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仪器仪表学报
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仪器仪表学报/Journal Chinese Journal of Scientific InstrumentCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本学报是中国仪器仪表学会主办，代表中国仪器仪表及自动化最高学术水平的唯一国内外公开发行的学术性刊物。学术性强、内容创新、注重应用，优先刊登具有创新成就和观点的中英文论文、综述性文章、论坛及信息。设有学术论文、研究通讯和短文、综述、信息等栏目。
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    基于超声导波虚拟时间反转的多层异质金属粘接结构损伤定位

    刘稳刘立帅项延训轩福贞...
    111-119页
    查看更多>>摘要：多层异质金属粘接结构由于其优异的比强度,被广泛用于承压设备,船舶,核装备等关键领域的核心部件,其长期服役在复杂苛刻的环境中,难免产生各种缺陷和损伤,进而影响装备服役安全.超声导波检测是一种潜在的无损检测方法,但是多层金属粘接结构中金属与非金属粘接层之间阻抗差异大,导致Lamb波传播特性复杂,很难通过基于时间信息的导波定位方法进行缺陷的检测和定位.故本文提出一种适用于多层结构的损伤存在概率成像方法并结合虚拟时间反转技术,对多层异质金属粘接结构的内表面缺陷进行无基准的检测和定位.结果表明,在几何尺寸为300 mm的板中,定位的缺陷坐标和实际缺陷位置中心坐标仅仅相差2.74 mm,实现了对多层异质金属粘接结构内表面损伤的精准定位成像.

    多层异质金属粘接结构虚拟时间反转损伤指数缺陷定位

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    改进型密集阵列全聚焦成像算法的碳纤维复合材料板损伤定位研究

    刘增华王美灵朱艳萍鲁朝静...
    120-132页
    查看更多>>摘要：本文针对各向异性碳纤维复合材料板的损伤定位问题,提出改进型密集阵列全聚焦成像方法.首先,考虑碳纤维复合材料板的各向异性,通过实验分析超声导波在板中的传播特性,得到沿不同传播方向的群速度值.其次,对密集型传感器阵列的参数进行分析和优化研究,分别对不同阵列参数即阵元间距和阵元数量进行指向性函数的数值分析,优化阵列的参数,以保证阵列主瓣较窄、旁瓣较低且无栅瓣.然后,提出了一种考虑碳纤维复合材料板各向异性的改进型密集传感器阵列板结构缺陷定位算法.使用超声导波在碳纤维复合材料板中沿不同传播方向的群速度值,对全聚焦算法进行修正,并利用虚拟聚焦原理对板结构进行全聚焦成像.最后,通过布置碳纤维复合材料孔洞损伤实验,对基于密集阵列全聚焦成像方法的定位精度进行分析.实验结果表明,改进型密集阵列全聚焦成像算法的定位精度为1.00 mm,相较于使用单一群速度值,该方法在定位孔洞损伤缺陷时具有更高的精度.

    碳纤维复合材料超声导波密集阵列全聚焦成像算法

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    基于周向SH导波的钢制环氧套筒胶结缺陷检测方法研究

    张宏远殷晓康赵雨生袁新安...
    133-143页
    查看更多>>摘要：钢制环氧套筒目前已在油气管道损伤修复领域得到广泛应用,其树脂层的胶结质量对管道修复后的补强效果至关重要.对此,本文提出了基于电磁超声周向SH导波的钢制环氧套筒胶结缺陷检测方法.首先,通过建立有限元模型研究了周向SH0模态导波在钢制环氧套筒结构中的传播特性;其次,采用有限元仿真与实验研究相结合的方式探究了周向SH0模态导波检测钢制环氧套筒胶结层内预制的阶梯型贯穿空腔缺陷的可行性.仿真和实验结果均表明,SH0模态直达波幅值与空腔宽度基本呈线性正相关,说明该方法可实现对胶结层中贯穿型空腔缺陷的检测,并且可区分空腔大小,验证了所提方法用于检测钢制环氧套筒胶结缺陷的可行性.

    钢制环氧套筒EMAT周向SH导波胶结缺陷管道损伤修复

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    基于超声平面波成像的钢轨螺孔裂纹检测方法研究

    常至轩徐鑫涛武二永杨克己...
    144-155页
    查看更多>>摘要：轨道交通在当今社会生产活动中发挥着重要作用.目前在役钢轨大量采用鱼尾板和螺栓联接的方式铺设.钢轨接头在服役过程中会频繁受到冲击载荷作用,容易诱发螺孔裂纹损伤.尽早发现螺孔裂纹,并对裂纹进行定量测量,是保障铁路运输安全,避免发生严重事故的关键.超声相控阵成像检测方法具有精度高、环境适应性强、实施方便的优点,在钢轨在役无损检测中得到了广泛的应用.然而,传统相控阵斜入射扇扫成像方法受裂纹倾斜角度的影响,在工业实践中依赖工人的主观判断和分析能力,难以实现检测的定量化与标准化.基于以上背景,本文提出了一种基于超声平面波全聚焦成像的钢轨螺孔裂纹检测方法.使用复合平面波成像方法对钢轨内部螺孔及附近区域进行高精度重建,获得裂纹伤损的初步检测图像.基于编码器信息,将多个扫查点上的初步检测图像融合,得到合成检测图像,从而覆盖不同倾斜角度的裂纹.基于主成分分析方法,对裂纹倾斜角度进行定量分析,进而借助方向最大强度投影方法,得到裂纹长度的定量检测结果.所述方法在钢轨螺孔裂纹试件检测试验中实现了对[-45°,45°]范围内裂纹的100％检出率;裂纹定位误差最大值为1.47 mm,接近1个波长;长度检测误差最大值1.17 mm,小于1个波长;裂纹角度检测误差最大5.01°.所述方法需要的设备结构简单,可集成于移动式钢轨巡检设备,具备自动化实施的能力.

    超声波钢轨探伤裂纹检测技术超声平面波成像主成分分析图像融合

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    曲面构件阵列超声频域逆时偏移成像方法研究

    朱甜甜周正干周文彬赵永峰...
    156-165页
    查看更多>>摘要：曲面构件因其独特的结构和力学特性,广泛应用于航空航天领域.然而,未知的曲面形状导致阵列超声检测时,声传播延时计算不准确,影响缺陷检测的精度.为解决这一问题,提出了一种不依赖声传播延时的适用于曲面构件的阵列超声频域逆时偏移成像方法.首先,利用阵列超声全聚焦方法对曲面构件表面进行成像;然后,对成像结果进行阈值分割和曲线拟合,重构构件表面形状并建立二维声学特性分布模型;最后,通过频域逆时偏移将来自超声波源的正向传播波场与缺陷反射体的反向传播波场进行互相关成像.实验结果表明,所提出的方法可以有效实现曲面构件内部缺陷成像,与传统的阵列超声全聚焦方法相比,缺陷的成像质量提升66％以上,缺陷定量平均误差降低37.04％以上.

    曲面构件阵列超声检测频域逆时偏移成像

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    基于宽带相干信号子空间方法的超声导波长骨评价

    周鲜成李鹏飞李杰李义方...
    166-176页
    查看更多>>摘要：超声导波对长骨的生物力学特性敏感,已经广泛应用于长骨的健康评价.由于骨骼的高衰减特性,准确估计长骨中宽带相干导波信号的频散模式,进而准确反演长骨材料特征参数,是骨超声领域的一个研究热点和难点.本文提出了一种基于宽带相干信号子空间的导波波数估计方法,高精度提取导波频散模式;在此基础上,应用具有全局优化特性的蚁群算法从导波模式中估计长骨材料参数,成功实现了对长骨状况的定量评价.仿真和离体实验(2块仿真样本和2块离体牛骨)共同验证了方法的有效性,实验频散与参考频散之间的相对误差分别为3.52％,3.83％,3.35％,4.51％;对于离体牛骨,皮质骨厚度、纵波速度、横波速度估计值与参考值之间的平均相对误差分别为3.10％,0.11％,0.03％.综上,本文提出的方法为定量超声长骨评价提供了新的借鉴,也可应用于其他固体波导频散的高精度提取和结构健康表征.

    超声导波长骨评价宽带相干信号子空间频散提取

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    基于超声-光声多模态成像仪器的骨结构及成分高分辨率表征方法

    谢强李博艺杨春山韩帅...
    177-187页
    查看更多>>摘要：早期诊断和治疗骨质疏松症能显著降低骨折风险.骨组织物理结构和生化成分的影像学检查对骨质疏松症的诊断具有重要意义.为了克服基于射线的骨骼健康检查技术存在电离辐射,无法表征骨组织生化成分等问题,本文设计了一套超声-光声多模态成像仪器.该仪器由波长实时可调的激光器、多模时序控制器、超声数据采集与控制器、高速数据交换与传输模块组成,利用时分复用和异步成像策略原位采集超声和光声信号,结合高分辨率成像算法获得骨组织的超声-光声影像.松质骨仿体和牛松质骨的离体试验以及手指关节在体试验结果表明,所提出的超声-光声多模态成像仪器在骨质疏松症的诊断中具有潜在的应用价值,为全面评价骨骼健康的临床研究奠定了基础.

    骨质疏松超声-光声成像仪骨结构及成分表征高分率骨成像

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    基于广义可扩展RPCA滤波的超快超声脑血流与功能成像方法研究

    吴浩田闫少渊许凯亮他得安...
    188-197页
    查看更多>>摘要：开发高分辨和高灵敏度的小血管可视化技术,对相关组织病变的早期诊断和治疗监测具有重要的临床意义.不同于传统聚焦超声,超快超声多普勒(µDoppler)成像技术凭借数千帧的成像帧率,可检测到小血流的瞬时变化.组织杂波滤除和噪声抑制对于µDoppler的成像质量至关重要.常用的杂波滤除方法为奇异值分解(SVD)方法,该方法利用信号时空相干性差异可快速实现组织杂波和血流信号分离,然而无法有效抑制噪声.本研究创新性提出了一种基于广义可扩展的鲁棒主成分分析(GSRPCA)的杂波滤除方法,使用Schatten p范数和lq范数来加强鲁棒主成分分析(RPCA)模型的低秩约束和稀疏约束,增强了小血流信号的提取能力.大鼠脑血流成像结果表明,GSRPCA能够提升功率多普勒成像中血管的成像质量,相较SVD提高信噪比约20 dB,且提高对比噪声比约10 dB.大鼠超声脑功能成像结果表明,GSRPCA能够提升小血管血容量动态检测的灵敏度.相关方法对超快超声成像杂波滤除的研究具有一定借鉴意义.

    超快超声杂波滤除广义可扩展RPCA脑血流功能成像

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    基于环形阵列的医学超声成像系统设计

    莫笑海苏畅孔超蒋乐康...
    198-207页
    查看更多>>摘要：针对传统手持式医学超声扫描成像视野狭窄、非标准化等问题,设计并实现了一套基于环形阵列的超声成像系统,包括512阵元超声环形阵列、256/1 024通道超声采集电路、基于PCIe总线的数据传输模块以及相应的采集控制和快速成像软件.多通道采集电路由8个32/128超声收发控制模块组成,可控制512个环阵阵元在12 s内完成全矩阵数据采集和高速传输,实测数据传输效率达1.2 Gb/s.系统具备0.16～15 MHz的频带宽度,以及12.5～100 MHz 4档可调的A/D采样率,有利于适配更广泛的临床和实验需要.采集控制软件可设置多模式超声数据采集,实现快速成像监测和全矩阵数据存储,用于后续的图像精细重建.仿组织体模和活体成像实验表明,系统成像范围大于10 cm×10 cm,能够分辨1 mm的异常,可准确重建生物组织中脂肪、肌肉、骨组织等界面,验证了该系统可以实现大视野的标准化医学超声影像.

    医学超声超声成像系统环阵换能器数据采集系统

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    基于环形阵列的肌骨超声高分辨率断层成像

    武小晴李玉冰苏畅蒋乐康...
    208-218页
    查看更多>>摘要：超声断层成像技术因具有非侵入性、成本效益高、无辐射危害和设备便携等优势,正快速成为医学成像领域快速发展的焦点.然而,超声波在肌骨组织等声阻抗对比度较高的介质中传播时往往会产生复杂的散射现象,导致接收信号的波形畸变与幅度衰减,进而限制了超声断层成像的分辨率和精度.为此,采用环形阵列针对肌骨组织(包含数字体模和在体组织)进行了全矩阵数据采集,实现在大孔径条件下采集反射、透射、多次散射等多种模式的超声信号,然后运用多种算法重建目标截面的结构和参数图像.其中,延时叠加被用于对强反射界面的结构成像;渡越时间断层成像则有助于重建目标截面的低分辨率声速分布图像;而全波形反演则可在渡越时间断层成像的基础上,通过求解非线性反演问题生成更高分辨率的声速分布图像.通过仿真与实验测试,验证了结合渡越时间断层成像和多尺度频域全波形反演的方法,能够精确重建目标截面的不同组织成分,如皮肤、脂肪、肌肉和骨骼等,且分辨率达到0.4 mm.本文工作扩展了超声在医学成像领域的应用范围,对肌骨疾病的精确诊断具有重要的临床价值.

    超声断层扫描仪医学超声肌骨成像全波形反演

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