超声无损检测阵列设计的MATLAB实现

一、阵列参数配置与建模

%% 阵列参数设置
clear; clc; close all;

% 物理参数
c = 1540; % 声速 (m/s)
f0 = 5e6; % 中心频率 (Hz)
lambda = c / f0; % 波长
N = 16; % 阵元数量
d = 0.5*lambda; % 阵元间距 (半波长)
aperture = (N-1)*d; % 阵列孔径

% 探头几何参数
x = linspace(-aperture/2, aperture/2, N); % 阵元位置 (m)
y = zeros(1, N); % 单线阵假设

% 声场参数
depth = 0.1; % 检测深度 (m)
focus_depth = 0.05; % 聚焦深度 (m)

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二、信号生成与回波模拟

%% 激励信号生成
t = 0:1/f0:1e-6; % 时间轴 (1μs脉宽)
pulse = sin(2*pi*f0*t); % 正弦脉冲

%% 回波信号模拟
num_echoes = 3; % 模拟多次反射
echoes = cell(1, num_echoes);
for i = 1:num_echoes
    % 随机散射体位置 (x,y,z)
    scatter_pos = [rand()*0.1, rand()*0.1, rand()*0.05+0.02];
    % 计算传播路径
    distances = sqrt( (x - scatter_pos(1)).^2 + (y - scatter_pos(2)).^2 + scatter_pos(3)^2 );
    delays = 2*distances/c; % 往返延迟
    % 生成回波信号
    echo = circshift(pulse, -round(delays*1/f0));
    echoes{i} = echo + 0.1*randn(size(echo)); % 添加噪声
end

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三、波束形成算法实现

1. 延迟求和（DAS）算法

%% 延迟求和波束形成
beamform_DAS = zeros(size(t));
for i = 1:N
    % 计算聚焦延迟 (以焦点为中心)
    distances = sqrt( (x - 0).^2 + (y - 0).^2 + focus_depth^2 );
    delays = 2*distances/c;
    % 对齐信号
    delayed_signal = circshift(echoes{1}, -round(delays*1/f0));
    beamform_DAS = beamform_DAS + delayed_signal;
end

2. 最小方差无失真响应（MVDR）算法

%% MVDR波束形成（旁瓣抑制）
R = cov(cell2mat(echoes')); % 协方差矩阵
[~, ~, V] = svd(R);
weights = V(:, end); % 最小特征值对应的右奇异向量
beamform_MVDR = zeros(size(t));
for i = 1:N
    delayed_signal = circshift(echoes{1}, -round(delays*1/f0));
    beamform_MVDR = beamform_MVDR + weights(i)*delayed_signal;
end

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四、成像算法实现

1. 合成孔径成像（SAFT）

%% SAFT成像算法
image = zeros(100, 100); % 重建图像
dx = 0.001; dy = 0.001; % 像素尺寸 (m)
x_img = linspace(-0.05, 0.05, 100);
y_img = linspace(-0.05, 0.05, 100);
[X, Y] = meshgrid(x_img, y_img);

for i = 1:numel(X)
    for j = 1:numel(Y)
        % 计算各阵元到成像点的距离
        distances = sqrt( (X(i,j)-x).^2 + (Y(i,j)-y).^2 + focus_depth^2 );
        delays = 2*distances/c;
        % 信号对齐与叠加
        img(i,j) = sum( circshift(echoes{1}, -round(delays*1/f0)) );
    end
end

2. 全矩阵捕获（FMC）成像

%% FMC数据采集与TFM成像
% 生成FMC数据矩阵 (N阵元×N采样点)
FMC_data = zeros(N, 1000);
for i = 1:N
    FMC_data(i,:) = circshift(pulse, -round((i-1)*d/c*1/f0));
end

% TFM成像算法
image_TFM = zeros(100, 100);
for i = 1:N
    for j = 1:N
        % 时延补偿
        tau = 2*(sqrt( (X - x(i)).^2 + (Y - y(j)).^2 + focus_depth^2 ) - focus_depth)/c;
        delayed_j = circshift(FMC_data(j,:), -round(tau*1/f0));
        image_TFM = image_TFM + conv(delayed_j, FMC_data(i,:), 'same');
    end
end
image_TFM = abs(image_TFM);

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五、可视化与性能分析

%% 结果可视化
figure;

% 波束图对比
subplot(2,1,1);
plot(t*1e6, beamform_DAS, 'b', t*1e6, beamform_MVDR, 'r--');
title('波束形成对比 (DAS vs MVDR)');
xlabel('时间 (μs)'); ylabel('幅值');
legend('DAS', 'MVDR');

% 成像结果
subplot(1,2,1);
imagesc(x_img*1e3, y_img*1e3, image);
title('SAFT成像'); colorbar;
xlabel('X (mm)'); ylabel('Y (mm)');

subplot(1,2,2);
imagesc(x_img*1e3, y_img*1e3, image_TFM);
title('TFM成像'); colorbar;
xlabel('X (mm)'); ylabel('Y (mm)');

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六、关键优化技术

1. 动态聚焦控制

   • 根据检测深度自动调整阵元延迟，实现多深度聚焦。

   function delays = dynamic_focus(depth)
       distances = sqrt( (x - 0).^2 + (y - 0).^2 + depth^2 );
       delays = 2*distances/c;
   end

2. 旁瓣抑制算法

   • 结合MVDR与自适应滤波，降低栅瓣干扰。

   function weights = adaptive_weights(echoes)
       R = cov(cell2mat(echoes));
       [U, S, V] = svd(R);
       weights = V(:, end); % 最小特征向量
   end

3. 噪声抑制处理

   • 使用小波降噪或自适应滤波提升信噪比。

   denoised_signal = wdenoise(echoes{1}, 4); % 小波降噪

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七、工程应用案例

1. 焊缝缺陷检测

   • 模拟未熔合、裂纹等缺陷的回波信号，验证算法鲁棒性。

   % 生成缺陷回波
   defect_pos = [0.03, 0, 0.02]; % 缺陷位置 (m)
   defect_dist = sqrt( (x-defect_pos(1)).^2 + (y-defect_pos(2)).^2 + defect_pos(3)^2 );
   defect_delay = 2*defect_dist/c;
   defect_echo = circshift(pulse, -round(defect_delay*1/f0));

2. 复合材料分层检测

   • 通过多角度扫查识别分层界面反射信号。

   % 扫查角度设置
   angles = -30:5:30;
   for theta = angles
       % 计算斜入射延迟
       delays = calculate_scan_delay(theta, x, y, focus_depth);
   end

参考代码 用于超声无损检测阵列设计的程序 www.youwenfan.com/contentcsr/99403.html

八、扩展功能模块

1. COMSOL联合仿真

   • 导出COMSOL声场数据至MATLAB进行后处理。

   % 读取COMSOL仿真结果
   comsol_data = load('comsol_output.txt');
   [X, Y, Z] = meshgrid(linspace(-0.1,0.1,50), linspace(-0.1,0.1,50), linspace(0,0.2,50));

2. GPU加速计算

   • 利用CUDA并行计算加速TFM成像。

   % 启用GPU加速
   FMC_data_gpu = gpuArray(FMC_data);
   image_TFM_gpu = gather(fft(FMC_data_gpu));

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九、参数优化建议

参数	推荐范围	影响分析
阵元间距 (d)	0.4λ~0.6λ	过小→栅瓣，过大→主瓣展宽
聚焦深度	≤10λ	超过则旁瓣升高
采样率	≥10倍中心频率	低于会导致混叠失真
扫查步长	≤λ/2	步长过大会漏检小缺陷

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十、总结

本程序实现了超声相控阵的核心功能模块，涵盖信号生成、波束形成、成像算法及优化技术。实际应用中需结合具体硬件参数（如探头频率、阵元数量）调整代码，并通过COMSOL仿真验证声场特性。对于复杂结构检测，建议采用FMC+TFM算法提升分辨率，并配合深度学习进行缺陷分类。