超声相控阵技术

2024-06-03

超声相控阵技术（通用7篇）

超声相控阵技术篇1

摘要：叶片安装在转子上以后, 叶根大部分高应力区都无法应用标准的裂纹检测方法。因此, 开发了一种能够现场检查叶根高应力区的方法——相控阵超声波探伤法, 既无需拆除叶片检查, 又能在必保经济有效的同时, 提供可靠、可再现的检查结果。

关键词：汽轮机,叶根,超声波,探伤

1 引言

汽轮机叶片是汽轮机发电机组应力最高的部件之一。汽轮机的高转速 (3000r/min) 和叶片的自重使汽轮机末级叶片在运行期间承受巨大的离心力。末级叶片的叶根采用最现代的方法进行设计和计算, 使它们能适应这种高载荷。尤其是在瞬态承载条件下 (启停过程中) , 叶根和叶根槽的某些区域会承受高应力。在不利条件下, 汽轮机运行期间出现异常事件 (如丧失真空或超速) 可导致叶片损伤, 叶根高应力区可能会萌发裂纹, 并在随后的运行期间扩展。此外, 蒸汽纯度对汽轮机叶片也具有重要影响。如果蒸汽被氯化物所污染, 就会成为汽轮机叶片、叶根和叶根槽区域出现腐蚀疲劳的一个主要原因。

鉴于这些因素影响到汽轮机叶片的安全运行, 因此必须对其进行无损探伤, 以便及时检测出任何损伤并更换受损叶片。

2 汽轮机低压动叶叉形叶根的超声波检查

2.1 任务的提出

必须定期检查核电汽轮机低压叶片的叉形叶根上部锁孔区是否出现裂纹。这种叶根的可检查性主要受下列因素的影响:有无可达性;有无检测缺陷的最佳方向;叶根的几何特征。

我们知道:对于叉形叶根, 在某些条件下销孔区会出现初始裂纹。与枞树叶根 (其可能出现裂纹的方向已知) 相反。叉形叶根的检查很复杂, 因为其裂纹会沿着各种方向扩展, 从而对超声波的可检测性具有重大的影响。从前, 这种叶根检查主要采用传统的超声波探伤方法, 在裂纹的检测及其大小的估测方面具有相对较大的误差。

本文介绍的是能够检测叉形叶根的裂纹并估测其大小的相控阵超声波探伤方法的开发过程。该检查方法能够从±45°的角度范围内可靠检测汽轮机低压转子第4级和第5级叶片叉形叶根上部销孔内的初始裂纹, 并确定其尺寸。

2.2 相控阵超声波检查方法的开发

在研究了检查对象之后, 决定采用相控阵超声波检查来解决问题。利用模拟计算, 计算出超声波束的路径, 确定最佳扫查参数之后, 进行了实用测试。为适应具体检查任务, 需要制备大量标准试块, 这些试块具有汽轮机低压转子第4级和第5级叶根外侧叉的几何形状, 并在上部销孔区具有不同尺寸和方向的人为缺陷。为确保最有效的检查方法, 选择了具有64单元的相控阵探头, 能覆盖叶根的整个宽度。该相控阵探头的64个单元又划分为3个区, 以便能够检测所有可能方向的缺陷。64单元的探头基本上分为三个24单元相控阵。而整个顺序都由120帧图像组成, 顺次反映了120个焦点的情况。这些焦点沿着预期缺陷区域范围呈线状等距分布, 从而只需通过对探头的简单定位, 就可以用选定的检查方法扫查上部销孔的整个预期缺陷区。

2.3 利用标准试块对检查方法的验证

为每列叶片准备若干个标准试块。每个标准试块都是叶根一个外侧叉的精确复制品。采用电火花加工在每个标准试块内加工出一个人为缺口。在验证时需要准备约15个具有不同尺寸和方向的人工参考反射体标准试块。还应准备20枚具有实际裂纹的叶片, 用于进行对人为缺陷和自然裂纹反射情况的比较。

验证时应用一个64单元的相控阵线性探头, 采用两个楔块, 以便分别检测叶根外侧叉齿外端面区域和外侧叉内端区域的初始裂纹。这些楔块能形成扫查叶根外侧叉内外端所需的特定声光束入射角。所有这些按顺序的帧图像显示了B扫查状态。采用该检验方法, 只需要进行探头的一次定位就能对整个预期缺陷区域作出评定。

2.4 验证结果和结论

利用标准试场进行的测量证明:上述相控阵超声波检查方法适于对汽轮机低压转子第4和第5级叉形叶根高应力区进行现场检查, 用以检查初始裂纹。该检查方法已利用实际标准试块成功地得到验证。

3 结语

本文所介绍的先进检查方法的实例证明:应用针对性的检查方法可以使客户获得直接的收益。根据需要检查部件的结构 (例如组装式转子) , 可以设计出适应其结构特点的检查系统, 使这种检验不再受到限制。

采用相控阵超声波检查方法可以实现对具有复杂几何特征的部件的检查。尤其对于汽轮机来说, 这种方法越来越多地用来检查叶根和叶根槽。相对于传统的裂纹检查方法, 该方法节省了拆装卸和重新装配所需的时间, 能够准确地确定裂纹尺寸, 能利用计算机评定检出的 (缺陷) 显示, 并且必要时, 对具有缺陷显示的部件进行有限的放行, 以便制定计划并进行准备更换。在需要发电设备提供连续安全性和可用性并且降低相关停机时间的背景下, 这种现场检查对实施汽轮机检修停机的重要性日益增加。

超声相控阵技术篇2

汽轮机中要求最高、工作量最大的部件是汽轮机转子,转子上需装数以千计的各式各样大小叶片,每一个叶片的叶根在高温、高压、高速运转中,承受着数十吨甚至数百吨的离心力、弯力和扭力,这使得转子在高速旋转的过程可能导致叶片叶根裂纹的产生,从而影响到转子的安全运行,我国电站大型汽轮机装机规模近10年来连续迅速增加,600 MW及以上容量机组已成为主力机组,叶片工作参数越来越高,安全可靠性愈显重要。即使叶片发生轻微的损伤,所引起的汽轮机安全可靠性的降低也是不容忽视的[1]。

在役过程中,现有常规无损检测方法:磁粉检测、涡流检测只能检测根部端面2 mm左右纵深的区域;渗透检测只能检测根部端面开口型缺陷;叶根沿转子轴向厚度太大,射线检测也无法进行;传统超声检测灵敏度达不到要求,无法实现检测区域的全覆盖,并且各种反射信号从A形显示上难以辨别,且操作空间受限制,因此,开展叶片叶根超声相控阵检测技术的研究,对于提高汽轮机的维护质量,保障汽轮机运行可靠性具有重要的意义。

1 相控阵研究现状

超声相控阵技术源于雷达天线电磁波相控阵技术,最初被用于医疗领域[2],在20世纪60年代初期才被引入超声自动探伤领域中[3]。随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业与航空工业等领域[4]。近年来,超声相控阵检测与成像技术因其独特的优点已成为工业无损检测学科新的发展方向,新的研究热点。与传统超声检测技术相比,超声相控阵技术的优点有:采用电子方法控制声束聚焦、偏转和扫查,可以在不移动或少移动探头的情况下实现较大角度范围的快速的扫查,提高检测效率;具有良好的声束可达性,能对复杂几何形状的工件进行检测;通过优化控制焦点尺寸、焦区深度和声束方向,可使检测分辨力、信噪比和灵敏度等性能得到提高;相控阵技术能实现对缺陷的多种视图成像,检测结果直观,便于对缺陷的识别与判定。因此,超声相控阵检测技术已成为现代无损检测中一项令人瞩目的新技术[5]。

2 叶根型式及重点检测位置

枞树型叶根和轮缘的轴向断口设计成尖劈形,以适应根部的载荷分布,使叶根和对应的轮缘承载面都接近于等强度,对于尺寸相同的叶根与轮缘,采用枞树型叶根承载能力最高[6]。但是这种叶根外形复杂,装配面多,加工工艺复杂,加工精度要求高,过去只用在部分机组末几级长叶片上。随着单机容量的增大,目前该种叶根已广泛应用于大型机组的中低压缸各级(见图1)。因此,本文主要介绍现有大容量机组低压转子枞树型叶根超声相控阵检测技术。

枞树型叶根在各齿根位置截面变小。枞树型叶根的各项应力在齿根处变大[7],通常在第一或第二齿根处达到极大值,且应力由内向外逐渐增大。在长期使用过程中,负荷、温度、应力、汽水品质的变化等从疲劳和应力腐蚀上影响着叶片根部的安全运行,相比较而言,第一齿根的危害性更大。

3 超声相控阵检测技术

在役不拆卸状态下转子叶片与叶片之间间距狭小,超声检测时操作空间极其有限,叶根结构复杂,超声检测时随着探头的移动截面尺寸变化大,信号识别困难,叶片与叶片之间间距狭小,超声检测时操作空间极其有限,检测时所需的声波角度范围大,有几十度的角度范围,使用常规超声检测需要更换几十个探头,劳动强度大,基本无法实现正常检测,探头在不同的检测位置其检测面与齿根易产生缺陷部位的夹角不同,使得相同尺寸的缺陷,回波幅值不一样,检测时灵敏度设置复杂,传统超声检测很难对缺陷进行准确定量。

3.1 检测探头

阵列探头是超声相控阵系统重要部件之一。针对不同的部件,不同的检测目的,需要设计不同参数、形式的相控阵阵列探头。工业无损检测应用最为广泛的阵列探头为一维线性阵列探头,线阵探头检测数据处理简便,对仪器硬件要求相对低于面阵探头,易于现场便携式使用[8]。

对于薄壁工件可以选择更高的频率。频率越大,图像的分辨率越高。根据叶根检测的特点选取频率为5 MHz。阵元数的增加,可以使声束指向性更好。阵元数越多,主瓣宽度越小,旁瓣幅值也会变小[9]。在N≥8的情况下,阵元数对旁瓣幅值的影响越来越小。随着阵元数的增加,探头尺寸相对也会增加。综合考虑选取N=16,既能满足声束的良好指向性,又能减小探头尺寸。增加阵元间距d,声束的指向性会更好。d的增加,会使主瓣宽度变小。但是,d取值过大,会带入栅瓣。所以可以在不带入栅瓣的情况下,取较大的d值。在N取值确定的情况下选择d=0.4 mm。阵元宽度是对指向性影响最小的一个参数。增大a可以增大在控制方向上的声压,获得更好的性噪比。适当增大a值,也会使旁瓣变小,但是变小的范围很有限,选择a=0.45。探头参数见表1。

3.2 试块设计

相控阵探头各个阵元按照聚焦法则进行激发叠加成相应的主声束[10],但由于各阵元之间存在一定的声学性能差异,同时各阵元声波到达焦点的声程不同,产生的衰减也不同,这些都将导致不同位置的主声束灵敏度存在一定的差异,给缺陷探测和定量带来困难。因此需要使用试块对其进行校准,使各个声束在同一深度位置具有相同的灵敏度。

根据叶根检测的深度要求,将灵敏度校准和TCG曲线制作时的试块合二为一,设计YG-1试块,试块实物图如图2所示。试块可采用材质均匀、晶粒度高于等于7级的20号钢锻件制作,或采用与被检工件声学性能相同或相近似的材料制成。图中各尺寸精度为±0.05 mm,表面粗糙度小于等于Ra3.2。

3.3 检测信号

在叶片叶根的内弧第一个凹槽处电火花加工长×深×宽分别为10 mm×1.0 mm×0.4 mm,10 mm×2.0 mm×0.4 mm的人工槽,如图3所示,扫查剖面图如图4所示,超声相控阵人工检测信号如图5~图13所示。

3.4 裂纹波的判断

在叶片叶根的进汽侧的第一个凹槽有人工槽时,显示屏上叶根底波前,凹槽端角第一个反射波后会出现裂纹波,且裂纹波当量远大于第一个反射波当量,同时第二个凹槽端角反射波明显下降或消失。当叶根无人工槽时,第一个凹槽端角反射波及第二个凹槽端角反射波噪声较低,且不会出现裂纹波。

4 结论

针对汽轮机低压转子叶片叶根开发超声相控阵检测技术能够较好地分辨叶根试块上的人工缺陷,实现了对第一齿根的全覆盖检测,使大容量机组枞树型叶根的超声检测难题得以解决,并为其他形式的叶根检测提供了有利的参考,为电厂、电网的安全稳定运行提供保障。

参考文献

[1]权正钟.加工汽轮机转子叶根槽用简易数控双头铣床的研制[J].中国设备工程,1997,8(1):10-13.

[2]钟志民,梅德松.超声相控阵技术的发展及应用[J].无损检测,2002,24(2):69-71.

[3]MOLES Michael D C.Introduction to phased array ultra-sonic technology applications[M].USA:R/D TechInc.,2004.

[4]王伟,吴一全.超声相控阵用于无损检测的一种新方法[J].传感器与微系统,2009,28(5):61-62.

[5]王敏,窦洪.超声相控阵技术在电力工业无损检测中的应用[J].广东电力,2009,22(12):50-51.

[6]程熙.热能与动力机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社,2003.

[7]中国人民共和国国家经济贸易委员会.汽轮机叶片超声波检测技术导则[S].北京:中国电力出版社,2000.

[8]徐西刚,施克仁.相控阵超声无损检测系统的研制[J].无损检测,2004,26(3):41-46.

[9]陈雪莲,乔文孝,孙建孟,等.相控线阵声波测井辐射器指向性影响因素研究[D].东营:中国石油大学,2000.

超声相控阵技术篇3

近年来,随着超声相控阵检测技术在各行各业中的逐步推广,相控阵的优越性也越来越被体现出来。超声相控阵技术主要通过控制多个晶片发射的发射时序,灵活地控制超声波束的扫查角度和聚焦区域,这既提高了检测效率,又提高了检测灵敏度和分辨力,同时增强了检测的实时性和直观性[1,2]。

在电力行业中GIS直线导体是高压变电站常用的装置,近年来国家电网及南方电网相继发生多起有关该导体焊缝开裂失效事故,但由于电网金属技术监督起步较晚,目前针对该部件的相关技术监督也未出台,加上该装置结构较为复杂,焊缝厚度薄,使用常规超声检查,螺纹波、焊缝边缘波、缺陷波等回波会同时出现在较小的显示范围内,难以分清辨认。此外由于工件的长度较长,且时常是处于户外,使用射线检测极为不便,且射线辐射对人体伤害较大。而涡流检测和电磁检测,一般仅可发现工件表面或近表面的缺陷,对内部缺陷很难检出[3,4]。故本文以某变电站220 k V电缆接入110k V GIS直线导体的检测为检测对象(见图1),分析相控阵技术在这一类型工件检测中的可行性,以期为该类似部件的无损检测规范提供一定的参考价值。

1 超声相控阵检测技术的概述

超声相控阵的原理是基于惠更斯原理:波动场的任何一个波阵面等同于一个次级波源,次级波场可以通过该波阵面上各点产生的球面子波叠加干涉计算得到。相控阵换能器由多个相互独立、可独立控制的压电晶片组成阵列,由相控阵仪器进行电气上的计算和控制,按一定的规则和时序激发换能器晶片发射超声波,见图1。在传声介质上的某点,当各列波波前同时到达时,便在该点形成波峰的叠加,达到能量的聚集,从而更有效的检查出介质的不连续性,提高检测性能[5]。

2 检测方案分析

2.1 工件结构分析

检测的目标工件是220 k V电缆接入110 k V GIS直线导体的周向环焊缝。其结构如图2。该直线导体由取付台和直线螺纹铝管焊接而成,检测区域为周向对接环焊缝。其中取付台材质为A2017铝合金,螺纹铝管材质为6063铝合金。对接环焊缝表面光滑,与两侧铝管表面平滑过渡。焊接坡口为外周向单面V型,采用氩弧焊焊接工艺。取付台圆管外径尺寸约57 mm,螺纹面深度约8 mm,焊缝坡口深度约6 mm。直线螺纹铝管在焊缝区域附近为锥形圆周面,最细处直径57 mm,最粗处直径66 mm,锥形面长度30 mm。

2.2 探头、楔块和仪器的选择

2.2.1 探头的选择

由于工件管径尺寸小,焊缝坡口厚度仅为6mm,同时焊接区域比较薄并且连着螺纹,由工件的结构分析可知二次波不可扫描到焊缝,只能使用一次波进行检测。因而需选择灵敏度高、声束收敛的相控阵探头,以提高小缺陷的检测能力和减小杂波信号。

本文选用的探头型号是:特制小径管探头10S16-0.5*10,如图3所示。为增强探头在XOZ轴面上的聚焦性能,加工时专门将探头晶片沿X轴上加工成一个直径为70 mm的弧形,该模型兼具了曲面晶片形成的机械聚焦和晶片矩阵排列形成的电子聚焦。

2.2.2 楔块的选择

对于小型管材或棒材的相控阵检测,一般使用弧形楔块或者是水浸法检测,使用弧形楔块时,是指将楔块底面加工一个直径与管材、棒材直径一致的弧形;使用水浸法时,一般无需外加楔块,直接通过水耦合。对工件220 k V电缆接入110 k V GIS直线导体的检测区域外径最粗处为66 mm,属小径管范畴;并且由于工件的长度较长,且时常是处于户外,应选用直接接触法。

由于焊缝导管一侧有一长度为30 mm的锥形面,最细处直径57 mm,最粗处直径66mm,可将探头放置于锥面上检测,并将楔块底面加工较适于耦合锥面的弧形,现选择弧形直径为60 mm,以确保耦合良好。并且由于声束角度要求较大,楔块角度也做到了39°。将这一侧探头正装于楔块上。如图4所示。

而在取付台一侧为外径57 mm的管,故直接将楔块底面加工为直径57 mm的弧形,但由于取付台一侧尺寸不够放入探头正装时的长度,故此时需将探头反装。如图5所示。然由于需要将楔块向前推动以覆盖焊缝近表面区域,楔块弧形将不适合锥面的耦合,故在楔块前端加工一个长度为8 mm的锥形。此时探头亦反装于楔块上。如图6所示。本文选用的楔块型号是:S D 1 0-N 6 0 S-A O D 6 0、S D 1 0-N 6 0 S-A O D 5 7、SD10-N60S-AOD57(1)。

2.2.3 仪器选择

由于工件检测区域较薄,要求仪器有较好的信噪比、采样频率和分辨力。探头型号为10S16-0.5*10,就要求仪器收发通道数大于或等于16个,实测接收带宽至少大于或等于5MHz~20 MHz,并且能自由设置聚焦法则,其扫描角度范围能达到30°~80°以上。

2.3 扫查方式以及结果分析

根据工件特点选择单面双侧手动扫查。

方案一:探头置于直线螺纹管锥形面一侧探测,见图8。

检测用探头选择10S16-0.5*10,楔块使用SD10-N60S-AOD60,且组合方式为正装。

聚焦法则设置选项中扫查类型为扇扫,扫查角度40°~75°,步进设为0.5°/stept,聚焦深度定为5 mm,阵元数选择16,起始阵元为1。

设置好仪器参数后,进行常规检测前的校准,包括声速、延时、灵敏度等程序。然后进行扫查工作。

图8为该扫查结果截图。由以上检测结果可见,在深度距离管表面4.1 mm处、水平距离楔块前端0.1 mm处,有一缺陷波。找到最高波后前后平行移动探头,测量到有一长度为11.2mm的细小裂纹。在深度7 mm处有一组密集回波,其随着探头移动一直存在,根据工件结构判定为螺纹回波。此方案的不足之处是对焊缝顶端的2 mm有检测盲区。

方案二:探头置于取付台一侧检测,见图10。

检测用探头选择同方案一,楔块选择SD10-N60S-AOD57,且组合方式为反装。

聚焦法则设置同方案一,设置好仪器参数后,同样进行常规检测前的校准,包括声速、延时、灵敏度等程序,然后进行扫查工作。

采用上述检测方式得到的检测结果见图10,发现焊缝中心有两个不连续的缺陷回波,分别在深度距离管表面5 mm和2.8 mm处、水平距离楔块前端1.2 mm和1.4 mm处。显示在深度7 mm处有一会波,判断为焊缝根部回波。在深度8~9 mm处的回波,判断为螺纹面折射的二次波。同样,该方案对焊缝顶端的2 mm区域仍有检测盲区。

方案三:楔块耦合到焊缝顶部检测,见图12。

为解决方案一、二的检测盲区问题,根据导体环焊缝表面光滑这一特点,使用将楔块耦合到焊缝顶部的方法进行检测。

探头选择同方案一;楔块选择SD10-N60S-AOD57(1),且组合设置为反装。

聚焦法则设置选项中扫查类型为扇扫,扫查角度30°~75°,步进设为0.5°/stept,聚焦深度定为5 mm,阵元数选择8,起始阵元为9。探头需要稍微前后移动方能将近表面的盲区检测完全。

由上检测结方式得到的检测结果见图12,在焊缝近表面深0.7 mm处有一缺陷,水平距离楔块前端-11.4 mm。为将焊缝近表面2 mm左右的盲区覆盖全,需将探头稍微前后移动扫查。

综合以上三个方案,结合各个方案的特点综合以上三个方案,结合各个方案的特点和检测覆盖区域,可将结构较为复杂的GIS直线导体周向环焊缝进行完整有效检测。本文采用的超声相控阵检测技术克服了常规超声波检测时缺陷时的近场区大、分辨力低的劣势,并且非常直观明了的显示检测结果和提供完整的检测数据。

3 结束语

1)通过设计特定的相控阵探头和斜楔,采用以上三个方案的扫查方式,可将结构较为复杂的GIS直线导体周向环焊缝进行完整有效检测。

2)超声相控阵操作灵活简便,较常规的超声波检测技术有着近场区小、分辨力高等优越性,对细小焊缝裂纹有较好的检测分辨力,能够对缺陷进行准确定位,并能记录下直观检测结果和完整的检测数据。

3)然使用超声相控阵检测目前尚无用于对缺陷进行定量的相关标准,本文所提方案也只限于发现缺陷和对缺陷精确定位。若要定量,还需进一步做一系列对比试块和对比试验,以获取足够的经验值,给出定量标准。

参考文献

[1]王敏,窦洪.超声相控阵技术在电力工业无损检测中的应用[J].广东电力,2009,22(12):50-52.

[2]李衍.相控阵超声检测国际动态[J].无损检测,2009,31(1):56-60.

[3]王进,杨引春,吴章勤,等.电网设备无损检测新技术应用[J].云南电力技术,2013,41(5):75-77.

[4]王达达,魏杰,于虹,等.X射线数字成像对GIS设备的无损检测[J].云南电力技术,2012,40(2):8-10.

超声相控阵技术篇4

随着计算机及数字信号处理技术的飞速发展, 相控阵超声检测成像技术逐步应用于航天航空、核电、机械制造等相关工业领域。在承压类特种设备安全检验中, 相控阵超声检测技术的应用也逐步被广泛接受和认可[1]。

声束偏转及扇形扫描 (S扫描) 几乎成为相控阵超声区别与常规超声技术的最重要特征, 在实际检测中广泛使用。声束偏转性能对于超声相控阵检测技术的可靠性有着至关重要的影响。因此, 对超声相控阵声束偏转能力进行测试, 分析及研究就显得尤为重要。美国材料试验协会 (ASTM) 发布的超声相控阵检测系统性能评价标准指导手册 (ASTM E2491-2008) , 是目前针对超声相控阵系统性能测试分析最为先进的指导手册之一, 同时被ASME标准引用。该手册包含了相控阵声束偏转测试试验方法的相关内容。在借鉴该手册相关相控阵声束偏转测试试验方法的基础上, 分别运用CVIA仿真与实验的方法对比测试超声相控阵角度偏转能力, 分析与总结影响超声相控阵声束偏转能力的因素, 为超声相控阵实际检测中相关工艺参数的制定提供一定参考。

1超声相控阵角度偏转原理

相控阵声束角度偏转原理是由电子设备控制每个晶片的激发延时, 不同的延时使各个晶片扩散角范围内的不同角度声束相叠加, 形成不同角度的波前, 即实现了声束角度的偏转[2]。

相控阵的声束偏转极限 (即最大可偏转角度范围) 取决于单个晶片的声束扩散角度。以-6 d B计算矩形晶片的半扩散角, 则

式中:θ-6d B为垂直于主声束平面内比主声束声压降低6 d B的声束半扩散角度;λ 为工件中声束的波长;e为单个晶片宽度。

从理论上说, 相控阵探头直接接触法在钢中检测时可在[-θ-6d Bθ-6d B]范围内偏转, 若 θ-6d B=90° 即声束可在任何角度偏转。但实际上由于声程等其他因素, 相控阵实际可偏转角度要小于这一理论计算范围。相控阵声束角度的偏转原理如图1所示。

2测试实验方法与结果

2.1实验方法

实验设备:采用OLYMPUS公司的Omni Scan MX32:128便携式相控阵;探头参数:型号5L64, 频率5 MHz, 晶片间距为0.6 mm;实验试块:采用ASTM E2491-2008推荐的声程聚焦型声束偏转测试试块, 如图2所示;实验结果的表征参数:-6 d B可分辨角度范围, 即利用-6 d B法测量试块中小孔, 并统计所有可以分辨的小孔得到其所在角度的范围。

2.2实验结果与分析

频率5 MHz声束角度偏转能力的实验结果如图3、表1所示。

从表1可知, 激发晶片数量≤16个时, 无法分辨聚焦声程25 mm和50 mm小孔, 几乎没有可分辨的角度范围;从激发32晶片的结果看, 只在实际焦点声程附近的声束较好可分辨角度范围 (设置聚焦声程50 mm和200 mm时, 由于近场区对聚焦性能的限制, 其实际声程都在50 mm附近) , 偏离聚焦声程时则无法分辨。

3 CVIA仿真测试的方法与结果

3.1 CVIA仿真方法

仿真软件平台:由法国原子能机构开发的CVIA声学仿真系统;探头参数:分别设置频率为5 MHz、2.5 MHz和10 MHz, 分别设置晶片间距为0.6 mm、0.3 mm和1.0 mm;试块参数:在图2所示的试块基础上增加了R100的小孔 (孔径4 mm) ; 实验结果的表征参数:除-6 d B可分辨角度范围以外, 增加了-6 d B可偏转角度范围, 即最高反射回波下降6 d B孔的角度范围。

3.2仿真结果与分析

频率5 MHz声束角度偏转能力的CVIA仿真结果、测试结果如图4、表2所示。

注:R25、R50、R100分别表示试块声程处于25 mm、50 mm、 100 mm处的孔。

从表2可知, 此时近场区长度为81.6 mm, 在50 mm以内都有较好的聚焦效果。当设置聚焦声程为25 mm时, 聚焦效果显著, R25接近实际聚集声程声束窄, R25处可分辨角度范围大于R50处, 而可偏转角度范围小于R50处;当设置聚焦声程为50 mm, R50处最接近实际聚集声程声束最窄, 其可分辨角度范围最大, 而可偏转角度范围最小, R25距离实际聚焦声程太大、声束宽而不可分辨;当设置聚焦声程为100 mm时, R100和R50距离实际聚集声程差不多, 声束宽度接近, R100处可分辨角度范围与R50处相当, 而可偏转角度范围小于R50处;当设置聚焦声程为200 mm或无聚焦时, R100处最接近实际聚集声程声束最窄, 其可分辨角度范围最大, 而可偏转角度范围最小, R25、R50距离实际聚集声程较大、声束宽, 而不可分辨。

由设置频率5 MHz、晶片间距0.3 mm、激发32晶片角度偏转能力CIVA仿真测试结果可知, 此时均不可分辨, -6 d B可偏转角度大多为0~45°, 偏转角度范围变化不大。因此, 晶片间距0.3 mm, 激发32晶片时角度偏转效果不明显。

由设置频率5 MHz、晶片间距1.0 mm、激发32晶片角度偏转能力CIVA仿真测试结果可知, 此时均不可分辨, -6 d B可偏转角度大多为0~45°, 偏转角度范围变化不大。因此, 晶片间距1.0 mm, 激发32晶片时角度偏转效果不明显。

由设置频率2.5 MHz、晶片间距0.6 mm、激发32晶片角度偏转能力CIVA仿真测试结果可知, 当设置聚焦声程≥100 mm时, 声束聚焦效果较弱, 可偏转角度范围随着声程的增加而递减。当设置聚焦声程25 mm时, 由于声束聚焦较强, R25处可偏转角度范围反而>R50处;当设置聚焦声程为50 mm, 由于声束聚焦与声程的综合影响, R25处可偏转角度范围是:R25处>R100处>R50处。

由频率10 MHz、晶片间距0.6 mm、激发32晶片角度偏转能力CIVA仿真测试结果可知, 此时近场区长度为163.2 mm, 在100 mm以内都有较好的聚焦效果。当设置聚焦声程为25 mm时, 聚焦效果显著, R25接近实际聚集声程声束窄, R25处可分辨角度范围>R50处, 而可偏转角度范围<R50处。当设置聚焦声程为50 mm, R50处最接近实际聚集声程声束最窄, 其可分辨角度范围最大 (R50处>R100处>R25处) , 而可偏转角度范围最小 (R50处<R100处<R25处) 。当设置聚焦声程为100 mm时, R100处接近实际聚集声程声束窄, R100处可分辨角度范围>R50处, 而可偏转角度范围<R50处;当设置聚焦声程为200 mm, R100处最接近实际聚集声程声束最窄, 其可分辨角度范围最大, 而可偏转角度范围最小 (R100处<R50处<R25处) , R25处距离实际聚集深度太大、声束宽, 而不可分辨;当设置无聚焦时, R100处最接近实际聚集声程声束最窄, 其可分辨角度范围最大, 而可偏转角度范围最小, R25、R50处距离实际聚集声程较大、声束宽, 而不可分辨。

4结论

(1) 相控阵角度偏转能力CIVA仿真结果与实际试验结果基本一致, 并具有一致的规律性。

(2) 表征相控阵角度偏转能力的可分辨角度范围指标主要取决于声束宽度和单个晶片的扩散能力 (半扩散角) ;表征相控阵角度偏转能力的可偏转角度范围指标主要取决于声束宽度、单个晶片的扩散能力 (半扩散角) 以及声束声程。

(3) 聚焦效果越明显, 越接近实际聚焦声程, 声束宽度越窄, 可分辨角度范围越大, 可偏转角度范围越小;声束声程越大, 可偏转角度范围越小。

(4) 可将探头频率、激发晶片数量、设置聚焦声程等影响声束聚焦的因素归结于声束宽度对可分辨角度范围和可偏转角度范围的影响。

(5) 晶片间距不仅影响声束聚焦及声束宽度, 而且影响单个晶片的扩散能力。从声束聚焦及声束宽度方面看, 晶片间距增大, 声束聚焦越显著, 声束宽度越小, 可分辨角度范围越大;从单个晶片的扩散能力方面看, 晶片间距增大, 单个晶片声束扩散能力增强, 可分辨角度范围越小。为了得到更大的可分辨角度范围, 应采用尽量小的晶片间距和尽量大的激发晶片数量。

参考文献

[1]李衍, 薛飞展.承压设备焊缝超声相控阵检测读谱[J].无损检测, 2010, 32 (8) :567-570.

超声相控阵技术篇5

1 AUT基本原理及工艺

相控阵全自动超声波检测是根据焊接工艺将焊缝进行垂直区域划分, 每个分区高度为1~3mm, 将由发射器发出的超声波对准焊缝断面分区, 利用电脑数据控制128个检测通道, 形成不同角度的声束聚焦, 角度的选取以可得到来自缺陷 (常为未熔合) 的最大反射波为准。预调发射器角度使高度聚焦的声束准确投射到预定的焊缝扫查区域。根据主要缺陷设定探头角度分别扫查不同的区域, 综合采用脉冲反射波和衍射时差法 (TOFD) 对焊接内部缺陷进行判断 (以壁厚11.1mm为例示意焊缝区域划分) 。探头沿管道环缝自动环绕一周, 对焊缝内部进行全面扫查, 其检测结果在其相对应的通道上以带状图形式显示, 从而进行焊缝质量评定。AUT检测技术是比手工单探头超声波检测方法操作简单、扫描方式多、效率高, 有以下几方面优点: (1) 无需射线底片, 检测速度快, 劳动强度低、安全无辐射, 数据存储便捷, 针对全自动焊接工艺进行检测具有很高的准确率; (2) 通过像素点的不同色差集合, 显示缺陷的深度、高度、宽度及水平位置等信息, 直观地反映焊缝内部的情况, 为检测人员提供了准确直观的判定依据; (3) 能清晰分辨缺陷边缘上下间隔大于0.4mm的缺陷, 比常规手工超声波检测缺陷分辨率精确, 测定长度准确; (4) 比射线检测的检测灵敏度高、效率高、图像可视直观, 缺陷的检出能力强, 评定准确性高; (5) 全自动焊接管道环缝采用相控阵检测技术在安全、效率、准确性方面具有明显的优势。超声波相控阵检测系统可以是手动, 半自动, 或者全自动工作[3,4]。

AUT检测的缺点: (1) 因应用软件、阵列的频率、压电元件尺寸及加工精度等条件的限制, 使该技术对检测对象、范围提出特定要求, 检测适用性和能力受到限制; (2) 装置的调试、灵敏度校验及参数设置, 均对操作人员的电脑操作熟练程度和软件操作能力有严格要求, 虽然B、C、S三型显示图直观, 但仍要掌握准确识别图形的技巧, 具备丰富的判定经验; (3) 工件的材料冶金状态、焊接工艺完整性、表面粗糙度、探测面选择和轨道安装精度等因素影响检测结果准确性, 必须使用对比试块进行仪器的调节的校准; (4) 仪器的调节的准确性对检测结果影响较大, 调节过程较复杂。对手工电弧焊的检测效果不如自动焊, 检测对象有一定的局限性。

相控阵工艺流程如图1所示。

2 检测过程质量控制

2.1 检测过程

1) 检测前用试块标定扫查器, 检查试块校准图是否满足标准要求, 否则要针对某通道进行调试直至满足要求为止。

2) 环焊缝两侧150mm范围内的管焊缝应用机械打磨至与母材平齐, 检查检测表面质量及耦合情况, 清除探头移动区域的飞溅、锈蚀、油垢及其他杂质。

3) 按照工艺规程要求在距焊缝中心规定距离划出基准线, 作为准确安装轨道的基准, 在平焊位置划出标识原点和扫查方向, 扫查起点必须与标识原点重合。

4) 2人分别在管子两侧同时配合进行轨道安装, 轨道边缘距焊缝中心距离及偏差必须符合工艺卡要求, 扫查器、探头及各插件确保可靠连接;扫查器运行过程出现卡、滑现象应立即急停, 找明原因调整后重新扫查。

5) 图像采集应信息完整, 如发现数据信息丢失, 必须对被检测焊口重新进行检测, 采集相关图像信息。

2.2 检测过程控制要点

1) 检测过程必须进行试块校验, 一般是在每检测2h或扫查10道焊缝以及检测结束后进行。试块的每个主反射体的波幅应为满幅的70%~99%, 若波幅低于70%, 应对已检查的焊缝重新检测, 若波幅高于99%, 应重新评定检查结果[5]。

2) 在检测过程中, 记录系统的耦合监视通道显示的耦合不良区域超过3mm时, 应对耦合不良区域进行处理后重新检测。

3) 编码器记录的反射体位置与实际圆周位置的误差为±10mm, 以保证缺陷位置准确性。

4) 温度的变化导致声速和折射角度发生变化, 试块温度影响探头楔块温度, 探头楔块温度受被检管件温度的影响;若探头楔块温差变化超过10℃, 则必须重新调试整个系统, 确保检测的准确率。

2.3 检测结果可靠性管理

1) 操作人员对系统分析扫查数据及结果评定, 现场对发现判废缺陷时, 应在扫查结束后及时在焊缝上标识并打印结果。打印的报告信息必须完整准确, 壁厚、坡口及操作人等信息与实际相符。

2) 如发现数据丢失或耦合不良, 必须重新按检测工艺要求对相应焊口重新检测, 确保采集数据完整。

3) 声波的声束角度和速度受温度影响较大, 要准确记录校准和扫查过程的温度。实际检测的温度与所设置的温度差不应超过10℃。

4) 利用试块每隔2h或扫查10道焊口及检测工作结束后进行校准。试块每个主反射体的波幅高度及相邻反射体覆盖均应满足标准和工艺规程要求, 否则对已检测的焊口重新检测。

5) 因焊缝焊接位置偏移或施焊导轨偏移扭曲等特殊情况, 导致对焊缝根部缺陷定性不准确, 其在返修焊缝检测中也经常遇到。

3 AUT检测管理存在的问题

3.1 人员资格管理

3.1.1 AUT从业人员上岗培训及执业资格管理不规范

GB/T 50818-2013《石油天然气管道工程全自动超声波检测技术规范》第3.0.2条对检测人员的资格及专业知识水平及能力提出明确的要求;在第3.0.5条对检测单位工艺规程编制、审核、批准的人员资格及相关程序提出明确要求。但是目前现有的国家无损检测专业人员考核规则中, 不包括AUT检测技术, 所以AUT检测人员考试认证现阶段尚处于无序管理状态, AUT检测人员上岗培训考核一般是由国外设备供应商组织培训, 颁发操作证, 其培训内容的全面性、规范性、有效性及合法性颇有争议, 亟待进一步规范。

3.1.2 无损检测过程监督管理人员资格管理存在漏洞

国家相关执业管理规定中对从事无损检测过程监管的相关技术管理人员的业务技术能力和知识储备都有明确的要求。但是目前从事AUT检测的相关专业监理、质量监督及建设单位的管理人员未进行专业技术培训, 无证上岗, 存在外行监管内行的弊端。监管人员不具备检测设备调试、标准选择、缺陷评定等基本知识, 无法对检测过程实施有效监管。许多检测违规行为和错误的检测结论不能得到及时监控发现和纠正, 检测结果的可信度和权威性令人质疑。

3.2 设备及试块校准标定管理

3.2.1 检测设备校准不规范

AUT检测设备仪器校准质量直接影响检测结果准确性。在GB/T 508018-2013《石油天然气管道工程全自动超声波检测技术规范》对检测设备系统调试标定作出了严格的规定。但目前设备仪器标定一般都由检测单位或设备制造厂人员自行调试标定, 未实施公正的第三方标定检测, 出现设备标定调试质量差或者不按规定定期标定的现象。该检测方法专业性强, 标定调试过程复杂, 若过程监管人员由于业务水平能力限制, 不能及时发现该环节存着的漏洞, 势必严重影响检测结果的准确性。

3.2.2 检测试块检定不规范

标定检测系统各通道的检测基准灵敏度必须使用检测试块进行。SY 4112-2007《石油天然气钢质管道对接环焊缝全自动超声检测试块》标准对试块制作及计量标定提出明确要求。标准规定试块的材料应取自实际检测的管道, 试块材质应与被检测的管道材质完全相同, 应根据不同的制造厂家生产的管道, 按照不同管径、壁厚、焊接工艺、坡口型式等制作相应的试块。试块制作质量直接影响缺陷检出率和灵敏度, 所以SY 4112-2007《石油天然气钢质管道对接环焊缝全自动超声检测试块》对试块制作、质量检定、计量提出详细的要求。但目前我国尚无专业第三方计量检定机构对该类专业试块进行测试和计量检定, 一般由检测设备制造厂商和检测机构自行完成, 缺乏规范严格的监管。

3.3 材料及检测工艺文件管理

3.3.1 检测耗材报验不规范

检测耗材质量与检测数据和检测结果的正确性息息相关, 由于检测专业监理工程师知识水平及责任心等原因, 往往对检测材料验收环节疏于监管, 不合格材料用于检测工作, 导致检测数据失真, 造成缺陷漏检误判。

3.3.2 检测工艺文件编制报审不规范

检测工艺文件一般包括检测工艺规程和检测作业指导书, 是保证检测质量的纲领性文件, 检测人员必须严格执行, 检测工艺正确性和执行效果严重影响检测结果。所以, 相关管理法规和制度要求检测工艺文件在通过检测单位内控质量体系审核后, 必须报监理及建设单位审核。由于AUT检测技术专业性非常强, 往往监理及建设单位专业管理人员业务能力有限, 对检测工艺的审核流于形式, 没有起到审核把关的作用, 导致不合格检测工艺流入, 直接影响检测结果正确性和缺陷的检出率。

4 对策及建议

1) 为实施对检测人员的规范管理, 在国家尚无规范的考核情况下, 建议石油行业制定相关行业管理规定, 规范检测从业人员管理。在中国石油集团公司牵头督促下, 已经在石油建设协会施工技术协会下设无损检测协会, 于2015年8月在河北廊坊成立, 参考国家其他常规检测方法人员考试规则, 起草了石油行业管道AUT检测考试规则。培训考核对象包括无损检测机构、建设单位专业管理人员、监理单位专业监理工程师、质量监督机构专业监督工程师。

2) 检测仪器标定管理: (1) 检测仪器标定必须取得国家或者国际认可的专门标定管理部门定期检验标定; (2) 对比试块的制作、出厂检验及人工缺陷计量检测必须有国家认可的专门机构检查标定; (3) 检测仪器、试块、附属设施、材料进场前必须报监理单位验收检查, 符合要求后才能开展检测工作。

3) 检测可靠性综合评价管理: (1) 监理单位要做好检测过程现场校准、现场表面处理、检测标识的划定、轨道及扫查器安装固定、检测过程图像采集等关键点旁站及巡查抽查; (2) 加强工艺规程、检测方案、检测工艺卡报验及缺陷评定复核监理, 确保检测结论准确可靠。

5 结束语

通过多年的实践探索, 相控阵全自动超声检测技术发展日臻成熟, 已经成为大口径全自动焊接管道最有效的检测手段。规范提高检测技术的过程管理, 已成为当务之急, 国家应尽快规范检测人员考核认定, 规范检测仪器标定和过程控制管理, 方可使该检测技术充分发挥作用, 为大口径管道快速高效建设及安全运行保驾护航。

摘要：全自动相控阵超声波检测技术已经作为一种成熟有效的检测手段, 应用于大口径油气管道全自动焊接环焊缝的无损检测。对该检测技术原理、工艺技术特点及过程质量控制进行简要介绍, 并针对这种检测技术应用现状及过程管理存在的问题, 提出了相应的改进对策及建议。

关键词：大口径管道,相控阵,全自动超声波检测

参考文献

[1]住房和城乡建设部.石油天然气管道工程全自动超声波检测技术规范:GB/T 508018-2013[S].北京:中国计划出版社, 2013.

[2]石油工程建设专业标委会.石油天然气钢质管道对接环焊缝全自动超声检测试块:SY/T 4112-2007[S].北京:石油工业出版社, 2007.

[3]韩相勇.长输管线对接环焊缝自动相控阵超声波检测技术[J].无损检测2006, 28 (5) :237-241.

[4]白世武.管道环焊缝焊接缺陷相控阵超声波检测系统研究[D].天津:天津大学, 2007.

超声相控阵技术篇6

聚焦超声声场的测量是HIFU技术研究过程中一个关键点,因为HIFU治疗是否安全、有效,治疗探头设计与制造工艺的好坏,治疗过程中治疗计划的制定都与聚焦声场的分布密切相关。声场空间特性的获得,一般用水听器法测量声场空间中各点的声场参数,能较全面反映声场情况。

在本文的研究中,我们基于伪逆矩阵算法仿真了相控型聚焦超声在双焦点模式下的声场分布,搭建了测量平台,并用高分子聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)水听器测量了相关的声场分布。

1 实验和方法

1.1 水听器

水听器是一种将水下声压信号转换为电信号的换能器,它可以检测声场中的声压信号,并以电压的形式表现出来。聚焦超声可以在聚焦区域产生高于10 Mpa的声压和10,000 W/cm2的声强,极易使媒介产生气泡和温度升高。而空化效应和热效应极易对水听器产生影响。尤其对于PVDF水听器,其敏感材料易受温度影响,当温度超过70℃时,会产生去极化现象[2]。此外,高强度聚焦超声声场中还存在许多如谐波、声饱和、正弦波畸变等非线性现象。为了避免空化效应和热效应对水听器的损害以及声场中非线性现象的产生,高强度聚焦声场的测量一般在小功率条件下进行,然后根据线性模型推导出大功率条件下的声场分布和相关参数[3]。

本研究采用中国科学院声学研究所研制的NCS-1型PVDF探针式水听器,敏感材料直径0.8 mm,厚度25 mm。传感元件安装在一不锈钢管的端部。不锈钢管的外径直径1.5 mm,长约30-40 mm。同轴电缆直径2 mm,长1 m,通过BNC插头连接到示波器进行观察或记录。不锈钢管和电缆用直径3.5 mm的不锈钢管连结并防水密封。

1.2 相控型聚焦换能器

本文研究的相控型聚焦换能器,由65个直径为10 mm的平面圆形阵元组成,呈环状排列,镶嵌在曲率半径为130 mm的冠状球面表面。超声的工作频率为1.36 MHz。

对于无限大障碍板上的圆形活塞换能器,其空间某点处的声压可用瑞利积分表示为[4]:

其中p为声场中任意一点的复声压,j=√-1,r和c分别代表组织密度和声波在组织中传播的速度,k=2p/l为波数,A为源表面辐射面积,u为源表面上的法向振速,m为衰减系数,r和r'分别表示观察点和源点的矢量坐标,d为声波在衰减系数为a的媒质中的传播距离。对于由N个阵元组成的换能器,其在空间坐标为(xm,ym,zm)的某点m处的声压可以看成是[5]:

其中An和un分布是第n个阵元的面积和法向振速,rmn代表场点m到n阵元上各积分微元dAn中心点的距离,dmn为声波在衰减系数为a的媒质中的传播距离。

Ebbini[6]等提出了用伪逆矩阵(Pseudoinverse)算法,是一种根据理想声场模型反求阵元激励信号幅值和相位的方法。假设声场中M个控制点的声压已知,则可以得到:

式(3)可以用矩阵形式表示为:

其中u=[u1,u2,…,uN]t是阵列的复合法向振速向量;向量p代表了M个控制点的声压,p=[p1,p2,…,pM]t;H表示:

u的最小范数用最小二乘估计可表示为:

其中H*是H的广义伪逆阵,通过期望的声场声压分布可以获得阵元表面振速。

1.3 实验装置

根据国家标准(GB/T 19890)《高强度聚焦超声(HIFU)声功率和声场特性的测量》[7]建立HIFU声场测量系统。实验装置结构如图1所示,超声换能器置于水槽底部,向上发射1.36 MHz的连续声场。设置凹球面中心为坐标系原点。测量水槽周围填满吸声海绵,并在水听器周围设置吸声橡胶(北京声学所生产的UA-1型吸声内衬)。水听器通过一定的机械架子固定在三维步进电机(北京卓立汉光生产的KSA050-11系列高精度电移台)上,并置于温度为23℃的去气水中。步进电机带动水听器进行三维空间扫描测得声场空间分布。水听器的输出电压经电缆输入示波器(Agilent 54622D示波器)显示,通过GPIB接口传送到计算机上,进行信号采集和保存。

软件系统采用Measurement Studio和Visual C++联合编程的形式,运用多线程编程技术,实现HIFU声场信号自动检测系统。图2和图3分别为测量软件的功能模块和操作界面。

在测量过程中,我们扫查了焦平面上垂直于声束轴的x轴±20 mm范围内的声压。经过多次测量,在保证信号准确和兼顾扫描效率的基础上,我们选择0.4 mm作为扫描步距。扫描时,在每个扫描位置停留8 s,保证采集信号时水平面已经平稳。

2 仿真及结果分析

本文测量的相控聚焦换能器可以实现双焦点、四焦点等多种模式。我们用Matlab模拟了双焦点模式,在焦平面(即z=130 mm处)两焦点分别偏移声束轴中心5 mm和8 mm时x轴的声场分布,并用PVDF水听器测量了1.5 V激励电压下、双焦点模式下的焦平面上x轴声场分布,模拟和测量测量所得的值都相对于单焦点最大声压进行归一化,见图4所示,其参数见表1。可以得出,理论和测量值趋势较符合:随着焦点位置侧向偏离中心,主瓣幅度降低,旁瓣增加,而且两焦点中心区域的旁瓣由于互相叠加幅度较焦点外侧大。

3 结论

由多阵元形成的复杂相控HIFU声场,是研究并评估聚焦超声的疗效的重要手段之一。本文基于伪逆矩阵算法仿真了在相控聚焦换能器在双焦点模式下的声场分布,搭建了相关的HIFU声场测量平台,开发了具有实时自动采集数据和虚拟示波器的软件系统,测量了双焦点模式下的声场分布。实验表明,测量的声场分布和理论相符合,验证了仿真模型的准确性和测量系统的可靠性。

摘要：主要介绍了相控型聚焦超声双焦点模式下声场理论的仿真和实验测量,结果表明测量与仿真理论值相符。

关键词：相控聚焦超声,水听器,双焦点,声场测量

参考文献

[1]霍彦明,李国伟,陈亚珠.超声阵列换能器设计及声场模拟[J].声学技术.1999,18(4):168-172.

[2]Shaw.A,Hodnett.M.Calibration and measurement issues for therapeutic ultrasound[J].Ultrasonics.2008,48(4):234-252.

[3]Y.Zhou,L.Zhai,R.Simmos and P.Zhong.Measurement of High Intensity Focused Ultrasound Fields by a Fiber Optic Needle Hydrophone[J].Journal of the Acoustical Society of America,2006,120(2):676-685.

[4]D.R.Daum and K.Hynynen.A256-Element Ultrasonic Phased Array System for the Treatment of Large Volumes of Deep Seated Tissue[J].IEEE Transaction on Ultrasonics Frequency Control.1999,46(5):1254-1268.

[5]C.Zhang and Y.Chen.Investigation of a Spherical-section Ultrasound Phased Array for Hepatic Ablation[J].Journal of Zhejiang University SCIENCE,2007,8(8):1237-1245.

[6]E.S.Ebbini,M.S.Ibbini and C.A.Cain.An Inverse Method For Hyperthermia Phased-Array Pattern Synthesis[J].Ultrasonics Symposium,1988,(2):947-950.

超声相控阵技术篇7

现代电子技术在军事斗争及武器装备的广泛应用,使得争夺电磁频谱的主动权,即制电磁权,成为现代化信息战争的最明显特征。制电磁权的基础为电子情报的侦察与分析。传统的电子情报处理方法为计算机与专家系统相结合的半自动处理方式,全自动处理的情报虚警率较高。对于相控阵雷达的高变化,伪随机变化射频信号,此种方法速度低、精度差,已经无法满足现代信息化战争对电子情报的需要。利用仿真工具对相控阵雷达进行信号级仿真,能够获得电子情报侦察接收机的实际接收信号模型;能够有效提高电子情报处理的分析速度和精度,尤其相控阵雷达的多变发射的方式、伪随机变化的射频信号发射参数对于电子情报侦察的影响,此方法效果较好。

1 影响电子情报因素分析

1.1 电子情报的意义与内容

广义的电子情报是指从感兴趣的信号截获的信息,其信号为任何非通信辐射信号。狭义的电子情报特指对雷达系统发射的信号进行观测的结果,目的是获得有关雷达的各类信息。文中的电子情报即指后者。电子情报的价值在于能够及时提供有关威胁系统(如引导飞机或导弹飞向目标的雷达)的信息,也能够提供有关防御系统的信息和为电子进攻提供重要的情报。电子情报依据用途可分为两大类:雷达电子侦察情报和电子支援情报。雷达电子侦察情报是指根据侦收到的雷达装备的射频信号经过信号处理和数据处理所获得的雷达装备信息。电子支援情报通常是指地方雷达所处战斗态势和电子攻击样式的情报。

电子情报的生成流程如图1所示。

电子情报的生成可分为五个步骤:

(1) 电子情报接收机对侦收到的雷达射频信号进行测量,获得雷达系统全脉冲数据;

(2) 对雷达系统全脉冲数据进行分选和处理,获得雷达系统辐射源数据;

(3) 对雷达系统辐射源数据进行脉内分析和识别获得基于雷达工作样式的雷达电子侦察情报;

(4) 基于已有的雷达原理信息,利用仿真模型作为工具,对雷达电子侦察情报进行雷达系统内部工作机理研究,以求达到对辐射源进行个体识别的目的;

(5) 应用雷达系统内部工作机理研究获得的雷达战术情报获得电子支援情报;最后,将获得的雷达支援情报直接应用于反辐射打击,电子压制等电子进攻作战,此部分是电子支援情报应用的一个重要部分。

1.2 电子情报侦察方程

文献[1]中指出,在自由空间中,电子情报接收机接收到的雷达发射信号电平可由下式进行描述:

其中:SE为电子情报接收机处的信号电平;GTE为电子情报接收机方向上雷达发射天线增益;GE为雷达发射天线方向上的电子情报接收机接收天线增益;RE为从雷达发射天线到电子情报接收机天线的距离;λ为雷达波长;LT为雷达发射机到天线的射频损耗;LE为电子情报接收机从天线到接收机前端的射频损耗。

进行分析可以得出影响电子侦察接收机接收端信号功率的主要因素有:电子情报接收机直接测量的雷达系统全脉冲数据为信号到达时间,信号到达角,信号载频、信号脉宽、信号幅度。文献[2]中指出接收机的最主要参数接收机灵敏度的定义为:接收机及输入端需要的最小信号功率。仅有在接收功率大于灵敏度时接收机才可以截获射频信号。因此,在信号环境、信号调制和侦察系统本身的适应能力等外界条件不变的情况下,从信号本身的角度考虑,测量参数主要取决于电子情报接收机处的信号功率。

1.3 相控阵雷达仿真模型应用于电子情报侦察影响研究

由于相控阵雷达采用能够快速扫描和自适应控制的雷达天线同时配合固态雷达发射技术和软件化雷达技术使得相控阵雷达拥有许多传统雷达不具备的特点,主要有:能够执行多目标搜索、跟踪与多种不同种类雷达作战任务;能够实现雷达系统最优化工作方式管理;能够实现高搜索数据率和跟踪数据率;能够实现空间滤波能力和自适应空时处理能力;能够实现大功率孔径乘积与可变功率孔径乘积;能够实现天线孔径与雷达平台的共形;能够实现低可探测搜索,自适应反干扰接收等多种电子反对抗技术;能够实现雷达、电子对抗和通信设备多种装备的射频系统共用功能。

由于相控阵雷达具有许多传统雷达不具备的特点,因此传统的通用雷达系统已无法满足电子情报侦察的影响研究的需要。基于以上相控阵雷达的各特点,可以得出以下应用于电子情报侦察的影响研究的相控阵雷达仿真模型的具体技术要求:

(1) 仿真模型应为一基于作战效果的自适应仿真系统。

(2) 仿真模型应可以对系统所处状态进行管理与控制。

(3) 仿真模型应具有高搜索数据率和跟踪数据率。

(4) 仿真模型应具有实现空间滤波能力和自适应空时处理能力。

(5) 仿真模型应能够模拟低可探测搜索,自适应反干扰接收等多种电子反对抗技术。

2 应用于电子情报侦察影响研究的相控阵雷达仿真模型

2.1 应用于雷达截获信号的影响研究的相控阵雷达仿真系统

基于电子情报侦察的影响研究的相控阵雷达仿真模型的具体技术要求,重新设计相控阵雷达仿真系统,如图2所示。

对相控阵雷达仿真的目的是获得相控阵雷达自适应变化的射频信号。依据此目的可对相控阵雷达系统进行等效。由雷达反对抗控制系统、发射系统和发射天线系统组成相控阵雷达仿真系统的发射链路。由接收天线系统、接收系统、信号处理系统和数据处理系统构成相控阵雷达仿真模型的接收链路。录取控制系统作为控制系统连接接收与发射系统。由于仿真的目的为获得相控阵雷达的射频信号,因此对于接收链路可以将其等效为对录取、控制系统内雷达工作参数表变化的影响。设仿真开始时,雷达的接收信号为零,按照预设参数发射理想信号。当接收系统接收到目标回波后,则依据回波信号选择最优的发射参数进行发射,依据此方法可以得出相控阵雷达仿真系统的仿真技术重点为相控阵天线线阵和阵列综合技术及发射数字波束形成技术。

2.2 线阵和阵列综合技术的仿真

泰勒线源综合法是一种十分有效的描述理想状态下天线线阵和阵列方向图的方法。更为重要的是经过改进的n参数修正方法能够有效抑制副瓣和约束零点位置。因此n参数泰勒线源综合被广泛应用于相控阵雷达天线的发射波束。

Taylor n参数分布线源综合法能够有效约束波瓣图零点的位置,同时可对副瓣进行有效的抑制。Taylor用sinc(πφ)作为基本函数,通过调整近区零点位置,形成方向图:

式中:φn为方向图的零点位置;当undefined时,undefined;当undefined时,φn=±n;σ为波束扩展因子,此参数的作用在于使前undefined个旁瓣能平滑过渡到1/U包络,undefined;undefined表示有undefined个旁瓣受到控制。

2.3 发射数字波束形成技术的仿真

多波束天线具有探测范围大、数据录取率高、覆盖空域大等诸多优点,因此在雷达发射波束中得到了广泛应用。发射数字波束形成是将传统相控阵发射波束形成所需要的幅度加权和移相从射频部分放到数字部分来实现,从而形成发射波束。

空域内一点射频能量为:

式中:Ai为第i个阵元辐射能量;Wi为第i个阵元的权系数;Fi(u)为第i个阵元的天线图函数。

采用最大输出信噪比准则能够有效抑制天线、馈线系统带来的射频噪声,因此被广泛应用于发射波束控制领域内。最大输出信噪比准则的准则内容为:

设第i个阵元所感应的复振幅为:

xi=sde-j(i-1)βd

式中:βd为所需信号的复振幅,undefined。

加权输出为:

阵列输出的信号功率为:

2.4 相控阵雷达系能量管理技术的仿真

相控阵雷达由于其全系统均可实现捷变,以此必须利用反馈和最优化技术对雷达工作状态进行管理选择最有效的工作方式。对相控阵雷达发射的能量进行管理,能够使发射能量达到最大利用率。

传统雷达的扫描方式为一定角度内的均匀扫描和对某一批目标的连续跟踪,无法解决瞬时探测范围与跟踪精度之间的矛盾,而相控阵技术能够有效解决此矛盾。相控阵技术采用数字形成多波束的方法获得最大的能量利用。设雷达天线在扫描时,每个波束位置要驻留N个脉冲,则单位仰角波束内的辐射能量密度为:

式中:φV为仰角波束宽度。

立体空域里的总能量为:

当n=0时,为等能量分布,所用能量最大:

能量管理的原则如下:

以指定空域为约束条件使得能量节约因子最大。经分析可以得出制约能量节约因子的参数包括:天线增益、仰角功率、波束驻留时间。

3 相控阵技术对雷达截获信号的影响分析

3.1 空间某点雷达截获信号射频模型

由于线性调频信号能够有效解决距离分辨率和多普勒分辨率两者兼顾的问题,因此相控阵雷达的发射信号多采用线性调频信号,本文中也采用线性调频信号作为仿真模型信号。线性调频信号可用下式进行表示:

对相控阵雷达的射频信号进行仿真,仿真结果如图3～图11所示。

图3～图9中横坐标为时间(μs);纵坐标为归一化处理后的信号幅度(V)。图10～图11中横坐标为天线方向与正北方向夹角的正弦值;纵坐标为归一化后的天线功率谱。

3.2 结论

(1) 运用已有的信号规律描述侦察到的相控阵雷达信号是十分困难的。图4中的信号是实际射频信号,由于其采用的多脉冲技术,四个脉冲相叠加使得侦察时将其误认为是相位编码信号,使得判断失误。

(2) 比较图9～图11可以发现,由于发射波束的高速随机性位置转换,其发射天线的主瓣驻留时间缩短至普通天线驻留时间的1/10 。因此使得利用侦测主瓣侦察方法的作用距离大大降低。

(3) 比较图9～图11可以发现相控阵天线的副瓣已达到-40 dB,即使在不使用自适应零点对正技术的情况下,仍然很难侦测到天线的副瓣。因此对于侦测雷达天线副瓣的侦察方法影响较大。

3.3 相控阵技术对电子情报侦察的影响

(1) 相控阵雷达技术的广泛应用使得雷达射频信号的变化速度大幅度提高,变化形式多种多样。应用已有的信号变化规律已经很难详细说明雷达射频信号的特点。

(2) 相控阵技术在天线电子扫描方面的广泛应用,使得发射波束变化迅速且波束宽度极窄。因此,使得依靠对雷达发射天线主瓣的侦察的方法的作用距离大幅度下降。

(3) 相控阵技术和自适应线阵综合技术使得天线获得比传统天线低很多的天线副瓣,使得依靠侦察副瓣方法的侦察设备侦察效果大幅度下降。

摘要：针对相控阵雷达技术引起的射频信号复杂多变的问题,提出一种基于对雷达射频信号进行动态信号级仿真的雷达侦察数据分析方法。对典型相控阵雷达系统应用的相控阵雷达技术进行了分析,并运用Matlab 7.0仿真工具软件对相控阵雷达射频信号进行了实时信号级仿真,获得了射频信号模型,分析了相控阵技术对电子情报侦察的影响。

关键词：相控阵,电子情报,侦察,雷达射频信号

参考文献

[1]Narton D,Dedham K.Radar System Analysis[M].MA:Artech House,1976.

[2]Richard G.Wiley ELINT:The Interception and Analysis ofRadar Signals[M].Norwood,MA:Artech House,INC,2006.

[3]Zhang Mingyou.Digital Array Radar and Software DefinedRadar[M].Publishing House of Electronics Industry,2008.

[4]束咸荣,何炳发,高铁.相控阵雷达天线[M].北京:国防工业出版社,2007(7):47-69.

[5]Hansen R C.Phased Array Antenna[M].Canada:JohnWiley&Sons Inc.,1998.

[6]林相平.雷达对抗原理[M].西安:西北电讯工程学院出版社,1985.

[7]郑新,李文辉,潘厚忠.雷达发射机技术[M].北京:电子工业出版社2006.

[8][美]David K.Barton.雷达系统分析与建模[M].南京电子技术研究所,译.北京:电子工业出版社,2007.

[9][美]Merrill I Skolnik.雷达系统导论[M].3版.左群声,徐国良,马林,王德纯,等译.北京:电子工业出版社,2006.

[10][美]Merrill I,Skolnik.雷达手册[M].王军,林强,米慈中,等译.北京:电子工业出版社,2003.