Page 63 - 无损检测2023年第十一期

胡权耀, 等:

多阵列超声导波频相联控激励下复合材料损伤聚焦成像方法

Lamb波的压电超声相控阵技术, 可以通过时间延
迟控制波束聚焦, 实现大范围和特定区域内的损伤
扫查, 具有识别范围广、 识别速度快的特点 [ 3 ] 。因
此, 关于相控阵及其聚焦方法的研究一直是结构健
康监测领域中的热门。 LIU 等 [ 4 ] 通过符号相干因
子图像和 TFM 图像的融合, 识别到铝板中的紧凑
多损伤; KUDELA 等 [ 5 ] 将相控阵聚焦与色散补偿
结合, 有效提高了损伤成像的分辨率; TENG 等 [ 6 ]
将延迟乘法求和与全聚焦法结合, 实现了一种非线
性合成聚焦方法。近年来, 尽管大量学者致力于加
强相控阵聚焦能力, 但其波束指向在距离维度上始
终恒定 [ 7 ] , 本质都是对角度的聚焦, 对一些距离相关

的损伤识别仍存在限制。 图1 一维超声相控阵列示意
频 控 阵 这 一 概 念 最 早 是 由 ANTONIK 和 图1 中, 灰色圆圈为压电阵元, d T 为阵元间
WICKS提出的 [ 8 ] , 之后众多学者对其展开了研究。 距。以阵列中心为原点建立笛卡尔坐标系, 则中心
KHAN 等 [ 9 ] 通过阵元间对数方式增加频率偏移, 在 阵元 位 置 坐 标 为 ( 0 , 0 ), 称 其 为 基 准 阵 元; 设

目标位置实现具有单个最大值的波束图, 即点聚焦; P r , θ 为坐标系平面中任意一点, r 为P 点与中

之后, 其又与 BASIT 等 [ 10 ] 提出汉宁窗非均匀频率 心阵元的距离, θ 为P 点与x 轴正方向的夹角, 则
偏移方式, 增强其点聚焦特性; XU 等 [ 11 ] 在频控聚 第n 个阵元到点P 的距离为
焦基础上引入 MIMO 阵列配置, 实现频控阵目标距 P
2
2
(
(
r n = rsinθ ) + rcosθ- n· d T ) ( 1 )
离 - 角度的联合估计; CHEN 等 [ 12 ] 通过空间距离多 当任意点P 位于阵列远场时
普勒聚焦的方法, 实现频控阵对动目标的检测; P
r n ≈r- nd T cosθ ( 2 )
·
ZHENG 等 [ 13 ] 推导了米波 FDA-MIMO 雷达的信号 则第n 个阵元激励信号到点P 的相位为
模型, 并提出了一种广义 MUSIC 算法。雷达领域
P
2 π P
r n
的研究表明, 频控阵可以实现距离 - 角度的点聚焦, φ n = r n = 2 π f P ( 3 )
λ
c
且配合一些特定算法能够达到对目标角度 - 距离的 式中: c 为激励信号传播速度; λ 为波长; 为激励
f
高分辨率估计。 信号频率。
基于此, 文章从雷达领域引入频控阵, 将其与 在不施加任何时间延迟的情况下, 相控阵激励信
Lamb波结合, 提出了多阵列超声导波频相联控激 号的最大能量集中于阵列法线方向, 当需要对某目标
励下复合材料损伤聚焦成像方法。首先, 建立了多 点Fr 0θ 0 聚焦时, 需要对各阵元施加一组时间延
,

阵列超声导波频相联控激励聚焦信号模型; 其次, 设 F
PA , 则 t n = r n F
PA
计了一种分布式多输入多输出( MIMO ) 线性阵列, 迟, 定义第 n 个阵元时间延迟为 t n c , r n
对监测区域逐点聚焦扫查, 并建立阵列超声导波损 第 n 个阵元到聚焦点的距离, 其表达式与( 1 ) 类似。
伤回波接收, 运用多重信号分类( MUSIC ) 方法, 实 与相控阵不同的是, 频控阵各阵元相对于中心
现复合材料损伤成像; 最后, 通过玻璃纤维复合材料
基准阵元附加了一个远小于其载频的频率偏移, 使
板的仿真和试验对该方法进行了验证。
发射信号频率中心产生偏移, 但主要频率成分重叠。
1 频相联控激励信号建模 频控阵与相控阵聚焦方式对比如图2所示。
频控阵各阵元激励信号频率不同, 第n 个阵元
压电超声相控阵由多个相互独立的压电晶片组 信号为
成, 阵列中各阵元发射相干激励信号, 通过相互叠加
FDA
S n = ex pj 2π f n t , 0≤t≤T ( 4 )
t

形成一个能量较大的波阵面, 使信号获得增益。一
式中: 为第 n 个阵元激励信号频率,
f n = f 0 +
f n
维超声相控阵列示意如图 1 所示, xO y 平面内,
, 为中心基准阵元激励信号频率, Δ f n 为两
2 N+1个压电阵元沿着x 轴等间距排列形成一维 Δ f n f 0
者间的频率偏移。
超声相控阵列。
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2023年 第45卷 第11期
无损检测