相控陣超聲成像檢測

前言

相控陣超聲成像檢測技術(shù)是采用多陣元的陣列換能器（探頭），依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)控制陣列中各陣元發(fā)射超聲波的時(shí)間（相位）來控制各陣元的聲束在聲場中偏轉(zhuǎn)、聚焦；或控制接收陣列換能器中各陣元接收超聲回波信號的時(shí)間（相位），進(jìn)行偏轉(zhuǎn)、聚焦成像檢測的一種高端技術(shù)，是目前超聲檢測技術(shù)中的發(fā)展熱點(diǎn)之一。相控陣技術(shù)起源于先進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá)，海洋地貌探測和反潛的先進(jìn)聲納也采用相控陣技術(shù)。相控陣超聲成像首先應(yīng)用在醫(yī)療超聲影像技術(shù)中，近年來在工業(yè)無損檢測方面也開始了應(yīng)用，取得了良好的效果。相控陣超聲成像檢測涉及聲場理論、相控陣聲場控制技術(shù)、陣列換能器的設(shè)計(jì)理論、陣列換能器的材料和制作工藝技術(shù)、相控陣超聲波的發(fā)射與接收技術(shù)（包括相位控制技術(shù)）、相控陣超聲計(jì)算機(jī)數(shù)字系統(tǒng)的集成和軟硬件技術(shù)等。技術(shù)層次高，屬于超聲檢測設(shè)備中的高端產(chǎn)品，目前國內(nèi)暫時(shí)還沒有生產(chǎn)相控陣超聲成像檢測設(shè)備，所用的相控陣超聲成像檢測的設(shè)備都是從國外知名公司進(jìn)口的，價(jià)格昂貴。本書主編從2000年開始先后投入五名博士生和一名碩士生從事相控陣超聲成像檢測技術(shù)的研究，對相控陣超聲的聲場理論、陣列換能器的理論和設(shè)計(jì)、相控陣超聲成像聲場控制模式、相控陣多通道超聲波發(fā)射和接收技術(shù)、陣列換能器中各陣元發(fā)射和接收超聲波的相位控制技術(shù)、相控陣超聲成像檢測的數(shù)字系統(tǒng)、相控陣超聲自適應(yīng)信號補(bǔ)償技術(shù)、自適應(yīng)聚焦相控陣超聲成像技術(shù)、柔性陣列換能器相控陣超聲成像檢測技術(shù)、混頻相控陣技術(shù)、二維陣列相控陣超聲三維成像檢測技術(shù)、超聲束二維和三維成像的信號處理和軟件技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本書是在施克仁教授所指導(dǎo)從事上述相控陣超聲成像檢測研究的博士論文和碩士論文的研究成果基礎(chǔ)上寫成的。全書按章排列，第一章超聲檢測原理與超聲成像檢測技術(shù)，第二章相控陣超聲成像檢測的物理依據(jù)，第三章相控陣列換能器的理論分析與設(shè)計(jì)，第四章基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的二維隨機(jī)稀疏陣列設(shè)計(jì)及優(yōu)化，第五章二維周期型稀疏陣列，第六章稀疏陣列的（MRLA+GA）設(shè)計(jì)法，第七章子陣合成相控陣，第八章二維相控陣列的聲場控制模式（包括相控陣超聲治療的聲場控制模式），第九章混頻相控陣，第十章相控陣超聲成像檢測自適應(yīng)信號補(bǔ)償技術(shù)，第十一章數(shù)字相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)。

內(nèi)容概要

本書論述作者研究的超聲檢測中的熱門技術(shù)——相控陣超聲成像檢測技術(shù)。內(nèi)容新穎，含有創(chuàng)新的思想和技術(shù)內(nèi)容。    本書內(nèi)容涉及相控陣超聲聲場理論、相控陣列換能器的理論分析與設(shè)計(jì)、相控陣超聲成像聲場控制模式、相控陣超聲治療聲場控制模式、相控陣多通道超聲波發(fā)射和接收系統(tǒng)、發(fā)射和接收超聲波的相位控制技術(shù)、相控陣超聲成像檢測的數(shù)字系統(tǒng)、聲束控制技術(shù)、相控陣超聲自適應(yīng)信號補(bǔ)償技術(shù)、自適應(yīng)聚焦數(shù)字相控陣超聲成像技術(shù)、柔性陣列探頭相控陣超聲成像檢測技術(shù)、混頻相控陣技術(shù)、面陣相控陣超聲三維成像檢測技術(shù)等前沿的研究內(nèi)容。    本書適合于從事無損檢測技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的研究人員，工程技術(shù)人員，相關(guān)專業(yè)的教師、研究生及本科生參考閱讀。

作者簡介

郭寓岷，教授級高級工程師，1941年出生，河南南陽人。1965年清華大學(xué)機(jī)械工程系畢業(yè)，原冶金工業(yè)部（現(xiàn)中冶集團(tuán)）建筑研究總院教授級高級工程師，曾獲國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)一項(xiàng)，部、市級科技進(jìn)步一、二、三等獎(jiǎng)共六項(xiàng)。主要研究方向：焊接工程及自動(dòng)化，鋼結(jié)構(gòu)工程，無損檢測，數(shù)字化超聲檢測儀器技術(shù)。施克仁，教授，博士生導(dǎo)師，1938年出生，上海人。1962年清華大學(xué)機(jī)械工程系畢業(yè)，曾任清華大學(xué)第七屆學(xué)術(shù)委員會委員。1988年9月～1991年1月任清華大學(xué)焊接教研室副主任，1995年4月一2000年2月任清華大學(xué)無損檢測教研室主任兼“無損檢測技術(shù)工程中心”主任，2000年2月一2003年2月任清華大學(xué)機(jī)械工程系材料加工工程及自動(dòng)化所副所長兼檢測技術(shù)與信息管理研究室主任。在無損檢測領(lǐng)域，致力于現(xiàn)代無損檢測技術(shù)研究，先后指導(dǎo)博士生12人，碩士生5人。曾獲部、市級科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)兩項(xiàng)。主要研究方向：焊接工程及自動(dòng)化，無損檢測，數(shù)字化檢測儀器技術(shù)，相控陣超聲成像檢測技術(shù)，數(shù)字信號處理。

書籍目錄

第一章  超聲檢測原理與超聲成像檢測技術(shù)  1.1  超聲檢測的一般概念  1.2  超聲成像檢測原理和特點(diǎn)  1.3  超聲成像檢測技術(shù)的發(fā)展和分類    1.3.1  掃描超聲成像    1.3.2  超聲全息    1.3.3  超聲顯微鏡    1.3.4  超聲CT    1.3.5  ALOK超聲成像    1.3.6  衍射傳播時(shí)間技術(shù)    1.3.7  合成孔徑聚焦技術(shù)    1.3.8  相控陣超聲成像  1.4  相控陣超聲成像數(shù)字控制技術(shù)    1.4.1  相位延時(shí)    1.4.2  動(dòng)態(tài)聚焦  1.5  相控陣超聲成像檢測研究現(xiàn)狀  參考文獻(xiàn)第二章  相控陣超聲成像檢測的物理依據(jù)  2.1  波動(dòng)方程  2.2  連續(xù)波聲場理論及仿真模型    2.2.1  單源換能器的輻射聲場    2.2.2  陣列換能器的輻射聲場    2.2.3  矩形陣元輻射聲場的快速算法  2.3  基于空間沖激響應(yīng)的脈沖場模型    2.3.1  輻射聲場模型    2.3.2  散射場模型及相控陣超聲成像仿真模型    2.3.3  空間脈沖回波響應(yīng)    2.3.4  陣元空間沖激響應(yīng)的計(jì)算  2.4  相控陣超聲波束的時(shí)空控制    2.4.1  聲束的偏轉(zhuǎn)    2.4.2  聲束的聚焦    2.4.3  聚焦聲束的偏轉(zhuǎn)    2.4.4  二維陣列換能器的聲束控制  2.5  相控陣超聲成像檢測的聲學(xué)特性    2.5.1  空間分辨率問題    2.5.2  偽像問題  參考文獻(xiàn)第三章  相控陣列換能器的理論分析與設(shè)計(jì)  3.1  二維相控陣列的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則  3.2  二維相控陣列的參數(shù)分析與設(shè)計(jì)    3.2.1  陣元間距的分析    3.2.2  陣元大小的分析    3.2.3  陣元數(shù)目及陣列孔徑的分析  3.3  二維相控陣列的總體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及方法  3.4  二維相控陣列性能分析    3.4.1  方孔徑陣列的聲學(xué)特性分析    3.4.2  圓孔徑陣列的聲學(xué)特性分析    3.4.3  圓孔徑變跡陣列的聲學(xué)特性分析  參考文獻(xiàn)第四章  基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的二維隨機(jī)稀疏陣列設(shè)計(jì)及優(yōu)化  4.1  問題的提出與背景  4.2  二維稀疏相控陣列的設(shè)計(jì)方法    4.2.1  不等間隔非周期型陣元分布    4.2.2  基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的二維稀疏陣列的設(shè)計(jì)  4.3  稀疏陣列連續(xù)波聲場的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析    4.3.1  稀疏陣列旁辦特性的研究    4.3.2  稀疏陣列主辦特性的研究  ……第五章  二維周期型稀疏陣列第六章  稀疏陣列的(MRLA+GA)設(shè)計(jì)法第七章  子陣合成相控陣第八章  二維相控陣列的聲場控制模式第九章  混頻相控陣第十章  相控陣超聲成像檢測自適應(yīng)信號補(bǔ)償技術(shù)第十一章  數(shù)字相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)第十二章  自適應(yīng)聚焦相控陣超聲成像檢測第十三章  柔性陣列換能器相控陣超聲成像檢測技術(shù)第十四章  二維陣列相控陣超聲三維成像檢測技術(shù)結(jié)束語

章節(jié)摘錄

插圖：在第四、五、六章中，對稀疏陣列研究的目的是在較少陣元數(shù)和較少獨(dú)立通道數(shù)的情況下，通過設(shè)計(jì)有效陣元的位置，以獲得較大的陣列孔徑，從而得到較好的空間分辨率。但是在稀疏陣列的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，提高空間分辨率是以損失對比度分辨率、降低主旁瓣比為代價(jià)的。因此，為了保證足夠的信噪比和對比度分辨率，實(shí)際上探頭的陣元數(shù)目也不能太少。在陣列換能器的陣元數(shù)確定后，若增加系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)射／接收通道的數(shù)目，會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，大幅度提高硬件成本，從而制約了相控陣超聲成像檢測技術(shù)的應(yīng)用。因此，如何在較少獨(dú)立通道數(shù)目的情況下，同時(shí)保證較高的空間分辨率和對比度分辨率，是研究的重要問題。為滿足這種要求，本章提出了子陣合成相控陣?yán)碚摗?.1 子陣合成相控陣7.1.1 合成孔徑技術(shù)的啟示與子陣合成相控陣方法的提出（1）合成孔徑技術(shù)簡介合成孔徑技術(shù)是數(shù)字成像處理中用于大幅度提高圖像空間分辨率的一種有效手段。合成孔徑技術(shù)的起源要追溯到20世紀(jì)50年代，其最初的思想產(chǎn)生于雷達(dá)成像領(lǐng)域。它把天線作為整個(gè)陣列的一個(gè)陣元，隨著運(yùn)載平臺沿直線勻速運(yùn)動(dòng)，天線依次占據(jù)線陣（即合成的陣列）中每個(gè)陣元的位置，在每個(gè)位置上發(fā)射脈沖，然后接收地面目標(biāo)的回波并存儲，最終將所有的回波加權(quán)累加，成像效果將等同運(yùn)載平臺移動(dòng)空間尺寸大小的陣列的成像效果，合成孔徑技術(shù)大大提高了雷達(dá)圖像的分辨率，其原理如圖7-1所示。

編輯推薦

《相控陣超聲成像檢測》：人可以看到五彩繽紛的世界，但仍有目所不及之處，例如地球的內(nèi)部、海洋深處的景色、材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與缺陷、人體器官的結(jié)構(gòu)與病灶等?，F(xiàn)在，相控陣聲學(xué)和超聲成像技術(shù)已能夠幫助人們延伸目力，一窺事物的究竟！《相控陣超聲成像檢測》從應(yīng)用技術(shù)的角度出發(fā)，系統(tǒng)地闡述了相控陣超聲成像檢測技術(shù)的相關(guān)理論及實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。希望對從事工程無損檢測、醫(yī)學(xué)超聲成像、海洋探測等研究的科研人員、工程技術(shù)人員以及相關(guān)專業(yè)的教師、研究生、本科生有所幫助！希望能為對此技術(shù)感興趣的讀者提供系統(tǒng)化的介紹，并引導(dǎo)更多的年輕人進(jìn)入這一高科技領(lǐng)域！

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