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【摘要】随着社会的进步，电子计算机技术的迅速发展，对于混凝土结构内部探测已经成为当前研究的一个热点。混凝土结构复杂、探头耦合、检测信号的发射与提取以及后期的信号分析与处理等问题都成为混凝土探测的研究难点，而且对于大面积混凝土检测的效率问题也有待于解决。所以需要找到一种行之有效的方法来解决其中的一些关键问题来提高混凝土探测的分辨率和效率。本文引入阵列合成孔径聚焦算法的研究，相信它能解决以上诸多问题。
【关键词】分辨率 阵列 SAFT 探头聚焦 超声脉冲 阵列SAFT算法
一、检测分辨率
无论是超声成像，还是在雷达中，基本目的都是确定目标的空间位置。体积目标界面各点的空间信息了解以后，就可以转换为用人眼可见的物体图像显示在屏幕上，所成图像的清晰程度与成像系统对相邻的两个或几个点目标的分辨能力有关。统对在同一方向，不同距离上的两个目标的分辨称为深度分辨；对在同一距离，不同方向上的两个点目标的分辨称为横向分辨或侧向分辨。成像系统的分辨能力越高，则可以把靠得越近的两个点目标分辨开，这样所成的图像细节就越容易辨认，也即图像清晰度越高。
二、阵列SAFT探头聚焦算法原理
与传统双探头合成孔径聚焦成像相比，采用线形阵列探头又有了新的特点。提出的线形阵列探头的工作方式是阵列中的每个探头轮流做发射探头，其他的探头都当做接收探头，然后分别收集每个接收探头上采集的数据，最后将数据导入计算机进行进一步的成像处理。若由 6 个探头组成的线形阵列在进行探测时，会在探测结构体中充分形成9条独立的A扫孔径线，相应的若由k个探头所组成的线形阵列，会在探测结构体中充分形成2k-3条独立的A 扫孔径线，。由于探头固定扩散角的原因，假设反射点 P 只能被阵列中的n个探头探测到，且n≤k。P点到探测表面的垂直距离为R。
由于P点只能被阵列中n个探头探测到，探测体内就会有2n-3条独立的有效孔径扫查线。P点到这n个探头发射点的距离ri 是变化的，如公式所示：
ri= （i=1,2，...，n）
式中di为这n个探头到P点的横向距离。由于线型阵列探头的结构特点，P点反射信号在阵列各有效孔径信号中的实际声程Sm 也是变化的，可用公式表示：
其中m=1,2，...，（2n-3）
式中m表示各有效孔径信号的序号，Sm 随着 m 值为奇数值或偶数值的差异表现出不同的递推关系。但是点 P 在各个有效孔径检测信号中反射回波达到时刻tm也不同，可以表示为：
线形阵列探测中的重建过程可通过公式所示进行聚焦：式中Sm当P点位于奇数值有效扫描孔径线上时为Sm’；当P点位于偶数值有效扫描孔径线上时就为Sm"。V表示混凝土中的平均声速。点P在线形阵列探测中的重建过程可通过公式所示进行聚焦：
式中F(tm)为第m个有效孔径信号中点P的回波；S为点P的重建信号。按照上述阵列SAFT算法，采用线形阵列探头可对混凝土结构中其他任意反射点进行有效聚焦。
三、阵列SAFT算法理论推导
（一）成像情况分析
如下图，以缺陷点位于阵列中第5条扫描线上的情况为例进行分析，假设第5条扫描线上的缺陷点为图中交点，位于其它奇数值扫描线上的情况类似。第5条扫描线主要是由3号探头和4号探头探测形成的A扫孔径线，它左边的第4条扫描线主要是由2号探头和4号探头探测形成的A扫孔径线，它右边的第6条扫描线主要是由3号探头和5号探头探测形成的A扫孔径线。现在说明这3个孔径信号的聚焦原理，如何把缺陷信号叠加到其所在的第5条扫描孔径线上。
（二）奇数值扫描线合成孔径聚焦算法推导
这3个孔径的合成聚焦处理，就是把第4条扫描孔径线和第6条扫描孔径线上相应位置的缺陷信号按距离修正并叠加求平均到第5条扫描孔径线上相应位置的缺陷信号上去，重建成像区域的信号反射图。这3个孔径中相应缺陷回波信号声程几何关系如下图所示。假定线形阵列中各个探头的直径都为20mm。
假设第5条扫描线信号中开始出现缺陷点反射回波时，该时刻对应的已采样点数为n。
最终得出：
上述式中 a—第5条扫描线上缺陷信号声程的一半;
V—声波在混凝土中传播时的平均声速；
n—采样点数；
tcy—采样时间；
N—采样延迟点数。
四、结束语
本文首先阐述了分辨率，然后根据阵列SAFT探头聚焦原理提出一种具有更高成像分辨率的阵列SAFT算法。该方法不仅采集每相邻探头间形成的扫描孔径信号，同时也采集每相隔探头间形成的扫描孔径信号，最大限度增加进行阵列据融合处理的有效数组维数，再配合有效的信号处理方法滤除结构噪声和表面直达波幅度，理论上可对结构内反射点具有快速、更高分辨率的成像效果。
参考文献：
[1]沈建中.超声成像技术及其在无损检测中的应用.无损检测，vol.16，No.7，July 1996,pp.202-206.
[2]孙宝申，张凡，沈建中.合成孔径聚焦声成像时域算法研究.
[3]李秋锋，石立华，梁大开.基于合成孔径聚焦技术的混凝土断面二维成像方法研究[J].声学学报,2008,4(33).
【关键词】分辨率 阵列 SAFT 探头聚焦 超声脉冲 阵列SAFT算法
一、检测分辨率
无论是超声成像，还是在雷达中，基本目的都是确定目标的空间位置。体积目标界面各点的空间信息了解以后，就可以转换为用人眼可见的物体图像显示在屏幕上，所成图像的清晰程度与成像系统对相邻的两个或几个点目标的分辨能力有关。统对在同一方向，不同距离上的两个目标的分辨称为深度分辨；对在同一距离，不同方向上的两个点目标的分辨称为横向分辨或侧向分辨。成像系统的分辨能力越高，则可以把靠得越近的两个点目标分辨开，这样所成的图像细节就越容易辨认，也即图像清晰度越高。
二、阵列SAFT探头聚焦算法原理
与传统双探头合成孔径聚焦成像相比，采用线形阵列探头又有了新的特点。提出的线形阵列探头的工作方式是阵列中的每个探头轮流做发射探头，其他的探头都当做接收探头，然后分别收集每个接收探头上采集的数据，最后将数据导入计算机进行进一步的成像处理。若由 6 个探头组成的线形阵列在进行探测时，会在探测结构体中充分形成9条独立的A扫孔径线，相应的若由k个探头所组成的线形阵列，会在探测结构体中充分形成2k-3条独立的A 扫孔径线，。由于探头固定扩散角的原因，假设反射点 P 只能被阵列中的n个探头探测到，且n≤k。P点到探测表面的垂直距离为R。
由于P点只能被阵列中n个探头探测到，探测体内就会有2n-3条独立的有效孔径扫查线。P点到这n个探头发射点的距离ri 是变化的，如公式所示：
ri= （i=1,2，...，n）
式中di为这n个探头到P点的横向距离。由于线型阵列探头的结构特点，P点反射信号在阵列各有效孔径信号中的实际声程Sm 也是变化的，可用公式表示：
其中m=1,2，...，（2n-3）
式中m表示各有效孔径信号的序号，Sm 随着 m 值为奇数值或偶数值的差异表现出不同的递推关系。但是点 P 在各个有效孔径检测信号中反射回波达到时刻tm也不同，可以表示为：
线形阵列探测中的重建过程可通过公式所示进行聚焦：式中Sm当P点位于奇数值有效扫描孔径线上时为Sm’；当P点位于偶数值有效扫描孔径线上时就为Sm"。V表示混凝土中的平均声速。点P在线形阵列探测中的重建过程可通过公式所示进行聚焦：
式中F(tm)为第m个有效孔径信号中点P的回波；S为点P的重建信号。按照上述阵列SAFT算法，采用线形阵列探头可对混凝土结构中其他任意反射点进行有效聚焦。
三、阵列SAFT算法理论推导
（一）成像情况分析
如下图，以缺陷点位于阵列中第5条扫描线上的情况为例进行分析，假设第5条扫描线上的缺陷点为图中交点，位于其它奇数值扫描线上的情况类似。第5条扫描线主要是由3号探头和4号探头探测形成的A扫孔径线，它左边的第4条扫描线主要是由2号探头和4号探头探测形成的A扫孔径线，它右边的第6条扫描线主要是由3号探头和5号探头探测形成的A扫孔径线。现在说明这3个孔径信号的聚焦原理，如何把缺陷信号叠加到其所在的第5条扫描孔径线上。
（二）奇数值扫描线合成孔径聚焦算法推导
这3个孔径的合成聚焦处理，就是把第4条扫描孔径线和第6条扫描孔径线上相应位置的缺陷信号按距离修正并叠加求平均到第5条扫描孔径线上相应位置的缺陷信号上去，重建成像区域的信号反射图。这3个孔径中相应缺陷回波信号声程几何关系如下图所示。假定线形阵列中各个探头的直径都为20mm。
假设第5条扫描线信号中开始出现缺陷点反射回波时，该时刻对应的已采样点数为n。
最终得出：
上述式中 a—第5条扫描线上缺陷信号声程的一半;
V—声波在混凝土中传播时的平均声速；
n—采样点数；
tcy—采样时间；
N—采样延迟点数。
四、结束语
本文首先阐述了分辨率，然后根据阵列SAFT探头聚焦原理提出一种具有更高成像分辨率的阵列SAFT算法。该方法不仅采集每相邻探头间形成的扫描孔径信号，同时也采集每相隔探头间形成的扫描孔径信号，最大限度增加进行阵列据融合处理的有效数组维数，再配合有效的信号处理方法滤除结构噪声和表面直达波幅度，理论上可对结构内反射点具有快速、更高分辨率的成像效果。
参考文献：
[1]沈建中.超声成像技术及其在无损检测中的应用.无损检测，vol.16，No.7，July 1996,pp.202-206.
[2]孙宝申，张凡，沈建中.合成孔径聚焦声成像时域算法研究.
[3]李秋锋，石立华，梁大开.基于合成孔径聚焦技术的混凝土断面二维成像方法研究[J].声学学报,2008,4(33).