阵列超声场的信号采集与处理系统

系统软件采用模块化方式编写，包括数字示波器初始化、译码选通、数据采集、参数测量、全波存储以及各种信号处理模块。

借助TDS210示波器自带的TDS2MM扩展模块的编程手册，可非常方便地实现计算机和示波器之间的通信，并对示波器中波形信号进行采集。系统启动后，对示波器进行初始化，设定通信参数，将示波器基、通道、触发、显示等子系统做相应设置，并开动选通，进行自动扫查。示波器实时采集换能器阵列装置中的超声波信号，同时计算机向示波器发送命令，取加数据，放入计算机内存，对常用波形参数（如周期、频率、振幅、上升时间、下降时间、脉冲宽度、峰-峰值等）做测量，将波形数据与测量结果存入计算机硬盘，留做后处理。所有数据可存成一个64阶的矩阵，矩阵的每个元素对应的是一个2500个点的回波信号。

2.3 信号处理与分析

通常的信号处理软件首先检出波形数据部分，从时域、空域和频域三个方面分别提取其有关特征参数。时域参数包括波的前沿、后沿、存在时间等；空域参数包括其均值、均方值、方差、概率密度等；频域参数包括其频谱密度等。

本系统不是简单地对单个波形数据进行特征提取。而是将一组波形数据先进行预处理，提高了信噪比后再进行信号的分析处理。

3 相控阵模拟及缺陷检测

图2是一组回波，代表的是第17号晶片接收的各个晶片所发射的超声波信号的反射回波。信号群A、B、C、D、E、F、G分别对应铜块试样中的预留孔a、b、c、d、e、f、g。在回波信号后面，与之平行等距而且波幅有所减小的为侧面波。如果信号足够强，可以有多次侧面波，例如B1、C1、C2等。

    相控阵的工作原理是通过改变相邻超声换能器的相位差Δφ值（也就是调整各个晶片发射时间），来达到在指定位置聚焦的目的。相控阵超声的精确延时发射是超声相控阵系统中的重要环节，其硬件设计和调试过程是很复杂的。本系统采用一种新的思路，即把信号做移项处理，然后虚拟延时发射、定点聚焦，而无需制作实际的相控延时和同步发射的控制电路。

虚拟聚焦点在孔b的中心，坐标为(58.6,74)。17号晶片在孔b的正上方，因它发出的超声到达b孔中心的距离最短，所以也就能最早接收到由b孔反射回来的超声。因此它的回波信号在信号族B中，应该在最前面。根据声程的不同，将64条信号进行移项处理，使之都与17号晶片的信号B对齐，结果如图3所示。经过延时，所有晶片发射的超声在该点的回波信号(B')在时间上排列一致，即各个晶片发射的超声在该点处发生了实际的聚焦。数据处理分析的结果和实际情况相吻合，说明此处确实存在缺陷。

将图3所示的延时排列的信号叠加，得到图4所示的信号i。i为所有晶片发射的超声在b点聚焦的信号，64个晶片的贡献同相叠加，所以信号很强。信号ii是第17号晶片对孔b自发自收的回波信号，只是一个晶片的贡献，最高峰不到18mV。从图中可以明显看出，聚焦后孔b的回波信号i显著增强，回波峰-峰值达到0.45V，随机的噪声信号以及其它孔的回波信号和噪声都互相抵消而几乎消失，只留下缺陷孔b的一次回波及其自身的一次侧面波。

将图4中的信号i、ii进行傅立叶变换，得到图5所示的频谱图[2]。如图5（a）所示，聚焦信号i的能量主要集中在1.2MHz左右，能量分布规整，带宽约为0.5MHz。图5(b)所示的单个晶片的回波信号ii，其中心频率为1.2MHz，与信号i的中心频率基本吻合，但是能量分布比较分散，最大值也只有i信号的300分之一。

幅值和频谱对比的结果表明，如果只用一个晶片的回波信号进行处理分析，缺陷的回波信号很微弱，信噪比低，信号的能量 也很低。采用阵列晶片的聚焦信号，缺陷孔的回波信号显著增强，信噪比很高，而且反映在频谱图上，主频信号能量较大，分布规整，有一定的带宽，从而使得有效的检测信号得到增强，更便于缺陷的识别和检出。