柔性超声相控阵及其在无损检测中的应用研究

摘要

柔性相控阵超声检测技术是在柔性材料技术的基础上，采用多阵元换能器，依靠对各阵元的相位控制来实现声束在不规则形状工件中声场的偏转与聚焦，从而达到不规则形状工件内部缺陷检测的技术。目前，柔性相控阵检测系统仍存在相位偏差较大、成像分辨率不高等缺陷，因而成为近几年来相控阵成像检测中的研究热点之一。
　　相控阵系统中的相位校正精度，是提高声束控制能力、减少信号失真的重要途径之一，直接影响着柔性超声相控阵对缺陷的检测性能。学者在介绍无损检测尤其是柔性相控阵超声检测研究背景与发展现状的基础上，对柔性超声相控阵系统中的相位畸变问题作了较为详细的分析与研究。为减小相位偏差估计误差、提高相位补偿精度，提出了柔性相控阵检测系统优化方案。本文从以下几个方面进行了研究：（1）从相控阵系统的声场理论出发，构造换能器声场模型，进行相位时延声束控制理论分析，并讨论相位控制精度问题。（2）从相关分析法出发，对相关相位估计中常用的方法进行探讨与改进，提出基于自适应阈值调整的复合相关相位校正模型。通过MATLAB仿真实验表明，采用复合相关相位校正法的相位偏差估计误差明显低于单一相关估计法，可以明显提高相位补偿精度。并且基于阈值调整的复合相关相位校正模型，可以在缺陷检测中自适应修正系统阈值，提高校正模型中的偏差估计精度。（3）从小波分析理论入手，针对复合相关相位校正模型中噪声干扰问题，通过对多通道信号小波变换的改进，提出将差级小波变换添加到复合相关相位校正模型中。并进行了MATLAB仿真实验，仿真结果表明，该方法可以有效抑制校正模型中噪声的影响，消除一般小波变换带来的附加相位差，进一步提高了相位校正的精度。（4）本文从柔性相控阵结构特点出发，研究了柔性换能器阵元定位方法与有效性判定，应用相位校正补偿模型，构建了自适应柔性相控阵超声检测系统，通过仿真研究与缺陷检测实验表明，该系统可以通过多次缺陷检测来增强系统的聚焦能力，提高检测缺陷的效率，改善柔性相控阵成像效果。

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第一章 绪论

1.1 无损检测技术

1.2 柔性超声相控阵检测技术

1.3 本论文研究的主要内容

第二章 相控阵超声检测的物理机理

2.1 波声场理论

2.2 相控阵超声波束时空控制

2.3 超声相控阵检测系统相位时延控制精度

2.4 本章小结

第三章 自适应阈值调整的复合相关相位校正模型

3.1 相位畸变原因分析

3.2 相位畸变模型

3.3 噪声仿真模型

3.4 基于超声信号相关分析法的相位校正性能研究

3.5 基于自适应阈值调整的复合相关相位分析法

3.6 本章小结

第四章 小波分析在相关相位校正中的信号处理

4.1 超声传播特性及缺陷信号模型

4.2 基于小波分析法的回波信号提取

4.3 基于小波分析相关时间延迟估计的改进

4.4 本章小结

第五章 自适应柔性相控阵超声检测系统及应用

5.1 柔性阵列换能器分析

5.2 柔性相控阵超声成像检测

5.3 柔性超声相控阵自适应聚焦技术及应用

5.4 本章小节

第六章 结论

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间发表的学术论文和参加的科研项目