超声全聚焦成像检测技术及应用 陈尧 卢超

本书汇集作者多年研究和工作实践经验，采用案例式原理剖析方式全面讲解，彩色印刷，方便理解掌握。

本书对超声全聚焦成像检测理论进行了介绍，给出了最新的MATLAB 方程和源代码，采用图示和MATLAB 实例相结合的方式，可使读者加深对全矩阵捕捉、延时叠加、全聚焦图像重建等概念的理解，还介绍了双层介质全聚焦成像、多模全聚焦成像、相位相干成像、频域全聚焦成像技术等，并系统介绍了全聚焦成像技术在无损检测领域的应用。
本书可供超声无损检测技术及相关领域的科研人员、工程技术人员参考，也可作为高等院校无损检测与仪器类相关专业本科高年级学生和研究生的教材。

陈尧，工学博士，硕士研究生导师，江西省赣鄱俊才支持计划青年领军人才，江西省杰出青年科学基金获得者，中国机械工程学会无损检测分会委员。自参加工作以来，一直从事超声无损检测技术及仪器方向的教学及科研工作。讲授声学检测技术、工业超声检测成像技术、工程材料及力学性能等本科和研究生课程。科研方向为相控阵超声无损检测技术、智能化无损检测与仪器，发表学术论文50余篇，获国家发明专利授权7项，主持军委装备发展部“慧眼行动”1项，国家自然科学基金2项，省部级课题3项。曾获第二十三届中国专利优秀奖、江西省科学技术进步一等奖、中国产学研合作创新成果一等奖。
卢超，工学博士、二级教授，兼职博士生导师，国防特色学科带头人，江西省主要学术学科与技术带头人，江西省优秀研究生导师，中国机械工程学会无损检测分会副主任委员，中国机械工业教育协会仪器科学与技术学科教学委员会委员。历任南昌航空大学无损检测技术重点实验室常务副主任、测试与光电工程学院院长等职，现任南昌航空大学校长。讲授声学检测技术、智能仪器、超声成像检测等课程。科研方向为无损检测技术、自动化检测与仪器，发表学术论文160余篇，获国家发明专利授权12项，参与起草国家和行业标准3项。曾获江西省教学成果（本科）一等奖、江西省教学成果（研究生）二等奖、江西省科学技术进步一等奖、中国产学研合作创新成果一等奖。

目录
序
前言
第1章超声全聚焦成像检测概述
1.1全聚焦成像检测技术简介
1.2全聚焦的特点和优势
1.3全聚焦的发展和研究现状
第2章超声全聚焦信号和图像基础理论
2.1信号的数学表达
2.2超声检测信号
2.2.1频率特征
2.2.2脉冲宽度和频带宽度
2.2.3显示形式
2.3超声检测信号的数字化
2.3.1模数转换
2.3.2采样
2.3.3量化和编码
2.4超声检测信号的图像化
2.4.1图像化处理对超声检测的意义
2.4.2超声无损检测图像化的原理
2.4.3伪色彩图像成像原理
2.5超声图像的显示
2.5.1波形显示的特点和类别
2.5.2幅值显示的特点
第3章超声阵列信号采集与图像重建
3.1阵列探头所发声波传播特征
3.1.1超声阵列探头
3.1.2线性阵列探头波前特征
3.1.3线性阵列探头声束指向特征
3.2自发自收阵列信号采集
3.3时距曲线和偏移理论
3.3.1时距曲线
3.3.2时距曲线的偏移
3.4延时叠加原理
3.4.1等时面
3.4.2阵列信号能量的分配
3.5延时叠加图像重建的实现
3.5.1合成孔径聚焦成像
3.5.2重建图像的显示模式
第4章全聚焦和相干复合平面波成像
4.1全矩阵捕捉
4.2全聚焦图像重建
4.2.1一发多收时距曲线
4.2.2全聚焦成像的实现
4.3平面波阵列信号的采集
4.3.1阵列探头平面波的发射
4.3.2平面波信号的采集和存储
4.4相干复合平面波成像
4.4.1平面波视速度
4.4.2平面波声传播时间
4.4.3相干复合平面波成像的实现
第5章全聚焦成像质量和图谱特征
5.1超声图像质量指标
5.1.1分辨率
5.1.2对比度
5.2重建像素点间隔
5.2.1横向像素点间隔
5.2.2纵向像素点间隔
5.3阵元参数
5.3.1阵元数量
5.3.2阵元间隔
5.3.3阵元的脉冲宽度
5.3.4阵元的中心频率
5.4平面波发射有效孔径
5.5全聚焦图谱特征
5.5.1体积型缺陷的特征
5.5.2面积型缺陷的特征
5.5.3面积型缺陷定量
5.6定位误差分析
5.6.1体积型缺陷定位误差分析
5.6.2面积型缺陷定位误差分析
第6章双层介质全聚焦成像
6.1声阻抗界面处的超声波反射与折射
6.1.1垂直入射时的反射和透射
6.1.2斜入射时的反射和折射
6.1.3超声波倾斜入射临界角
6.2费马原理
6.3双层介质全聚焦成像技术
6.4双层介质平面波成像技术
第7章相位相干成像检测技术
7.1瞬时相位相干性分析
7.1.1超声信号的瞬时相位
7.1.2全聚焦成像中的瞬时相位
7.2相位相干因子及相干加权
7.2.1线性统计学相干因子
7.2.2环形统计学相干因子
7.3全聚焦相位相干成像
7.3.1试验设备与试块介绍
7.3.2各向同性介质全聚焦加权成像
7.3.3各向异性介质全聚焦加权成像
7.3.4不同相干因子的加权特点
7.4时差衍射-相位相干成像
7.4.1时差衍射-相位相干成像原理
7.4.2时差衍射-相位相干成像案例
第8章频域全聚焦成像技术
8.1频域合成孔径聚焦
8.1.1爆炸反射模型和波场外推
8.1.2波动方程
8.1.3相位迁移成像方法
8.1.4Stolt迁移成像方法
8.2频域全聚焦图像重建
8.2.1双平方根算子相位迁移
8.2.2波数域全矩阵数据成像
8.3频域平面波成像
8.3.1平面波Garcia频域图像重建
8.3.2平面波相位迁移成像
8.3.3平面波Lu氏频域成像
8.4频域成像的特点和应用
第9章多模全聚焦成像
9.1反射规律与反射模式
9.1.1端角反射
9.1.2反射模式
9.2半跨模式全聚焦成像
9.3全跨模式全聚焦成像
9.4多模全聚焦的视图选择
9.5多模全聚焦的应用场景
9.6多模全聚焦相位相干成像
第10章全聚焦衍生技术
10.1虚拟源成像技术
10.1.1虚拟源发射
10.1.2图像重建原理
10.1.3虚拟源图像重建示例
10.2规则双层介质频域图像重建
10.2.1平面波图像重建原理
10.2.2图像重建示例
10.3弯曲界面双层介质时域图像重建
10.3.1弯曲界面声传播路径
10.3.2弯曲界面量化表征
10.3.3弯曲工件重构界面成像检测实例
10.4弯曲界面双层介质频域图像重建
参考文献
结束语

前言
具有实时全聚焦成像功能的相控阵超声便携式仪器于2012年前后问世，这标志着超声全聚焦成像技术自被提出7年后真正开始应用于工业检测领域。经过十几年的发展，超声全聚焦成像技术在工业检测领域越来越成熟，应用范围也越来越广泛。作为一种先进的相控阵超声检测技术，全聚焦成像被誉为相控阵超声检测技术中的“黄金标准”算法，具有成像质量高、算法二次开发性强等特点，特别适合应用于工业领域复杂检测工况。因此，超声全聚焦成像技术是超声无损检测技术的发展趋势。
现在，无论在国内，还是在国外，超声全聚焦这种新型相控阵成像检测技术均以学术论文、仪器说明书等形式存在，相关理论和技术体系处于碎片化状态，没有系统介绍这门新型技术相关理论的专著和教材，无形中升高了读者的学习门槛。对于高等院校本科生和研究生而言，亟需这样一本书来深入了解超声全聚焦成像检测技术。从工程检测应用方面来看，由于很多检测人员很难深入理解超声全聚焦成像检测技术，从而使得这一先进相控阵超声检测技术无法真正发挥其应有的价值。
本书通俗易懂，在介绍全聚焦技术相关理论的基础上，相比于文献中复杂、难懂的论述，采用图示和MATLAB代码解读相结合的方式，向广大读者详细介绍了超声全聚焦成像检测这一新型相控阵技术的原理、实现及应用。希望本书能够帮助广大读者深入了解超声全聚焦成像检测技术，推动无损检测行业的技术进步。
国内外同行的研究文献和作者所在南昌航空大学无损检测技术重点实验室的工作为本书的撰写提供了很好的素材。感谢研究生熊政辉、马啸啸、陈明、程有松、程慎行、方文娜、万智龙、汤露平、冒秋琴、孔庆茹、李昊原等为本书部分资料收集和验证所付出的辛勤劳动。
本书的出版得到南昌航空大学学术专著出版资助基金、南昌航空大学“测控技术及仪器”国家级一流本科专业建设点项目、国家自然科学基金项目（62161028、51705232、12064001）、江西省杰出青年基金项目（20232ACB214012）、江西省重点研发计划重点项目（20212BBE51006）和人才领军项目（20204BCJL22039）的资助，在此一并表示感谢。
由于笔者水平所限，书中难免有不妥之处，希望广大读者提出宝贵意见。
陈尧
于前湖