基于虚拟仪器架构的高性能超声成像系统的研发

摘要

超声无损检测技术以其对人体安全无害、携带表征被检对象内部结构的声学信息丰富及易与信息科学技术相融合等优势，成为了各类部件和材料质量监控的有效手段，在众多领域中得到了广泛地应用，对现代工业、国防军工和国民经济的发展产生了举足轻重的影响。而超声成像作为定量超声无损检测最为重要的技术手段，借助图像化技术友好直观地表征被检对象的内部缺陷，降低检测人员的操作难度，并减少人为因素对检测结果的影响;同时，也对超声无损检测向无损评价的发展起到巨大的推动作用。因此，超声成像技术成为了当今无损检测领域最为热门的研究课题之一，受到了学术界和工程界的普遍重视，现已发展了众多的超声成像方法。然而，随着现代工业的不断发展进步，对超声成像技术在稳定性、分辨率、实时性及应用适应能力方面都提出了更高的要求。而由于超声成像牵涉超声发射、调理、接收和分析处理等步骤，也存在机械或电子扫查以及耦合等过程，面向的对象和需要的功能多种多样，因而采用传统仪器的结构已很难满足超声成像系统的高性能发展需求。基于以上背景，在国家自然科学基金项目“圆柱类部件高性能自动化相控阵超声成像检测理论与技术的研究”(No.51675480)资助下，本学位论文提出开展基于虚拟仪器架构的高性能超声成像系统的研发。根据虚拟仪器的结构特点和优势，在明确超声成像检测机理的基础上，开展多轴机械扫查的运动跟踪与控制以及自动化超声成像检测理论与技术的研究，重点解决实时高分辨率成像及成像结果友好表征等关键问题。同时，采用虚拟仪器架构，将超声无损检测与机电一体化技术相结合，研发出一套高性能超声成像检测系统，并开展相关实验研究，以验证本文技术和系统的有效性。主要的研究工作体现在:
　　第一章论述了超声无损检测技术对现代工业的重要作用以及开展超声成像技术研究的重要意义，系统总结了超声无损检测技术的研究现状及其发展趋势，指出超声成像技术所存在的主要问题，明确本文的研究内容，为后续的研究指明了方向。
　　第二章分析了超声波的传播机理和超声换能器的辐射声场分布特性，介绍了超声C扫查成像原理，为超声成像技术的研究奠定了必要的理论基础。同时，在明确超声成像系统功能目标的基础上，采用PXI总线完成了基于虚拟仪器架构的高性能超声成像系统总体方案的设计，并对各功能模块进行介绍。
　　第三章在完成多轴超声扫查装置机械本体设计的基础上，采用基于PXI总线的多轴运动控制卡实现了空间运动的跟踪与控制，为超声成像技术的研究奠定了必要的技术基础。同时，在明确超声C扫查工艺的基础上，建立了多种扫描路径的理论模型及分析了各种路径的扫描效率，并探讨了扫描步距对成像精度的影响，为超声C扫查路径的规划及相关参数的选择提供指导原则。
　　第四章开展超声C扫查成像及其结果处理技术的研究。在完成超声脉冲回波信号消噪的基础上，采用最邻近与双线性相结合的插值法和RGB颜色映射策略实现了超声C扫查图像的二维表征，并利用基于相位迁移的合成孔径成像技术有效改善了超声成像横向分辨率。同时，针对传统算法提取缺陷图像边缘的局限性，采用Snake模型发展了一种超声C扫查缺陷成像的边缘提取技术，精确定征缺陷的信息。
　　第五章基于上述各章节的研发成果，并采用虚拟仪器架构和模块化设计思想，以PXI总线为信息传输桥梁，将超声无损检测与机电一体化技术有机融合，在完成超声检测板卡和上位机软件模块研发的基础上，实现了系统的集成，研发了一套高性能超声成像系统。同时，利用该系统开展相关实验研究，证实了本文研发技术与系统的可行性和有效性。
　　第六章对全文的研究内容进行总结，对以后的进一步深入研究进行展望。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的研究背景及意义

1．1．1 超声无损检测技术对现代工业产生巨大的影响

1．1．2 超声成像是定量超声无损检测技术的重要基础

1．1．3 超声成像系统的高性能化有赖于虚拟仪器架构

1．2 超声无损检测相关技术研究现状及其发展趋势

1．2．1 检测机理已趋明晰，技术优势突出明显

1．2．2 无损评价有序推进，成像需求日趋强烈

1．2．3 成像方法逐步丰富，应用范围日渐广泛

1．2．4 成像系统不断涌现，成像性能有待提高

1．3 本文研究内容和章节安排

第二章 超声成像理论基础及高性能超声成像系统总体方案

2．1 引言

2．2 超声成像理论基础

2．2．1 声波传播机理

2．2．2 声场基础理论

2．2．3 超声C扫成像原理

2．3 基于PXI总线的超声成像系统总体方案

2．3．1 功能目标

2．3．2 总体方案

2．4 本章小结

第三章 多轴机械C扫查的运动跟踪与控制

3．1 引言

3．2 扫查装置机械本体的设计

3．3 基于PXI总线的多轴运动控制卡

3．3．1 技术方案

3．3．2 控制实施

3．4 超声机械C扫查的路径规划

3．4．1 机械C扫查的路径规划

3．4．2 扫查的步距与精度分析

3．5 本章小结

第四章 超声C扫成像及其处理技术

4．1 引言

4．2 超声C扫成像技术

4．2．1 超声回波信号预处理

4．2．2 C扫图像的二维表征

4．3 超声C扫成像处理技术

4．3．1 图像分辨率的改善技术

4．3．2 图像边缘的提取技术

4．4 本章小结

第五章 基于虚拟仪器架构的高性能超声成像系统

5．1 系统研发

5．1．1 硬件部分设计

5．1．2 软件模块开发

5．1．3 系统集成

5．2 实验研究

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献