准单次正交互补Golay码超声编解码方法研究

正交互补Golay(A、B)码是重要的超声相控阵系统编码激励码型,但两次激励可能会存在相对扫查位置变化而导致会影响解码性能,本文研究一种准单次正交互补Golay码超声编解码方法,该方法基于二元调相(0、π)理想编解码公式和AB激励转换因子的推导,实现A码一次实际激励而形成A、B码两次激励的效果,既可避免两次激励可能存在的问题又发挥了单次激励简单成熟优点,进一步设计了降噪解码模型,有效地降低了反卷积运算对噪声敏感度。通过加性高斯白噪声(AWGN)对整个系统进行仿真测试和基于现场可编程门阵列(FPGA)的实际测试,对8位Golay码进行准单次编码激励仿真测试降噪下就能获得20 d B的信噪比增益。最后,本文介绍了应用该方法的超声相控阵仪器在高难穿透材料的自动化检测的实验结果。     

基于空耦换能器的碳纤维增强环氧树脂编织复合材料激光超声检测技术

激光超声技术具有无需耦合剂、快速及高分辨等特点,适用于各向异性碳纤维增强树脂编织复合材料的缺陷检测。运用有限元法分析了激励位置和编织结构对激光点源激发超声波信号的影响,获得了弹性波在材料内部的传播规律以及能量分布特征,并采用1 MHz空气耦合换能器搭建了一套小型化、低成本的非接触激光超声C扫描成像系统,开展了斜纹和缎纹碳纤维增强树脂编织复合材料的近表微结构和内部缺陷检测实验。结果表明,基于空气耦合换能器的激光超声成像可以高精度地再现碳纤维增强树脂编织复合材料的近表树脂囊、碳纤维束形状、取向、尺寸及其内部缺陷等空间分布特征,有望为航空复合材料提供一种原位的微结构表征和缺陷检测方法。      

超快激光制备高频1-3型PIN-PMN-PT复合材料超声换能器

与其他压电材料相比,1-3型压电单晶复合材料具有优异的压电性能和更匹配的声学特性,更有利于制备出性能优异的超声换能器。该文通过有限元软件COMSOL对复合材料的振动模态及阻抗特性进行了系统的研究,同时采用皮秒激光制备了高频1-3型Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(PIN-PMN-PT)铁电单晶/环氧树脂复合材料,并进行了性能表征。该1-3复合材料机电耦合系数为0.65,声阻抗为19.96 MRayls。该复合材料可用于制备高频超声换能器,结果表明,换能器中心频率为17.68 MHz,-6 dB带宽为84.38%,插入损耗为-25.4 dB。     

玻璃钢缺陷的空耦激光超声检测

玻璃钢具有优异的材料性能而被广泛应用于航空航天等领域，但在生产和使用阶段产生的缺陷会极大影响材料的稳定性和安全性。使用传统无损检测手段检测具有各向异性、层铺结构的玻璃钢时存在一定局限。使用结合激光超声与空耦超声检测优点的混合系统，采用中心频率为450 kHz的低频空耦探头，非接触检测了玻璃钢内部不同类型的微小缺陷，并开展了接触式相控阵超声检测对比试验。试验结果表明，使用混合系统能够有效实现玻璃钢内部缺陷形状、尺寸及位置的低成本、非接触和高精度检测。     

基于脉冲激光二极管的小型化光学分辨式光声显微成像系统

采用具有价格低、体积小、寿命长、重复率高等优点的脉冲激光二极管,搭建了一套光学分辨模式的小型化光声显微成像系统,并获得了碳纤维原丝和微血管网络样品的光声显微成像。实验中,脉冲激光二极管光源由三维平移台驱动做C型扫描逐点激发,产生的光声信号由1-3复合材料超宽带超声传感器接收。实验表明,接收的光声数据信噪比可达约11dB,该系统的横向分辨率在上一代系统样机500μm的基础上提高到1.5μm,有望发展成为一种低成本、实时、便携式的高分辨率光声显微成像技术。     

基于多通道并行采集的光声成像系统

设计了一套基于多通道并行采集的快速光声成像系统,包括超声探测器、多通道并行采集系统、短脉冲激光器、计算机组成的硬件平台,并开发了配套的上位机软件来控制系统的采集和实时成像。多通道并行采集系统包括前端模拟放大、抗混叠滤波、模数(A/D)转换、数据存储器、现场可编程门阵列(FPGA)控制和通用串行总线(USB)传输等部分,它实现了64路信号的全并行采集和数字化处理。模拟样品实验结果表明,采用多个位置的旋转扫描成像能够极大地提高图像的信噪比。因此,采用高重复频率的激光器作为激发源及多个探测器的全并行采集,有望发展成为一种实时的生物组织无损成像系统,为临床医学的无损伤检测提供了新的方法。     

基于双模式超声换能器的选择性激光熔化316L制件弹性常数无损表征研究

选择性激光熔化技术(SLM)可以快速成型任意结构的金属零件,但其制件的内部组织和材料性能与传统制件有着显著区别。基于双模式超声换能器对SLM 316L不锈钢制件的不同方向弹性常数及其分布进行表征研究。首先通过设计并制备高性能双模式超声换能器,搭建超声弹性常数分布测量系统。对SLM制备的316L不锈钢试样依次进行纵波和两个正交横波声速测量,获得同位置处不同方向弹性模量和泊松比。通过不同成型方向的声速测量,发现SLM制件在堆积z方向熔化层内呈现显著区别,表现出明显的各向异性。而y-z平面内弹性常数分布表征表明,杨氏模量E_(13)大于E_(12),泊松比σ_(13)小于σ_(12),且制件各熔化层弹性常数分布规律相似。此外,还讨论了加工过程中扫描速度和扫描间距等工艺参数对弹性参数的影响。选择性激光熔化制件弹性常数的有效无损表征将为增材制件内部质量控制和工艺改善提供技术基础。     

基于透明超声换能器的光声显微镜设计

光声显微镜结合了光学成像的高分辨率和声学成像的组织穿透深度,在生物医学领域有着广泛的应用。随着技术的发展,其小型化系统有着新的发展机遇。然而,传统光声显微镜的光路受超声换能器的不透明影响,声-光共聚焦扫描需要复杂的模块,不利于光声系统的小型化发展。提出了基于透明超声换能器的光声显微镜,自主制作了7 MHz透明超声换能器,实现了小型化、低成本、大视场的同轴共焦成像模式。实验结果表明：基于透明超声换能器的光声显微镜,横向分辨率为18.0μm,信噪比高达38 dB,成像范围可达16 mm×16 mm。对小鼠鼠耳皮下血管的成像实验验证了系统具有成像生物组织网络的能力。