相控阵超声检测技术

2024-04-14

相控阵超声检测技术（精选7篇）

篇1：相控阵超声检测技术

相控阵超声检测技术在航空维修中的应用

航空维修中无损检测作为重要的安全保障手段,越来越受到重视,本文介绍了相控阵超声检测技术的原理及特点,通过分析,相控阵超声检测技术可实现航空零件检测可视化,在新机新材料、新结构的缺陷检测方面具有重要的`应用前景.

作者：张海兵孙金立张浩然孙强作者单位：中国人民解放军海军航空工程学院青岛分院,山东,青岛,266041刊名：科技信息英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：“”(17)分类号：V2关键词：相控阵超声检测航空维修

篇2：相控阵超声检测技术

相控阵天线有多种形式，如线阵、平面阵、圆阵、圆柱形阵列、球形阵和共形阵等，但都是从阵列天线发展起来的。阵列天线通常由多个偶极子天线单元组成，偶极子天线具有近似的无方向性天线方向图，天线增益很低，在自由空间内增益只有6dB 左右，为了获得较高的增益，将多个偶极子天线单元按一定的规则排列在一起，形成一个大的阵列天线。

N 个带有移相器的相同单元的线性阵列天线，相邻单元间隔为d。与直线阵相垂直的方向为天线阵的法线方向，称为“基本轴”。设各单元移相器输入端均为等幅同相馈电，且馈电相位为零。各个移相器能够对馈入信号产生0～2π 的相移量，按单元序号的增加其相移量依次为Ф1、Ф2、Ф3、…、ФN-1、ФN。

(1)当目标处于天线阵法线方向时，要求天线波束指向目标，即波束峰值对准目标。由阵列天线的原理可知，只要各单元辐射同相位的电磁波，则波束指向天线阵的法线方向。根据阵列天线这一结论，若对相控阵天线中各个移相器输人端同相馈电，那么，各个移相器必须对馈人射频信号相移相同数值(或均不移相)，才能保证各单元同相辐射电磁波，从而使天线波束指向天线阵的法线方向。换句话说，各个移相器的相移量，应当使相邻单元间的相位差均为零，天线波束峰值才能对准天线阵的法线方向。

(2)在目标位于偏离法线方向一个角度θ0时，若仍要求天线波束指向目标，则波束扫描角(波束指向与法线方向间的夹角)也应为θ0。倘若波束指向与电磁波等相位面垂直，即波束扫描一个θ0角度，则电磁波等相位面也将随之倾斜、见图中M′M 方向，它与线阵的夹角也为θ0。这时，各单元就不应该是同相辐射电磁波，而需要通过各自的移相器，对馈入射频信号的相位进行必要调整。

首先讨论单元1 与单元2 的移相器对馈入射频信号的相移情况。假设单元1 与单元2 的移相器分别对馈入的射频信号相移了Ф1

和Ф2，那么单元1 辐射的电磁波到达

等相位M′点的相位为Ф1，而单元2 辐射的电磁波由于在空间多行程一段距离AB，故到达等相位面时的相位为：

φ2=2π/λ ·d·sinθ0

根据等相位条件，在等相位面上则有：

φ1=φ2=2π/λ ·d·sinθ0

设两单元的相位差为Ф，上式可写成：

φ=φ2-φ1=2πλ ·d·sinθ0

即两单元的相位差Ф，补偿了两单元波程差引起的相位差，使得两单元辐射的电磁波在θ0方向能够同相相加，得到最大值，即波束指向了θ0方向。同样的分析可以得出单元2 与单元3 之间的相位差也为Ф：

φ1=φ3=2π/λ ·d·sinθ0

依此类推，任意两单元的相位差都相同。这就是说，通过移相器的调整，使得各单元辐射电磁波的相位按其序号依次导前一个Ф，分别为Фb、Ф2=Ф1+Ф、Ф3=Ф1+2Ф、…、ФN=Ф1+﹙N-1﹚Ф，使电磁波的等相位面向左倾斜，波束方向偏离天线阵法线方向向左一个θ0角度。

同理，通过移相器的调整，若各单元辐射电磁波的相位按其序号的增加依次滞后一个Ф，分别为Ф1、Ф2=Ф1-Ф、Ф3=Ф1-2Ф、…、ФN=Ф1-﹙N-1﹚Ф，则电磁波的等相位面向右倾斜，波束指向偏离天线阵的法线方向向右一个θ0角。由前面的公式可得出θ0与Ф 的定量关系为：

θ0=arcsin(λφ/2πd)

此式表明，在雷达工作波长与单元之间的间距d 一定的情况下，波束指向角θ0随Ф 而变化。只要控制移相器使各单元间产生相同的相移增量，并且其大小和正负又是可变的，则波束就可以在范围内扫描。

简单来说，控制移相器对馈入射频信号产生的相移，即可改变电磁波等相位面的位置，从而改变天线波束的指向，达到扫描的目的。这就是相控阵天线实现电扫描的基本原理。相控阵雷达技术特征

2.1 天线波束快速扫描能力

天线波束快速扫描能力是相控阵雷达主要技术特点。这一特点来自于阵列天线中各天线单元通道内信号传输相位的快速变化能力。正是由于相控阵天线的波束快速扫描的技术特点使得相控阵火控雷达具有高搜索数据率、高跟踪数据率、多目标搜索与跟踪、实现多种雷达的功能。

2.2 天线波束形状捷变能力

天线波束形状捷变能力是指相控阵天线波束形状的快速变化能力。天线波束形状捷变能力使相控阵天线可快速实现波束赋形和实现空时二维自适应处理(STAP)。空时二维自适应处理(STAP)是相控阵雷达在空域与频域同时实现对杂波干扰进行抑制的方法，用于机载相控阵火控雷达抑制地面杂波。机载雷达在强地物背景中检测目标，采用距离门多普勒滤波方法，对每一个要检测的距离单元，即可能存在目标的距离单元，通过多普勒滤波器组对目标回波进行频谱分析，从速度上分辨目标与杂波，而在不同角度上与不同距离上地物的杂波频谱是不同的，与雷达载机飞行速度及姿态有关，而且地物杂波信号是由与被检测单元同样距离的所有天线主瓣与副瓣照射的地物信号叠加而成，主瓣杂波对目标回波的信号的遮蔽最大。要检测雷达主瓣照射区内某一距离单元内是否存在目标，首先在每一天线单元或子天线级别上，对该单元的接收信号进行频谱分析，即频域滤波，然后对每一个滤波器的输出在进行自适应空域滤波，即实现自适应能力方向图形成，在该滤波器最大值对应的角度上形成接收方向图凹口。就是对回波信号的每一个多普勒频率分量，分别形成各自的天线方向图，方向图的最大值均指向预定要检测或跟踪目标的方向，而这些方向图凹口则分别对准产生该多普勒频率的强地物所在方向。

2.3 空间功率合成能力

空间功率合成能力使相控阵机载火控雷达实现了发射电磁波能量的低峰值功率、高脉冲能量和高平均功率，提高其探测性能。

阵列天线的每一个单元通道或每一个子天线阵上设置一个发射信号功率放大器，依靠移相器的变化，使发射天线波束定向发射，既将各单元通道或各子阵通道中的发射信号聚焦于某一空间方向。

2.4 多波束形成能力

相控阵雷达通过波束转换控制信号可以方便地在一个重复周期内形成多个指向不同的发射波束和接收波束。用同一个孔径可以同时产生多个独立的波束，即将一部分面阵对应产生一个波束，另一部分面阵对应产生另一个波束，各个波束又可以具有不同的辐射功率、波束宽度、目标驻留时间、重复频率和重复照射次数等。各个波束可以实现统一控制和分别控制，用于对目标的一般搜索、重点搜索和跟踪。

2.5 强抗干扰能力

相控阵雷达天线波束的快速扫描、天线波束形状捷变、自适应空间滤波、自适应空时处理能力以及多种信号波形的工作方式，使得相控阵雷达在体制上具有强的抗干扰潜在性能。在相控阵雷达中又采用了单脉冲测角技术、脉冲压缩技术、频率分集技术、频率捷变和自适应旁瓣抑制技术，进一步提高了其抗干扰性能。

相控阵机载火控雷达具有高增益和低副瓣的天线阵列，副瓣电平可达-50~-40dB，由于副瓣电平低，可以使雷达少受相邻频段雷达的互扰，使掩护式干扰机的等效干扰功率增大，给干扰机制造增加困难，提高了雷达的抗干扰能力;主瓣波束很窄、扫描方式迅速灵活，使侦察接收机可接收的脉冲数少而难以实现跟踪，低副瓣技术的采用，又要求侦察接收机灵敏度高，动态范围大，信号测定瞬时迅速，使得侦察工作难以进行;波束调零技术的采用，使其易于对抗针对雷达天线副瓣的干扰。对相控阵机载火控雷达的干扰研究

对相控阵机载雷达的干扰要从雷达原理、电子对抗原理等方面入手，从原理角度分析相控阵机载火控雷达自身固有的弱点，才能找到对应的干扰办法。从原理上讲，机载相控阵火控雷达有如下弱点：一是对所有的电子信号，只要在雷达设备的通带内的信号，它不分敌我，都能接收;二是不论雷达采用什么样的信号处理方式，只要干信比达到一定值时，它就不能干扰和有用信号的混合体中，提取有用信号;再一方面虽然相控阵雷达天线副瓣低，而且还可以采取副瓣调零等措施，但是它的天线副瓣仍然不可能为零，副瓣电平是客观存在的，副瓣干扰有机可乘。

相控阵机载火控雷达实质也是一部雷达设备，也要遵循雷达的基本工作原理，也具有上述弱点，因此只要是在雷达接收通道通带内的无线电信号，都能进入到雷达，无法回避;其次提高进入接收通道的电信号(包含有用信号和干扰信号)干扰信号能量，只要干信比达到一定值时，雷达就不能从干扰和有用信号的混合体中提取有用信号，直接影响雷达对目标的探测。根据上述分析，可采用以下方法实施电子干扰。

(1)由于天线副瓣的存在，因此通过增大干扰机功率，可进行副瓣干扰;或者直接对雷达实行宽带噪声干扰。强干扰信号进入雷达的接收通道可降低雷达接收信号的的信噪比，直至接收机达到饱和状态，破换雷达接收机的正常工作。

(2)从战术层面采用多机干扰，协同工作。相控阵雷达具有自适应空间滤波能力，能自适应地在干扰方向形成天线方向图零点，因此，单部干扰机无法对其形成有效的干扰。但是从原理角度分析自适应空间滤波需要自适应地计算空间矢量，而计算空间矢量需要空间取样，也要消耗计算时间，即自适应时间。采用两部或两部机载干扰设备协同使用，分时轮流工作，即可破坏雷达自适应空间滤波的精确性和稳定性，从而达到有效干扰的目的。结束语

篇3：超声相控阵中的成像技术

关键词：超声,相控阵,成像技术,抽样相控阵

0 引言

在无损检测领域, 传统的人工超声检测方法正在逐渐被自动超声探伤系统取代。经济实用、功能强大的微电子、电脑器件的高速发展也推动了各国在超声相控阵系统中的投入。超声相控阵检测技术因其独特的优点引起了国际无损检测领域的高度重视[1]。

超声相控阵是指按照一定的规则和时序激发一组探头晶片[2], 通过调整激发晶片的序列、数量、时间来控制波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置等参数的超声波电子扫查技术。通过相控阵可以很方便地对物体内所关心的某一特定区域实现声束扫描, 成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段。

在超声相控阵技术中, 可以直接分析得到的反射脉冲数据, 但是由于这种方法是仅仅根据反射波的状态判定被检查材料或部件中的缺陷的, 因此, 要达到定性定量的目的是很困难的[3]。超声成像技术中包括对检测方法的改进, 超声信号的处理以及图像的重建, 从而形成反映部件内部结构的超声图像[4]。所以, 将超声成像技术应用于超声相控阵探伤, 可以使检测结果以图像形式准确完整地体现出来, 可以为后续的利用数字图像技术实现自动判伤打下良好基础, 检测人员还可以自己根据图形特点方便地得出定性定量的结论, 这样将大大减轻探伤人员的负担并改善检测结果的正确性和可靠性。

1 超声相控阵成像技术

1.1 传统相控阵成像技术

传统相控阵技术利用的是脉冲反射的原理, 图1为传统相控阵的A扫成像原理, 具体来说, 可以分成相控阵发射、相控阵接收和数据显示。

如图1 (a) 所示, 相控阵发射时, 分别调整各个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟, 使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成, 形成发射声束聚焦和声束偏转效果。

图1 (b) 中, 相控阵接收时, 假设换能器发射的超声波在θ声束方向上的S处产生回波信号, 按照回波到达各阵元的时间差对各阵元接收信号进行延时补偿, 然后进行信号叠加, 从而得到S位置的信号值As (t) 。

图1 (c) 中, 数据输出时, 如果将θ声束方向上的各位置的信号值Aθ (t) 作为纵坐标, 深度作为横坐标, 就可以画出A扫波形。

在A扫的基础上, 通过电子扫描可以生成传统相控阵的各种二维成像方式, 从而形成 B扫、C扫、S扫等[5]。

图2为常规相控阵技术B扫的成像原理图, 由图1 (a) 可知, B型的扫描依次以按相同聚焦律和延时律触发各组晶片[6], 从而得到扫查面上每条扫描线上的A扫数据Aθi (t) 。图2 (b) 为数据重构的原理, 即将多个A扫数据。图2 (b) 为数据重构的原理, 即将多个A扫数据组合成二维矩阵B, 以直角坐标方式将矩阵的数据进行像素表示, 便可形成整个扫查面的B扫图。

如图3为常规相控阵技术的S扫成像的原理, 与B扫稍微有些不同。S扫依次以按不同的聚焦律和延时律触发各组晶片, 使S型的扫描声束的角度依次等差变化, 从而得到扇形扫查面上每条扫描线上的A扫数据Aθi (t) , 然后将多个A扫数据结合起来可以形成二维矩阵S, 最后以极坐标的方式将矩阵S中的数据重构, 便可形成S扫图像。

图4 (a) 中的C扫是在B型扫描的基础上增加了一个机械轴, 从而获得整个扫查体积的三维数据A (x, y, z) 。图4 (b) 表示在 (x, y) 坐标固定时, z轴方向上的A型数据都只保留最大值, 便可得到C扫二维矩阵:C = Azmax (x, y) , 最后将这二维数据以像素的形式表示, 从而实现C型图像。

1.2 合成孔径聚集成像技术 (SAFT)

合成孔径聚焦技术就是用信号处理的方法使小尺寸 (孔径) 的换能器具有大孔径阵的指向特性的功能, 实现高分辨成像[7]。如图5所示, 采用换能器阵列, 各阵元作为点源发射, 照射整个物体接收来自物体各点的散射声信号, 然后根据像点的空间位置, 对各换能器接收的信号引入适当延迟, 最后只需把探头在各阵元上所得到的信号幅度相加, 就等价于物点被处理成聚焦点, 从而得到物点像素值。

在图6中画出了合成聚焦技术中的各个参数, 在焦点上超声波的束径d与声波波长λ、焦距F及探头尺寸D之间有: d=1.03λF/D, 因此波长λ越小, 频率越高, 探头的孔径越大, 检测的分辨率就越高[8]。

SAFT成像分辨率高, 能在近场工作, 并能实现三维成像。但是, 对每一个孔径点, SAFT需要采集和存储整个回波信号, 即全波采样, 其重建理论也比较复杂。无论对硬件和软件, SAFT成像系统要求都比较高。

1.3 抽样相控阵技术 (SPA)

图7为抽样相控阵技术基本原理[9], 其中7 (a) 中设相控阵中的某一个换能器单元i发出单个声束, 图7 (b) 表示i单元发出声波后, 所返回的超声回波信号要求每一个换能器单元都要进行捕获[10], 得到数据集合{Aij (t) , j=1, 2, …, N }。当所有的单元 (i=1, 2, …, N) 依次完成了发射和全部接收过程, 就可得到一完整的信息矩阵[11]Aij={Aij (t) } (i=1, 2, …, N ;j=1, 2, …, N) 。

因为换能器阵列的各个发射接收分量都可合成一个虚拟的点源, 这为在任何扫描角度下、任意聚焦点上的完整“扇扫”视图的重构提供了可能[12]。SPA方法中单个像素值的计算方法[13]如图8所示, 设发射晶片i和接收晶片j与像素O的距离分别为Li和Lj, 则利用 (Li+Lj) 以及超声波速v求出toij, 进而得到像素O的幅值在超声信号Aij (t) 中的聚焦分量Poij=aAij (toij) , a为信号转换系数。以此类推, 得到Mi={Aij (t) , j=1, 2, …, N }中对应的所有的聚焦分量Aij (toij) , 则像素O的幅值大小可表示为:undefined

从原理上讲, SPA技术允许数据重构技术的开发中, 一个无限的可能就是合成聚焦的应用, 尤其应用于在查询单元扫描时信息矩阵 (Aij) 的扩大, 可达到较大的组孔径并有利于相关检测[14]。对SAFT 算法的综合使用, 使SPA系统可以通过自动聚焦到物理边界 (近场) 内的图像的每个像素。

比起传统超声相控阵成像方法, SPA法有几个显著的优点, 首先, 当出现小的检测数据抽样错误时, 检测图像不会受到影响;其次, SPA技术可以使检测材料的死区 (或近表面区) 有效地减少[15], 如图9所示, 图9 (a) 为传统相控阵方法下检测图像, 可以看到在近表面检测区存在很大的干扰, 难以得出检测结果, 形成了近场死区;图9 (b) 为SPA方法下的检测图像, 可以看到干扰大大减少。最后, 利用SPA还可以显著提高检测速度。

2 结束语

在进行超声检测系统设计时, 一方面可以选择传统相控阵成像技术中的视图扫描方式来达到特定的显示效果, 比如利用B扫或S扫可以分别得到平行于声束的矩形或扇形截面图, 选择C扫可以获得垂直于声束的平面投影图;另一方面可以从成像原理出发采用较好的成像技术, 如可利用SAFT提高成像分辨率, 利用SPA技术可以提高检测速度并减少干扰。通过这两方面的改进, 可以更好地解决超声检测的速度限制、随机误差和判伤不便捷等等问题。

篇4：相控阵超声检测技术

超声相控阵检测技术20世纪60年代就已经出现，被应用于医疗领域。但是由于固体中波动传播复杂性、系统复杂性和成本费用高等因素存在，限制了超声相控阵检测技术在无损检测中的运用。而电子技术和计算机技术以及压电复合材料等高新技术被广泛综合应用，促进了超声相控阵技术发展，并且渐渐应用到工业无损检测中。

【关键词】：超声相控阵无损检测

现代技术飞速发展，带动了很多高新技术在超声相控阵技术中被综合应用，从而降低了相控阵系统复杂性与制作费用[1]。而且相控阵技术具有比传统超声波检测更加明显的优势，使得超声相控阵检测技术被广泛应用于工业无损检测领域，并且日渐得到人们重视，迎来了很大的发展空间。

1.超声相控阵检测技术

超声相控阵检测技术建立在惠更斯原理上，其探头由许多个晶片组成。要应用时，则需要按照相关规则以及时序激活探头中一组或全部晶片，其中相控阵仪器的控制能力与检测需要决定着晶片激活数量。晶片被激活后，发出的超声波即为次波。每一个晶片的次波会彼此干涉，形成新波阵面并传播开来，从而形成超声波束检测工件。

2.无损检测技术

无损检测就是在不损坏被检测设备的基础上，根据物理特性将被检对象的内外部缺陷的位置、形状、大小以及扩展趋势的一种现代化检测技术。以往，无损检测的应用具有宏观不连续性，几乎只是对使用过一段时间的结构件进行检测。而后来的事实证明，无损检测适合应用在材料生产以及应用的所有过程中，可以被广泛推广。而常用的无损检测方法存在5种，即为射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测和超声检测。

3.超声相控阵无损检测技术基本原理与特点

相控阵超声无损检测与传统超声无损检测技术不同，其基本原理为相位控制，包括发射和接收两个部分。其中发射部分是指可将电子技术应用在阵元的发射相位与超声强度的调整方面，使得声束发生偏转与聚焦。可根据相关要求对焦点位置与聚焦方向进行动态自由调节，也就是将每个阵元中发射信号的相位进行调整，使得每个阵元在到达焦点时，其声束相位相同，实现相控聚焦[2]。

基于互易定理的相控阵接收时，回波到达每个阵元会存在相应时间差，而相控阵则会按照其时间差对各个阵元接收的信号实行延时补偿。然后再将声束合成，使得待定位置上的回波信号叠加起来，达到增强的作用。至于其他方向的回波信号会被减弱或者抵消。

各个阵元的相位和幅度控制以及声束的形成使得相控阵出现聚焦和变迹等多种效果，其检测技术最大的特点就是声束角度可控以及动态聚焦。

4.超声相控阵技术优势

与传统超声检测技术相比，超声相控阵技术更具灵活性，检测速度也较快，能够检测一些复杂结构件和盲区位置的缺陷。超声相控阵技术并不需要更换探头，其探头尺寸也更小，可以对聚焦长度和聚焦尺寸以及声束方向进行优化控制，其分辨力和信噪比以及缺陷检出率作用十分显著。另外，超声相控阵技术可以通过控制局部晶片单元组合的声场，进行电子高速扫描，同时对试件高速、多方位以及多角度检测。超声相控阵技术的检测结果非常直观，可以实时显示出来。如果在扫查的过程中同时进行分析与评判，则可以对其进行打印以及存盘，将检测的结果永久保存下来。

5.超声相控阵检测技术在电站设备无损检测中的运用案例

超声相控阵检测技术在电站设备无损检测中被广泛应用，下面以电站锅炉无损检测新技术为例对其进行探讨。

电站锅炉是现代化发展过程中供电所必须的设备，随着科学技术的日益提高，不少检测技术被广泛应用于电站锅炉的安全运行保障中。其中无损检测技术应用很广泛，新型无损检测技术以及仪器的日渐普及成为了该技术更加广泛被应用的催化剂。

电站锅炉机组系统比较复杂，是综合性比较强的承压设备。而该设备存在着很多方面的限制使得系统无法正常运行，比如高温、腐蚀和高压，让设备状态很不稳定，存在着泄露或者爆炸等不安全隐患。要维持设备正常运行，就要对该设备的各方面工作进行对应调整，包括设计、制造、施工、安装和检查等。因此可以为该设备营造出一个安全稳定的允许环境，充分发挥了无损检测技术的作用。

应用超声相控阵检测技术进行检测时，可以使得超声波束在设备某一位置处检测出不同几何形状，还可以使得其他相控阵探头取代不同角度普通探头。在早期时，由于相控阵的系统结构形式比较复杂，而且使用成本高，消耗多，限制了其在无损检测中的应用。而随着科学技术的发展，超声相控阵检测技术不但越发成熟，而且渐渐被广泛应用于工业无损检测之中[3]。相控阵检测技术就经常应用于汽轮机叶片根部和涡轮圆盘的检测以及火车轮轴检测等等。

而应用于锅炉检测的相控阵检测技术则比较少见，然而该技术对于电站锅炉的主要结构装置却具有重要检测效果。根据电站锅炉的相关检测标准，要明确判定其内部是否存在裂纹，应该采用超声波对过热器和再热器出口箱等引入管孔桥部位进行探伤检查。但也因为在引入之后的过热器管和再热器管相对比较集中，在常规超声波检测方法下，很难进行锯齿状移动，以致于检测技术控制运用的效果发挥不出来，为普通超声波检测操作带来了困难。

在运用相控阵技术的过程中，结合软件可以不断调整换能器阵列所形成的波束角度与焦距等参数，使得不移动探头达到焊缝扫查要求。除此之外，还可以提高电站锅炉集箱孔桥部位检测数据的准确性，以确保现场检测工作得到顺利有效开展。

相控阵技术同样逐渐普及到电站锅炉厚壁焊缝检测中。在选择相控阵仪器与探头时，企业会投入比较多成本。而采用相控阵设备要取代普通数字式超声仪对电站锅炉进行检验时，尚需一段时间。

6.结束语

在科学技术的推动下，先进的相控阵超声技术在无损检测领域里的运用更加广泛。这不仅有利于保护电站锅炉的正常运行，也使得无损检测技术与以后电站设备运行技术的发展紧密相连，创造出理想的社会效益以及经济效益。

参考文献：

[1] 郑秀莲，计时鸣. 超声相控阵技术在SAP领域无损检测中的应用[J]. 机电技术. 2013（4）：132-133.

[2] 潘亮，董世运，徐滨士，刘彬. 相控阵超声检测技术研究与应用概况[J]. 无损检测. 2013， 35（5）： 26-27.

篇5：相控阵超声检测技术

相控阵天线试验子阵波束指向性能分析

针对一个基于四位数字移相器的.相控阵天线试验子阵,对其进行波束指向性能分析,得到扫描波束的波束宽度、指向误差和增益跌落等参数,计算数据与试验结果基本吻合,该分析方法将可应用于更大规模相控阵天线的性能分析.

作者：斯扬 SI Yang 作者单位：北京空间飞行器总体设计部,北京,100094刊名：航天器工程 ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENGINEERING年，卷(期)：16(4)分类号：V443关键词：数字移相器相控阵天线波束指向

篇6：相控阵超声检测技术

【关键词】相控阵雷达;天线;多任务;测试系统;设计方法

近场天线测试系统作为相控阵雷达天线性能测试的主要手段，该系统随着相控阵天线技术的完善，其测试效率也不断提升。基于应用需求，近场天线测试系统实现多任务测试是发展的主要趋势，目前该系统也已经被广泛的推广应用。

一、相控阵雷达天线概述

相控阵雷达包括有源电子扫描阵列雷达、无源电子扫描阵列雷达，其主要是通过改变天线表面的阵列波束合成形式，进而改变波束扫描方向的雷达。此类型的雷达天线的侦测范围较为广泛，利用电子扫描，能够快速的改变波束方向，精准的测量目标信号。

二、近场天线测试系统建设功能需求分析

近场天线测试系统设计，需要做好软件需求分析，此系统功能需求如下：1）要能够满足全测试周期可配置，以及软件通用化需求。此功能需求的实现，责任需要构建众多数据源输入接口，配置通信协议以及软件界面等，面向各类相控阵天线测试，进而达到通用化需求目标。2）实现多任务测试。相控阵雷达天线的不断发展，使得传统的单任务测试方法，已经难以满足天线测试需求，基于此进行多任务测试方法设计，在测试探头单独扫描条件下，采取高密度测试方法，即多个频率与波束等，实现高效测试。

三、相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计方法

多任务测试系统主要是利用软件，进行测试参数预设，包括测试频率、波束角度、扫描架运用范围等。利用数据处理软件，进行分解转换测试，计算各采样点数据，获取天线方向图性能参数，最后显示图像。3.1架构设计方法相控阵雷达天线近场多任务测试系统架构设计，其是基于构件化设计思想，利用软件构成元素，由标准接口负责提供特定服务，以支持系统开发。系统架构中的构件库，主要分为数据采集类、三维扫描控制补偿类、方向图与数据处理类，构件存在形式为COM、dll等，使用构件管理工具，则能够进行动态加载与管理，进而在系统开发过程中，进行构件注册与复制，实现版本控制。利用GetTypes静态方法，来获取Assembly内的构件类型，判断构件类型，看其是否为构件接口所派生的，若是则运用Activator动态方法，即CreateInstan函数，来获取构件，实现动态加载[1]。3.2多任务设计方法相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计时，需要进行多任务设计。相控阵天线的各波束状态，主要是天线波控分系统控制，天线接收波控指令包，由波控分系统进行分解处理，对天线上的波束扫描进行控制。近场天线多任务测试设计，其核心思想是实现天线实时扫面测试，同时控制天线频率与波束等的切换，进而实现实时同步切换。多任务测试系统运行的过程中会产生大量的数据，因此为了避免数据访问冲突，则采取创建多线程的方法，进行数据处理，将其分为数据处理与显示型、接收机测试型、伺服控制型线程。线程创建后，将会独立运行，各线程将会在其自身的时间段内，使用CPU，实现轮流执行与并发执行。3.3系统接口设计方法相控阵雷达天线近场多任务测试系统功能实现，数据源要与数据服务层实现交互，同时还需要确保数据服务层和客户端实现交互。天线近场测试系统主要是利用数据源插件，来封装底层API驱动或者通讯协议，基于标准函数，形成动态链接库，以实现测试的实时性。系统数据服务层的功能为插件容器，当系统运行时能够实现快速配置查找，动态的将插件放入系统构架中，或者从构架中取出，实现系统功能配置。利用TCP网络通信，实现数据服务层和客户端的信息交互，用户可以登录账号，通过身份验证后，完成界面文件下载，由客户端负责发送TCP连接请求，基于通讯协议，进而实现交互。3.4控制器设计相控阵雷达天线近场多任务测试系统控制器设计，主要包括雷控信号仿真电路、GPIB接口电路、信号转换电路与电源等。系统运行前，控制器通过GPIB接口电路，来接收系统中心的指令，记录测试所需要的频率码与波位码等，将其传送给雷控信号仿真电路，基于定时协议，实现解码与缓存。开始测试后，信号电路接收外触发信号，基于各测试点，将雷控与定时信号传送给天线，实现波位切换，同时而仿真电路能够和雷控信号、定时信号协调发出信号。最后协调控制天线测试所需要的各种信号，实现多任务测试[2]。3.3结束语相控阵雷达天线近场多任务测试系统设计，需要合理设计系统架构，以及多任务测试功能、接口设计等，以确保系统能够实现多任务测试与可拓展性，提高天线测试的效率。

参考文献

篇7：相控阵超声检测技术

传统的超声检测采用单晶片探头发散声束, 在某些情况下也采用双晶片探头或者单晶片聚焦探头来减小盲区和提高分辨率。但是不管是哪种情况下, 超声场在介质中均是按照一个单一角度的轴线方向传播。

单一角度的扫查限制了超声检测对于不同方向缺陷定性和定量的能力。因此, 大部分标准都要求采用多个角度的声束扫查来提高检出率。但是对于复杂几何外形、大壁厚或者探头扫查空间有限的情况检测很难实现, 为此就需要采用相控阵探头和聚焦声束来满足上述情况的检测要求, 如图1、图2所示。

本文重点介绍超声相控阵技术在焊接接头检测方面的应用及其优势。此法是当今无损检测技术中极富有创造性的超声检测新技术, 可有效地检出焊接接头中的各种面状缺陷和体积状缺陷。检测结果以图像形式显示, 为缺陷定位、定量、定级及估判定性提供了丰富的信息。

1 超声相控阵

1.1 动作原理

超声相控阵是超声探头晶片的组合, 由多个压电晶片按一定的规律分布排列, 然后逐次按预先规定的延迟时间激发各个晶片, 所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面, 能有效地控制发射超声束 (波阵面) 的形状和方向, 能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。它为确定不连续性的形状、大小和方向提供出比单个或多个探头系统更大的能力。

通常使用的是一维线形阵列探头, 压电晶片呈直线状排列, 聚焦声场为片状, 能够得到缺陷的二维图像, 在工业中得到广泛的应用。

1.2 阵列类型

阵列顾名思义就是晶片在探头中排列的几何形状。相控阵探头有3种主要阵列类型:线形 (线阵列) 、面形 (二维矩形阵列) 和环形 (圆形阵列) , 如图3所示。目前相控阵探头大多数采用线形阵列, 因为线形阵列编程容易, 费用明显低于其他阵列。

1.3 阵列系统

相控阵换能器系统能控制超声束的转向, 这是实时超声成像中的关键特性。而实时成像中, 能够对快速移动的组织结构成像和评价, 并且该工艺易于实现自动化, 从而消除因操作技术水平的差别引起的判断变化。实现实时成像的3种扫描方法:线形扫描、扇形扫描和在线形扫描的界面上带有扇形扫描的线形扫描。相控阵列除有效地控制发射超声束的形状和方向外, 还实现和完善了复杂的无损检测应用要求的2个条件:动态聚焦和实时扫描。

1.4 电子扫描 (E-扫描)

电子扫描又称线形扫描:就是在一组激活晶片上同时发送同样的聚焦法则和延迟时间, 扫查时角度固定, 以成组的晶片沿着相控阵探头长度方向进行扫描, 如图4所示。

1.5 扇形扫描 (S-扫描)

扇形扫描也称作方位角扫描或者斜角扫描:就是采用相同的晶片和特定聚焦深度的声束, 在一定角度范围内的扫描。可以同时进行聚焦深度不同的扫描, 这类倾斜的扇面可以具有不同的扫描值, 如图5所示。扫描范围的起点和终点角度取决于探头的设计、楔块和波的类型, 扫描范围依然受制于物理学规律。

2 扫查方式

用相控阵探头对焊缝进行检测时, 无需像普通单探头那样在焊缝两侧频繁地来回前后左右移动, 而相控阵探头沿着焊缝长度方向平行于焊缝进行直线扫查, 对焊接接头进行全体积检测。该扫查方式可借助于装有阵列探头的机械扫查器沿着精确定位的轨道滑动完成, 也采用手动方式完成, 可实现快速检测, 检测效率非常高, 如图6所示。

3 应用实例

不同厂家超声相控阵设备的功能、操作及显示方式等各不相同, 但是检测应用基本相同。本文现以以色列Sonotron NDT公司生产的相控阵设备 (即ISONIC-UPA) 应用为例来分析介绍。ISONIC-UPA设备有其独特的技术特点和优势, 不同于其他厂家的相控阵设备, 体现了超前的理念。

3.1 角度补偿

传统工业相控阵定量方法不具有角度、声程、晶片增益修正技术, 多晶片探头通过楔块入射到工件内部时存在入射点漂移现象和能量分布变化。采用单一入射点校准方式与常规距离-波幅曲线修正, 造成的扇形扫查区域中能量分布不均匀及测量误差等问题未能有效解决, 如图7所示。而ISONIC-UPA相控阵设备具有角度补偿功能, 能有效地解决此类问题。

所谓角度补偿就是针对不同的聚焦法则, 输入扇形扫查所需的角度范围及入射角度的增量后, 晶片可以分别进行角度增益调整, 也就是晶片角度增益修正。

有了角度增益补偿设置功能, 可以取代传统的通过设置DAC曲线的方法来补偿增益变化。在ASME Case2557标准中明确指出进行扇形扫描时要进行角度增益补偿。角度增益补偿曲线如图8所示, 经过角度补偿后得到的等量化数据如图9所示。

3.2 二次波显示

传统相控阵扇形扫查采用单纯的声程显示, 不能显示缺陷的真实位置, 如图10所示。这种成像模式将处在二次波位置上的缺陷转换成一次波位置进行成像显示, 给分辨缺陷的具体位置增加难度, 不能直观给出缺陷真实位置。对于检测角焊缝、T形焊缝、K形焊缝及Y形焊缝无法显示真实成像结果, 使该成像模式的应用受到限制, 仅能用于检测对接接头。

而ISONIC-UPA采用二次波检测成像显示模式, 成像结果与真实几何结构一致, 如图11所示。这种成像模式能直观显示缺陷的位置及被检工件焊缝的真实结构, 这是声程显示成像模式无法比拟的。

3.3 检测应用

3.3.1 动车横梁管对接焊缝检测

3.3.1. 1 检测部位及坡口示意图

(1) 检测部位说明。横梁管一端内壁被机加工, 加工的形状及规格如图12所示, 目的是为了套入侧梁的横梁座中。

侧梁的横梁座端头加工后, 为了插入横梁管, 如图13所示。

从图12和图13看, 受工件结构限制, 检测空间有限, 仅能从横梁管侧单面 (即图14中A面) 进行检测。相控阵探头放在图14中A面上, 且探头前端距焊缝边缘的距离为12 mm。

(2) 坡口示意图。图14是对接后的坡口示意图。该接头既有对接, 又有搭接的型式。焊接方法采用自动焊。

3.3.1. 2 检测结果

采用相控阵技术中的扇形扫描检测该焊缝, 一次扫查即可检测整个焊接接头, 而常规手动超声波需要采用不同角度的探头进行多次检测。检测结果发现有超标缺陷。采集的三维视图, 如图15所示。

采用的设备是ISONIC-UPA相控阵设备。探头参数为1个线形相控阵探头, 晶片数为32个, 频率为5 MHz。扇形角度范围为35°~80°。检测标准为EN1714—1998和EN1712—1997。试块为EN1714—1998中DAC曲线试块 (准3 mm的横通孔) 。

3.3.1. 3 裂纹解剖图