用于相控阵超声仪的换能器基元故障检测的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了涉及相控阵超声系统的方法和系统，以定期地识别单独基元内的故障。本发明专利技术的方法和系统根据响应于来自每个单独基元的信号计算能量水平然后识别在典型的相控阵操作期间感应的能量水平的任何不连续或者意外的降低的简单方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及用于监控相控阵超声仪的性能的方法和系统，具体地，涉及对相 控阵超声系统中单独的换能器基元的故障检测。
技术介绍
与使用仅单个基元换能器的超声仪相比较，使用多基元相控阵换能器的超声仪提 供更高的检测效率。如本领域的技术人员众所周知的，因为相控阵换能器射束轴可以通过 应用具有不同聚焦法则(focal law)的连续的脉冲接收周期(即，执行S扫查)而被电子 地导向以覆盖二维的扇形区域或者三维的体积，所以静止的相控阵换能器可以比静止的单 基元换能器覆盖更大的检测区域。此外，当执行仅需要单个波束轴的检测(即，A扫查)时，单基元换能器需要固定 和移除特定角度的楔形，以覆盖不止一个入射波束角，然而，相控阵换能器可以电子上改变 入射角。因此，单基元换能器检测方法是低效的，因为它需要操作者在物理上移动或者以 其它方式调整和修改换能器，以便覆盖相控阵换能器在静止的位置能覆盖的相同的区域或 者相同的波束角范围。但是，传统的相控阵仪器相关联的显著问题在于对有故障基元的低效检测及其对 测量数据准确率的影响。超声相控阵换能器由小传感器基元阵列组成，每一个小传感器基元都可依照聚焦 法则单独地提供脉冲，以导向和聚焦激励信号并且聚焦接收信号。将来自相控阵换能器的 多个基元的响应信号合并在一起，以产生A扫查用于分析和进行扇形或者线形的扫查图像 渲染。如果一个或一些基元出现故障，在合并的响应中将出现误差，但是，该误差可能难以 识别，因为其仅是总和的一小部分。有故障的单基元换能器不具有这个问题，因为单基元换 能器是所观察的A扫查的唯一信号源，因此，能够容易地识别意料之外的信号响应。将本专利技术中的术语“有故障的”定义为与相邻的没有故障的基元相比对入射回声 信号几乎没有或者完全没有响应的基元。相控阵检测过程的准确度和效率是十分重要的，因为昂贵的维修和维护决定是根 据测量数据的假设的准确度做出的，并且与检测本身相关联的成本是可观的。因此，在不知 道存在有故障基元的情况下执行这些检测可能对于检测测量数据的有效性具有显著的不 利影响。存在检测有故障的基元的传统的方案，但是它们采用耗时的校准过程，并在执行 校准过程时需要检测过程停止，由此降低了效率。在美国专利5，572，219中介绍的另一种解决方案公开了一种方法和装置，通过将 进行校准时来自每个换能器基元的读数和对于每个基元期望获得的一组预定的数据进行 比较，产生相控阵换能器的每个基元的校准数据。这种方案和其它现有校准技术具有的问题在于，不是频繁地执行完整的相控阵仪器校准，因此，在校准过程之间没有监控换能器性能。因此，提供一种连续地自动检测有故障的相控阵换能器基元、并对检测过程的准 确度或者效率没有不利影响的简单、系统的方法是有利的。应当注意的是，还可以将本专利技术的优势应用于S扫查以外的相控阵测量方法，例 如(但不限于)，线性扫查和动态深度聚焦。
技术实现思路
本专利技术公开的实施方式解决了与相控阵超声系统有关的上述问题。本专利技术的实施方式涉及测量每个有源换能器基元感应的回声响应信号中的能量， 以及随后识别相邻的有源基元之间的、指示换能器基元故障的不连续。这个过程可以与正 常的相控阵系统操作同时发生，以便防止降低检测过程的效率。在本专利技术的每个实施方式中，对数字化的接收信号执行计算，以确定在预定的时 间周期期间每个有源基元感应的能量的量。该计算是在脉冲接收周期内的一连串相邻的时 间周期执行，以保证不会错过回声响应事件。应当注意，可以使用其它方法来确定换能器基 元感应的能量的量，包括本领域的技术人员众所周知的模拟和数字信号处理技术。例如，可 以使用带有(或者不带有)计时器或者计数器的幅度检测器。可替换地，可以使用模拟积 分器。然后将对于每个基元计算的能量水平E(i)与相邻基元的能量水平比较，以确定 前述不连续的存在。因此，本专利技术的一般目标是提供换能器基元故障检测的方法和系统，该方法和系 统可以自动地、并与正常的相控阵检测操作同时地实施，而不降低相控阵检测过程的效率 或者准确度。应当注意，还可以通过用户接口交互地应用本专利技术的方法，即，以非自动的方 式。本专利技术的另一个目标是提供用于相控阵系统的换能器基元故障检测的方法和系 统，通过将计算程序添加到现有的相控阵系统中而不需要对硬件进行重大的改变可以经济 地实现该方法和系统。在阅读参照附图仅为了说明给出的说明性的实施方式的下面非限制性的描述之 后，本专利技术的前述和其它目标、优势和特征将变得更加明显。附图描述附图说明图1是示出了本专利技术的示例性相控阵检测系统的图；图2是示出了对于在0度角下导向声束的典型相控阵操作的应用的聚焦法则的实 施例的图；图3是示出了对于在30度角下导向声束的典型相控阵操作的应用的聚焦法则的 实施例的图；图4是示出了相位接收波形中的三个波形的图；图5是示出了在向基元施加脉冲后的一个周期期间八个基元的能量水平条的三 维图；图6是示出了图5的能量水平条的后视图的三维图；图7是示出了八个基元和信号处理模块的图，连同在四个At时间周期期间能量水平的结果图；图8示出了能量水平的图，横跨具有相应的一阶导数和二阶导数的绝对值的所有 有源基元； 图9是示出了三个相位调整的接收波形的图；图10是示出了与传统的相控阵仪器相关联的操作顺序和与本专利技术的实施方式相 关联的操作顺序的图；图IlA和IlB是示出了相控阵基元故障的可替换的实施方式的图，提供了通过与 期望的能量值比较，识别所有基元中能量水平的突然下降的替换方法；图12是示出了包括功能模块的本专利技术的另一个可替换实施方式的图，使用功能 模块，根据能量水平包络值实现所公开的换能器基元故障检测方法。具体实施例方式一般信息本专利技术涉及通过分析每个基元接收的回声能量水平并检测相邻的基元之间明显 的能量水平不连续性，对有故障的相控阵换能器基元进行自动检测。本专利技术还涉及具有可以布置在直线的或者二维的配置中的两个或更多个基元的 相控阵换能器。虽然本专利技术的实施方式是在传统的脉冲接收相控阵系统的背景下描述的，其中脉 冲事件和接收事件在不同时刻发生，但是，本专利技术的实施方式还适用于连续波形的相控阵 系统，其中发射和接收同时发生。连续波形系统中基元接收的能量包含通过解调在接收过 程期间分离的发射信号和接收信号。应当注意，下列词汇适用于本专利技术-本专利技术中使用的术语“能量”应用于换能器基元电压响应用于能量水平计算，但 是本领域的技术人员将理解，为了计算能量水平，可以使用除了电压以外的其它单位，例如 (但不限于)，电流、库仑或者瓦特。-术语“有源基元”或者“有源换能器基元”应该指相控阵换能器阵列内用于接收 信号的基元。应当注意，常见的是，在相控阵系统中仅全部数量的换能器基元的一个子集是 有源的。-术语“相邻”指一组两个或更多个邻接的有源基元。-术语“不连续性，，指相邻的换能器基元之间能量水平的明显差异。_术语“脉冲接收周期”指与一组聚焦的脉冲发生器的发射同时开始的、在下一次 发射之前结束的事件。_术语“获取周期”指在使用第一个聚焦法则的脉冲接收周期的开始时启动的、在 使用最后一个聚焦法则的脉冲接收周期的结束时停止的事件。聚焦法则的数量和范围通常 由S扫查中包括的波束角的数量或者线性扫查的波束位置的数量确定。-术语“有故障的”指与相邻的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在具有多个换能器基元的超声相控阵仪中检测换能器基元故障的方法，包括：向所述相控阵系统中的换能器基元施加超声脉冲；根据在预定时间周期内从各个换能器基元获得的响应信号读数，分别计算各个换能器基元的能量水平；注意因基元故障导致的一个或多个换能器基元中下降的能量水品；和根据基元的能量水平，将能量水平下降的基元中的任何一个识别为有故障基元。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯蒂安希玛德，迈克尔杜拉米，
申请(专利权)人：奥林帕斯NDT公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]