基于多频时间反转技术的超声相控阵远场超分辨率成像研究

The imaging technology using ultrasonic phased array is an important direction in the area of nondestructive testing, and it is widely used in different industrial sections. The resolution of current imaging technology is diffraction limited, and it is contradictory with the depth that can be detected by the imaging system. In the project, multi-frequency time reversal technique based on the theory of time-reversed acoustics is introduced to overcome the diffraction limitation, achieving far-field super resolution imaging in the metal. Firstly, the method to extract the scattered signals caused by defect under the noisy situation is proposed, in order to provide the useful time-domain signal for imaging purpose. Secondly, the general multi-frequency time reversal with multiple signal classification which employs a frequency band is proposed to improve the resolution of ultrasonic image, also achieve accurate target localization. The threshold for dividing the signal subspace and noise subspace, as well as the technique for cancelling the random phase caused by singular value decomposition, is studied. The project aims to solve the problem between the imaging resolution and the detectable depth, and provides the technique to obtain a better ultrasonic image of defect located in some depth.

超声相控阵成像检测技术是无损检测领域的发展方向之一，广泛用于多个工业部门。当前在超声成像方面，由于声波衍射的限制，成像分辨率与系统探测深度存在矛盾。本项目拟基于时间反转声学理论，研究多频时间反转技术，克服声波衍射限制，实现超声相控阵对金属结构内部缺陷的远场超分辨率成像。通过研究，首先解决在强背景噪声下，超声波与缺陷作用产生散射信号被噪声淹没而无法辨识的问题，提取散射信号用于成像。其次，拟提出一种通用的多频时间反转多信号分类法，在成像过程中综合利用多个频率点的信息，合理划分信号子空间和噪声子空间，消除奇异值分解过程所产生的随机相位，进而获取分辨率高、能够准确反映缺陷特征的成像结果。项目预期研究成果能够解决成像分辨率与探测深度相矛盾的问题，为工业领域提供一种既有探测深度又有高分辨率成像结果的技术手段。

在超声成像领域，成像分辨率与系统探测深度相矛盾是其共性问题。针对这一共性问题，项目基于超声时间反转理论，研究了多频时间反转多信号分类法，克服声波衍射限制，实现了其对金属结构内部缺陷的远场超分辨率成像。在信号预处理方面，提出了基于超声B扫描的缺陷散射信号时域提取方法，解决了强背景噪声下缺陷散射信号被噪声淹没而无法直接提取的问题，并且通过实验研究验证了方法的可行性。在成像方法方面，提出了通用的多频时间反转多信号分类法的数学定义，分析时间反转多信号分类法TR-MUSIC及其相位相干形式PC-MUSIC，通过实验研究比较了两种成像方法的分辨率特性和噪声鲁棒性。研究结果表明，PC-MUSIC方法能够克服声波衍射限制，实现横向方向的超分辨率成像；对背景噪声具有鲁棒性，在强背景噪声下能够得到可靠的超声图像，这些特性与TR-MUSIC一致。相比较TR-MUSIC，由于PC-MUSIC方法在其成像过程中考虑了相位信息，因此，其存在提高成像系统轴向分辨率的可能性。此外，研究了快速超分辨率成像方法，在成像过程中，对阵列传感器所包含阵元进行配置，实现了在不影响超声图像质量的前提下，减少了成像需要的时间。在实际应用方面，研究了多频时间反转多信号分类法对非点状缺陷的成像，研究结果表明，在合适的信号子空间维度下，PC-MUSIC成像方法可以定位缺陷位置，辨识缺陷类型，并且基于图像特征评估缺陷实际尺寸。项目研究成果解决了成像分辨率与系统探测深度相矛盾的问题，完善了超声成像方法体系，具有理论意义；为工业领域提供一种既有探测深度又有高分辨率成像结果的技术手段，具有应用价值；相关成果可以推广应用到医学成像等其它领域，具有推广价值。