨著超聲檢測仿真技術可靠性的不斷提高，其重要性受到了人們的廣泛關注，其應用范圍也從原來的檢測結果分析、性能驗證，逐步擴展到檢測系統設計優化、虛擬檢測等領域［1－2］。超聲相控陣成像仿真就是利用計算機強大的信息處理功能，以相控陣檢測理論模型為基礎，仿真超聲聲場在介質中的傳播及其與缺陷的相互作用，人機交互式地進行檢測參數優化，為工程設計人員提供具有較高價值的參考。

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

1 系統架構設計

首先設置相控陣探頭參數，接著模擬被檢試件中的缺陷，建立仿真環境，以仿真超聲檢測過程，即探頭發射超聲波、超聲波在工件中傳播并與缺陷相互作用產生回波信號、回波信號被探頭接收后經一系列信號處理過程最終得以圖像形式顯示。

超聲成像系統的仿真分為三大模塊，分別為：探頭參數設置模塊、缺陷參數設置模塊、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，仿真系統采用多層次的分級模塊驅動形式，首先在可視化交互式的軟件主界面上，選擇進入各功能子模塊，在每一個功能子模塊下，可以進行參數設置、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

系統架構采用VC＋＋6.0的對話框結構，由對話框類以成員變量的形式來保存探頭參數、缺陷參數以及掃描聚焦方式等，而以.mat的數據格式存儲A掃描回波數據。

2 系統各模塊設計及實現

2.1 探頭參數設置模塊

探頭參數設置模塊完成仿真探頭參數設置，包括：陣元個數、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系到缺陷的定位定量以及檢測精度和靈敏度，了解聲場結構及分布特征對于提高檢測可靠性、準確性以及提高檢測效率都起著至關重要的作用［5－6］。因此模塊加入了探頭性能分析功能，完成探頭顯示、探頭在直角坐標系或極坐標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。

超聲相控陣探頭的幾何參數如圖2所示，在p（r，θ，t）處產生的聲壓為：

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

圖2 相控陣陣列聲場計算

根據軟件界面上用戶輸入的探頭參數和公式（1），可以在無限大超聲聲場空間中求出有限區域內有限個點的聲壓值，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。

同理，根據用戶輸入的探頭參數及公式（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所示為探頭參數設置模塊運行界面，其中用戶輸入相控陣探頭參數為：陣元個數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 探頭參數設置模塊探頭指向性

圖4 探頭參數設置模塊探頭聲壓分布

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

2.2 缺陷參數設置模塊

缺陷參數設置模塊主要任務有兩項：

（1）模擬缺陷。可模擬兩種缺陷：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域，在這一空間區域取為圓柱形通孔，用隨機分布在圓柱形通孔內的離散點表示。可以在缺陷設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）設置檢測參數。包括：聚焦方式、掃描方式設置。其中聚焦方式又包括單點聚焦、接收動態聚焦、動態聚焦及變孔徑聚焦；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仿真方案中，field II是現今在學術界、工業界廣泛應用的聲場仿真程序，其可以產生在多種陣列條件下的仿真聲場及陣列的接收信號。因此出于仿真發射聲場與缺陷相互作用的復雜度和field II權威性的考慮，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生。具體工作過程為：根據用戶設定的探頭參數、缺陷參數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，產生超聲束進入被檢試件；經缺陷散射，被探頭各陣元接收并轉化為電信號；對所有陣元所接收的電信號再施加相應延時并求和，就形成一條A掃回波信號。通過持續移動接通陣元，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上，再經包絡檢波、對數壓縮［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掃描線進行包絡提取，目的是提取回波信號的幅度信息，形成A掃描包絡文件。由于缺陷的反射、散射等，導致回波信號具有較大的動態范圍，因此將回波信號進行對數壓縮以使其可以在顯示器中顯示。最后利用數據插補填充、坐標轉換等將A掃圖像合成B掃或S掃圖像。如圖6所示，在x坐標分別為：－10，－5，0，5，10mm，z坐標分別為30，40，50，60，70mm 處設置了5個半徑為1mm的通孔。圖8為所設置缺陷的B掃描成像圖，聚焦方式選擇動態聚焦。

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

3 結語

在明確超聲相控陣檢測成像原理及過程的基礎上，開發了一款針對超聲相控陣檢測系統的仿真軟件。將仿真系統分為探頭參數設置、缺陷參數設置及仿真成像三大模塊。在探頭參數模塊，可仿真顯示相控陣探頭的聲場聲壓分布及其指向性特性，通過人機界面改變各探頭相關參數，觀察聲場聲壓及指向性變化，可分析研究各參數對聲場的影響。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提取、對數壓縮、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.超聲波檢測計算機模擬和仿真的研究及應用現狀［J］.應用聲學，2003，22（3）：39－42.

［2］ 陳建忠，史耀武.超聲檢測過程的數值模擬［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.超聲診斷設備原理與設計［M］.北京：中國醫藥科技出版社，1993.

［8］ 馮若，姚錦鐘，關立勛，等.超聲手冊［M］.南京：南京大學出版社出版，1999.