简述相控阵检测技术与脉冲反射法手工超声检测技术相比具有哪些优点

Question

如题所述

Answer 1

第一章超声相控阵检测技术发展史及优点，1.1超声相控阵检测技术的发展史，苏联科学家S.J.Slkolov就已经开始了超声成像的研究，其后由于技术上的种种原因，超声成像研究进展缓慢，之后随着电子技术和计算机技术的迅速发展，大大推动了超声成像的研究和应用，在无损检测领域，已被发展或正在研究的超声检测成像方法主要有以下几种，1、扫描超声成像：脉冲超声回波（实际上是超声回波通过超声换能器转换成电信号的

第一章超声相控阵检测技术发展史及优点
1.1 超声相控阵检测技术的发展史
20世纪20年代，苏联科学家S.J.Slkolov就已经开始了超声成像的研究。其后由于技术上的种种原因，超声成像研究进展缓慢。之后随着电子技术和计算机技术的迅速发展，大大推动了超声成像的研究和应用。目前，在无损检测领域，已被发展或正在研究的超声检测成像方法主要有以下几种。
1、扫描超声成像：脉冲超声回波（实际上是超声回波通过超声换能器转换成电信号的波形）在显示屏上可以由不同的显示方式，包括A型、B型、C型、P型、F型扫描显示。
2、超声全息：基于波前重建原理，即通过物波和参考波干涉形成的图案（全息图），然后经过反衍射积分的重建过程，获得物体的图像。早期的超声全息模仿光全息原理，使用液面成像方式。目前研究比较活跃的声全息方法是扫描声全息，大致分为激光束扫描声全息和计算机重建声全息两类。
3、超声显微镜：利用声波对物体内部的声不连续性（如缺陷、力学特性或微观组织变化等）进行高分辨率成像检测的系统和技术。其原理是用高频（工作频率可高达2GHz）超声波照射样品，形成样品的微观声学参数分布，能获得被测物体表面和近表面结构的高分辨率图像。
4、超声CT：计算机层析超声成像，它是借鉴X射线CT而发展的超声成像技术。其用一束超声波依次沿不同方位角照射物体，并同时检测物体中目标的散射波（即投影），再由投影来计算反演重建目标的像。目前超声CT主要有透射型和反射型两种，而图像重建也有两种理论，射线理论和衍射理论。
5、ALOK超声成像（amplituden and laufzeit orts kurven）技术，即幅度—传播时间—位置曲线技术。利用幅度—传播时间—位置曲线，通过传播时间补偿和信号叠加的方法，从回拨信号中识别来自缺陷的回波信息而去除噪声信号，并可给出用B型显示的缺陷图像。
6、衍射传播时间技术（TOFD）：依靠超声波和缺陷端部相互作用发出的衍射波来检出缺陷并对其进行定量的检测技术，并可给出A型扫描显示及D扫描、B扫描灰度图像显示。
7、合成孔径聚焦技术（SAFT）：采用小孔径换能器和较低的工作频率，以获得高的空间分辨力的一种超声检测技术，能在近场区工作，并能实现三维成像的特点。
8、超声相控阵成像：通过控制阵列换能器中各个阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控阵波束合成，形成成像扫描线的技术，可给出A型、B型、C型、P型及3D扫描成像。
至今超声相控阵技术已有近20多年的发展历史。初期主要应用于医疗领域,医学超声（见图1-1所示）成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官进行成像（见图1-2所示），而大功率超声利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌,使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收。最初,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限。然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测。

图1-1 医用相控阵设备图1-2 器官检查
近年来，超声相控阵技术以其灵活的声束偏转及聚焦性能越来越引起人们的重视。由于压电复合材料、纳秒级脉冲信号可控制、数据处理分析、软件技术和计算机模拟等高新技术在超声相控阵成像领域中的综合应用，使得超声相控阵检测技术得以快速发展，逐渐应用于工业无损检测领域。
在超声相控阵成像检测仪器设备方面，国外有以色列SONOTRON NDT公司、加拿大R/D TECH公司、美国GE公司、日本OLYMPUS公司、英国SONATEST公司、英国Technology Design公司等致力研发相控阵检测系统设备，并且已经在各行各业无损检测领域得到了成
功地应用。同时国内也有多家公司在对超声相控阵检测设备进行研究，如广州多浦乐电子科技有限公司、汕头超声研究所、武汉中科创新技术股份有限公司，且这些设备已逐步投入生产并在市场中得到推广应用。
1.2超声相控阵检测的优点
超声相控阵检测与其他无损检测方法对比具有如下所述的优势：
1）采用电子方法控制声束聚焦和扫描，检测速度成倍提高：
①超声波束方向可自由变换；
②焦点可以调节甚至实现动态聚焦；
③探头固定不动便能实现超声波扇扫或者线扫；

Answer 2

相控肯定是精度高，脉冲反射简单，价格低

Answer 3

本文采用“CPU+GPU”的联合编程模式。其软件架构为“MATLAB+CUDA”的混合编程架构。其中，CPU端主要使用MATLAB进行回波数据的读取及最终结果的显示；GPU端使用CUDA编程计算平台完成SA算法的并行化处理。
具体的实现流程如图4-5所示。首先，在CUDA中使用cudaMalloc()函数为待处理的回波数据分配全局内存；然后，通过调用cudaMemcpy()函数完成回波数据的传输，需要注意的是，在使用该函数时，要将最后一个参数设置为“cudaMemcpyHostToDevice”，以确保数据的传输方向是从CPU至GPU；通过使用两个核（kernel）函数，分别完成低分辨图像的求解和高分辨率图像的合成，其中，使用__shared__关键字为权值函数开辟共享内存；接下来，再次使用cudaMemcpy()函数，使处理后的结果自GPU传输至CPU，此时该函数的最后一个参数应设置为“cudaMemcpyDeviceToHost”；最后，释放显存空间，并在主机端对重构的高分辨率图像进行显示。
为了验证上述提出方法的可行性，本文基于Field II 软件对SA算法的并行实现过程进行了仿真验证。
Field II是一款由丹麦技术大学Jensen教授团队开发的仿真工具，专门应用于医学超声成像等领域[5]。
在进行验证实验之前，首先需要使用Field II软件搭建一个医用相控阵超声内镜的仿真系统，该系统主要参数的设置与本文设计的相控阵超声内镜系统一致。
对于超声换能器探头而言，常用的脉冲激励方式有单脉冲激励和编码激励两种。其中，单脉冲激励方式是指使用持续时间较短的单个脉冲对换能器阵元进行激励，采用这种激励方式获取的超声图像纵向分辨率高，但是由于是单脉冲且持续时间较短，因此发射能量较小，传播距离受限；编码激励方式是指采用具有一定编码序列的多个脉冲对换能器阵元进行激励，采用这种方式虽然能够增加激励时间、提高发射能量，但是降低了成像分辨率，且电路设计较为复杂，回波需要按照特定方式进行脉冲压缩
结合搭建的仿真系统进行仿真验证，具体步骤如下：
1. 在成像空间中设置7个成像散射点，并将这些散射点等间隔排布在25-55mm的轴向距离范围内；
2. 利用本文所设计的方法，对这7个散射点进行合成孔径成像；
3. 将成像结果进行显示，观察成像散射点的位置，判断其是否与预先设置一致。
实验结果如图7所示。图中原点位置为超声换能器阵列中心所在位置，所测猪皮组织由a，b两部分组成。其中，a部分尺寸约为5mm×2mm，b部分尺寸约为3mm×2mm。从成像结果中可以很明显地分辨出a、b两个部分，且猪皮组织的成像结果与实际尺寸形状基本一致。
上述两个成像实验的结果均与实际情况相符，证明了相控阵超声内镜实时成像系统的可行性与高效性。从图中可以看出，7个散射点依次排列在25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm的轴向位置，以5mm间隔等间隔分布，实验结果与预先设置一致，验证了本文提出方法的可行性。