用于使用超聲陣列的全矩陣捕獲的合成數(shù)據(jù)采集方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般地涉及數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，并且尤其涉及一種用于通過采用超聲陣列設(shè)備 實現(xiàn)全矩陣捕獲并且處理波形數(shù)據(jù)的新型并且有效的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在超聲波測試中，將范圍通常在0. 1至15MHz之間（偶爾高達50MHz)的中心頻率 的非常短的超聲波脈沖波射入材料中，以檢測內(nèi)部裂紋或者表示材料的特性。該技術(shù)通常 還用于確定被測試對象的厚度，例如，以監(jiān)視管壁腐蝕。
[0003] 通常對鋼和其他金屬以及合金執(zhí)行超聲波測試，盡管超聲波測試也能夠用于混泥 土、木材和合成物，但是分辨率較低。這是在許多行業(yè)中使用的一種形式的無損測試。
[0004] 接收超聲波形的兩種基本方法是脈沖回波和一發(fā)一收。在脈沖回波模式中，在 "聲"反射回裝置時，換能器執(zhí)行脈沖波發(fā)送和脈沖波接收兩者。反射的超聲來自諸如對象 的后壁的界面或者來自對象內(nèi)的缺陷處。診斷機通常以其振幅表示該反射的強度而反射的 到達時間表示距離的信號的形式顯示這些結(jié)果。在一發(fā)一收模式中，采用單獨換能器發(fā)射 和接收超聲。
[0005] 超聲測試有許多好處。這種測試方法提供高穿透力，該高穿透力使得檢測位于正 分析的零件深處的裂紋。它也是一種允許檢測極小的裂紋的高靈敏方式的測試。通常，只 需要一個表面可用于超聲測試。在確定具有平行表面的零件的內(nèi)部裂紋的深度和厚度時， 與其他無損方法相比，該方法提供更高的準確度。它提供了估計缺陷的尺寸、方位、形狀和 性質(zhì)的能力。通常，對操作或者附近的人是安全的，并且對周圍的裝備和材料沒有影響。它 還能夠是便攜式的，并且高度自動化操作。
[0006] -種超聲測試被稱為相控陣列超聲。關(guān)于這種測試，（各）探頭由多個元件（陣 列）構(gòu)成，每個元件（陣列）能夠獨立發(fā)射和/或者接收超聲。通過組合來自每個單獨元 件的發(fā)射波，生成合成聲波束。通過在元件上施加短時間的延遲并且然后一起起動（fire) 元件，可以以任何方式引導(dǎo)和/或聚焦該波束。在模擬方式中，通過跨越各元件施加一組短 延遲，并且然后將來自所有元件貢獻加在一起，可以將接收陣列設(shè)定為對來自特定角度和/ 或者焦距的進入超聲敏感。
[0007] 對于將相同的陣列探頭用作相控陣列超聲的檢驗，超聲波信息的矩陣捕獲是強有 力的技術(shù)。然而，該方法是獨特的。例如，通過連續(xù)起動每個陣列元件并且對于每次起動記 錄在所有元件處接收的波形，實現(xiàn)矩陣捕獲。在給定檢驗地址獲得的采集數(shù)據(jù)形成波形矩 陣，波形矩形的每個波形與一個發(fā)射一接收元件對相關(guān)聯(lián)。通過在整個陣列上對于每個發(fā) 射/接收元件對獲取所有數(shù)據(jù)，在通過對記錄的波形應(yīng)用一組適當短延遲并且然后將所有 信號加在一起（例如，利用計算機）采集數(shù)據(jù)之后的任何時間，能夠重構(gòu)任何角度的虛擬超 聲波掃描。
[0008] 認為矩陣捕獲與相控陣列以如下方式不同。在相控陣列方法中，在給定的檢驗地 址，在發(fā)射和接收相位期間，對所有波形應(yīng)用一組適當短延遲，并且此時將來自所有陣列元 件的波形加在一起。僅存儲最終結(jié)果。在矩陣捕獲方法中，將對應(yīng)于每個檢驗地址處的發(fā) 射與接收元件的每個組合的所有波形存儲于數(shù)據(jù)矩陣中。在后處理的任何后續(xù)時間，對存 儲的波形應(yīng)用一組適當短延遲，并且將該矩陣中的所有波形加在一起，以有效創(chuàng)建超聲的 引導(dǎo)和/或者聚焦波束。
[0009] 然而，已知的矩陣捕獲技術(shù)具有固有的顯著缺陷，即，需要存儲大量數(shù)據(jù)。對于每 個掃描地址，必須存儲所有發(fā)射/接收對的所有波形。
[0010] 作為示例，每個波形通常都要求采集1000個時間點，每個點需要1個字節(jié)。對于 32個元件的陣列，這意味著必須采集（32)2或者1024個波形。在每個1000字節(jié)，該采集都 導(dǎo)致對每個掃描地址存儲1MB的數(shù)據(jù)。甚至小掃描也要求100 X 100,或者10, 000數(shù)量級的 掃描地址。這樣采集數(shù)據(jù)將導(dǎo)致總共約10GB的數(shù)據(jù)存儲。對于利用含有m個元件的探頭 的脈沖回波檢驗，考慮到互易（reciprocity)，在每個掃描地址必須采集的波形的數(shù)量是：
[0012] 這種要求加重了數(shù)據(jù)存儲需求，并且還對掃描速度造成實際限制，因為可能難以 迅速移動如此多的數(shù)據(jù)。
[0013] 利用將掃描和/或者索引增量設(shè)定為等于其元件間距或者單位分數(shù)（unit fraction)的方法能夠?qū)崿F(xiàn)提高效率。在這種情況下，一個地址的大部分采集數(shù)據(jù)（在理論 上）等于在相鄰地址采集的數(shù)據(jù)。
[0014] -個說明性示例是陣列探頭在脈沖回波模式下工作并且具有3個元件的解決方 案。探頭將沿著與超聲波陣列相同的方向移動到3個獨立位置。在任何給定位置，為了利 用標準數(shù)據(jù)捕獲方法容納來自所有發(fā)射一接收對的數(shù)據(jù)，則必須記錄
個波形。此外，必須一次起動3個元件中的每個。為了采集3個探頭位置的所有數(shù)據(jù)，需要 全部9個元件都起動，并且必須采集18個波形。
[0015] 該解決方案在圖1中示于被標記為"標準數(shù)據(jù)采集"的區(qū)段。示出了一組表，每個 表分別表示對應(yīng)于以1個元件間距的增量移動的3個元件陣列的后續(xù)檢驗地址（示于左 上）的探頭的數(shù)據(jù)矩陣。從左到右的表表示需要在每個后續(xù)地址（A、B、C)填充的數(shù)據(jù)矩 陣。從頂?shù)降椎谋肀硎驹诤罄m(xù)探頭地址（A、B、C)相同的這些陣列。每個地址要求的數(shù)據(jù)都 是一組對應(yīng)于每個發(fā)射一接收對的波形。表中的字母表示采集數(shù)據(jù)的探頭地址。對于標準 采集，在每個探頭地址（A、B、C)，采集在該相應(yīng)地址重構(gòu)的所有數(shù)據(jù)。
[0016] 在探頭沿著陣列方向以等于元件間距的步長移動的情況下，如果元件起動了 9 次，并且采集到18個波形，則許多數(shù)據(jù)是冗余的。
[0017] 因此，需要一種捕獲波形數(shù)據(jù)的方法，該方法有效并且克服了包括但并不局限于 存儲容量的冗余和負擔的上述缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 本發(fā)明解決了本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)公知的缺陷，并且提出一種有效采用超聲技術(shù)的新穎 高效數(shù)據(jù)采集方法。
[0019] 因此，本發(fā)明的一個方案是提供一種通過有效利用超聲陣列設(shè)備，實現(xiàn)全矩陣捕 獲的方式。
[0020] 本發(fā)明的實施例提供了一種有效實現(xiàn)全矩陣超聲波數(shù)據(jù)捕獲的方法，該方法包括 步驟：提供超聲陣列設(shè)備，該超聲陣列設(shè)備還包括探頭；在多個采集地址上移動探頭；生成 多個數(shù)據(jù)矩陣，每個數(shù)據(jù)矩陣反應(yīng)在該地址采集的數(shù)據(jù)；首先采集每個采集地址的重構(gòu)所 需的多個數(shù)據(jù)的子集。在該方法中，在探頭從一個采集地址移動到下一個采集地址時，隨著 探頭移動到后續(xù)采集地址，逐步填充先前地址的數(shù)據(jù)矩陣。
[0021] 因此，本發(fā)明的一個方案提出一種有效實現(xiàn)全矩陣超聲波數(shù)據(jù)捕獲的方法，包括： (a)提供超聲陣列設(shè)備，該超聲陣列設(shè)備包括探頭，該探頭適于在測試件上定位；(b)在多 個地址采集數(shù)據(jù)；（c)生成多個數(shù)據(jù)矩陣，每個數(shù)據(jù)矩陣反應(yīng)在該地址采集的數(shù)據(jù)；（d)在 每個地址，首先采集重構(gòu)所需的多個數(shù)據(jù)的子集；以及（e)從一個地址到另一個地址采集 數(shù)據(jù)，隨著探頭移動到后續(xù)地址，逐步填充在先前地址的數(shù)據(jù)矩陣中。
[0022] 因此，本發(fā)明的另一個方案提出一種有效實現(xiàn)全矩陣超聲波數(shù)據(jù)捕獲的方法，包 括：(A)提供二維超聲陣列設(shè)備，該超聲陣列設(shè)備包括探頭，該探頭適于掃描，并且該探頭 包括掃描增量和正常掃描邊界；(B)在多個檢驗地址上移動探頭；