高分辨率超声混频相控阵聚焦与检测研究

本项目提出采用脉冲压缩与超声混频相控阵相结合的方法实现声束聚焦，提高超声检测与成像的分辨率。一方面采用混频阵列拓展超声换能器带宽，克服了单探头或同频相控阵换能器带宽窄的困难，对混频相控阵列应用脉冲压缩技术就能得到远大于1的时间带宽积，从而提高信噪比增益。另一方面混频相控阵在自身优势的基础上，由于采用了脉冲压缩原理在不牺牲纵向分辨率的前提下提高了信噪比，从而提高了分辨率；目前还未见到关于这一方法的研究工作。本项目将在理论和方法上开展深入系统的研究，主要包括： 1、脉冲压缩对混频超声相控阵聚焦声场的影响；2、混频超声相控阵对脉冲压缩技术中编码激励和匹配处理的特殊要求；3、上述方法衰减较大的材料的检测中的应用，并在现有的实验条件下实现混频相控阵列相控激发时的脉冲压缩处理方法。通过该项目研究，可以为声衰减大的材料以及小缺陷的无损检测提供一种新的理论依据和方法指导。

本项目提出采用脉冲压缩与超声混频相控阵相结合的方法实现声束聚焦，改善超声探测深度与成像分辨率的矛盾。一方面采用混频阵列拓展超声换能器带宽。另一方面，采用脉冲压缩原理在不牺牲纵向分辨率的前提下提高了信噪比。主要研究内容和结果如下： .（1）对编码信号用于固体介质的检测与成像进行了理论与方法研究，以单阵元编码信号为激励源，通过数值模拟和实验分析，发现脉冲压缩方法可将携带缺陷信息的信号从噪声中“挖掘”出来，能较大程度地提高信噪比；此外，仅凭单个换能器阵元无法满足脉冲压缩对大时带积激发信号的要求。.（2）利用有限差分算法计算了超声混频相控阵中不同阵元排列方式的聚焦效果，得到了较为理想的阵元排列方式。发现在各阵元信号带宽和时宽都相同的情况下，焦点处将出现周期性的极大值。.（3） 针对衰减介质，用两种方法模拟了信号在衰减介质中的传播。（a）利用完全匹配层（PML）吸收机理，将内部介质设置为常衰减系数的PML介质，边界设置为变系数的PML层；（b）以Kelvin粘弹介质为基础，导出了有限差分格式，并编制了计算程序。数值计算了线性调频信号（LFM）在衰减介质中的传播，得到了信号的衰减规律和衰减对脉冲压缩结果的影响规律。 .（4）根据幅度谱和相位谱的连续性，提出了混频相控阵中频域宽带信号的合成方法，并给出了具体实现步骤。结果表明该方法对减少杂波干扰及提高信号分辨率是有效的。经过加入噪声的实例计算，发现混频信号的分辨率的改善程度大于单个阵元激励的分辨率，证明了混频相控阵在的技术优势。.（5）提出了混频相控阵的合成孔径聚焦（SAFT）成像方法，给出了具体实现步骤。.（6）针对Kelvin粘弹介质对信号的衰减影响，提出了基于反Q滤波方法的脉冲压缩法。结果表明，反Q滤波方法对减少杂波，提高信号幅度和分辨率是有效的。混频阵列检测可以为声衰减较大材料的无损检测提供一种新的理论依据和方法指导。.（7）制作了混频相控阵探头，通过实验，证明混频相控阵探测对提高信噪比是有益的，验证了混频相控阵检测的技术优势。