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第1章 高温射频超导量子干涉器弱磁场检测技术 1

1.1 超导量子干涉器与弱磁场检测技术 1

1.1.1　超导量子干涉器 1

1.1.2　超导量子干涉器在弱磁场检测中的应用 8

1.1.3　超导量子干涉器用于钛合金检测 10

1.1.4　超导量子干涉器用于航空探测潜艇 12

1.2　试验方法 14

1.2.1　钛合金铁磁夹杂物检测实验方法 14

1.2.2　超导量子干涉器用于探测潜艇可行性研究的实验方法 15

1.3　主要仪器设备 16

1.3.1　超导量子干涉器器件的制作 16

1.3.2　超导量子干涉器信号发射／接收设备 18

1.3.3　低温系统 19

1.3.4　局部电磁屏蔽系统 20

1.3.5　计算机控制三维扫查系统 23

1.3.6　数据采集系统 24

1.4　超导量子干涉器用于钛合金的检测 25

1.4.1　钛合金中铁夹杂的产生及其常规检测方法 25

1.4.2　应用超导量子干涉器对钛合金中铁夹杂物的检测 26

1.4.3 应用超导量子干涉器对钛合金中硬质合金夹杂物的检测 31

1.5　超导量子干涉器弱磁场检测中的信号提取 33

1.5.1　干扰信号的消除 33

1.5.2　系统噪声的消除 37

1.5.3　面扫描显示缺陷信号 39

1.5.4　面扫描中的噪声信号 44

1.6　超导量子干涉器对潜艇探测可行性研究 44

1.6.1　潜艇磁性的产生 44

1.6.2　采用超导量子干涉器对潜艇探测的关键问题 45

1.6.3　振动状况的模拟 45

1.6.4　模拟体试验 47

1.6.5 实测结果 48

1.6.6　磁异探测中潜艇的数学模型 49

参考文献 51

第2章　声发射检测信号处理新技术 53

2.1　声发射检测技术与信号处理 53

2.1.1　声发射检测技术 53

2.1.2　声发射检测技术发展历程 54

2.1.3　声发射检测信号处理方法的进展 55

2.1.4　声发射检测信号处理方法集成化的发展现状 62

2.2　基于小波变换的声发射信号处理方法 63

2.2.1　声发射信号的特征分析 64

2.2.2　小波变换的物理理解 65

2.2.3　声发射信号小波分析的小波基选取的规则与方法 66

2.2.4　声发射信号小波分析算法及相关问题的研究 70

2.2.5　小波变换对声发射信号特征分析方法的研究 73

2.3　基于BP人工神经网络的声发射信号模式识别 85

2.3.1 BP网络及其模式识别原理 85

2.3.2　声发射模式识别应用中的BP算法的不足与改进 86

2.3.3　声发射信号模式识别的BP网络结构设计与优化问题 90

2.4　盲目反卷积在声发射源信号处理中的应用研究 98

2.4.1　声发射源信号的卷积模型 98

2.4.2　声发射源反卷积模型求解的研究 100

2.4.3　盲目反卷积对断铅声发射信号的分析 102

参考文献 106

第3章 基于时频分析的粗晶材料超声检测技术 113

3.1　粗晶金属材料超声检测概况 113

3.1.1　材料晶粒度对超声检测的影响 113

3.1.2　粗晶材料的组织特点与现有检测手段 116

3.1.3　超声信号处理技术的研究现状 117

3.1.4　粗晶材料超声检测技术的研究现状 119

3.1.5　本章所论述的研究内容的意义 119

3.2　超声信号的时频分析与时频图像 120

3.2.1 超声信号的常带宽时频分析与二维信号阵列 120

3.2.2 超声信号的常Q时频分析与二维信号阵列 121

3.2.3　超声信号时频图像的物理意义 122

3.2.4 常带宽时频分析与常Q时频分析时频图像对比 123

3.3　脉冲超声检测时频分析“三步法” 123

3.3.1 第一步：脉冲超声信号常Q时频分析图像优化 124

3.3.2　第二步：时频图像缺陷信息提取 130

3.3.3　第三步：缺陷信息的A型显示 136

3.3.4　时频分析三步法小结 137

3.4　时频分析“三步法”材料检测实验研究 137

3.4.1 实验内容 137

3.4.2 实验小结 147

3.5　脉冲超声时频分析检测系统的研究与设计 150

3.5.1 系统的信号处理功能 150

3.5.2　系统的硬件设计规划 150

3.5.3　系统的关键硬件环节设计 153

3.5.4　系统的结构特点与性能特点 157

参考文献 158

第4章　非线性超声检测技术 162

4.1　非线性超声检测技术概述 162

4.1.1 金属构件中的闭合裂纹及其检测方法 162

4.1.2　非线性超声无损检测技术 164

4.1.3 非线性超声无损检测技术的国内外研究现状 165

4.2　闭合裂纹超声非线性响应的建模及模拟 168

4.2.1 金属材料闭合裂纹的超声非线性响应 169

4.2.2　影响闭合裂纹超声非线性响应的因素 170

4.2.3　闭合裂纹的超声非线性响应 171

4.2.4 闭合裂纹超声非线性响应分析模型 173

4.2.5 闭合裂纹超声非线性响应的等效检测模型 182

4.3 非线性超声检测方法与检测系统设计 183

4.3.1 非线性超声无损检测的基本要求 183

4.3.2　非线性超声检测方法和特征参数的选取 184

4.3.3　非线性超声检测系统的指标要求与性能影响因素 187

4.3.4 基于非相干叠加原理的非线性超声检测方法 188

4.4　金属材料疲劳损伤的非线性超声无损检测 194

4.4.1 疲劳损伤超声无损检测的基本理论 194

4.4.2 45钢疲劳试件的非线性超声检测实验研究 196

4.4.3　铁路车辆RD2车轴疲劳状态非线性超声无损评价 198

参考文献 201

第5章　相控阵超声检测系统及其关键技术 205

5.1　相控阵超声技术的概况 205

5.1.1　发展相控阵超声技术的意义 205

5.1.2　相控阵超声技术的应用与发展 206

5.2　相控阵超声原理及系统关键技术 212

5.2.1　相控阵超声原理概述 212

5.2.2　相控阵超声中的关键技术概述 213

5.3　相控阵超声检测系统的设计 223

5.3.1　相控阵超声检测系统总体设计 223

5.3.2　一维线性超声换能器阵 225

5.3.3　相控超声发射／接收及数据采集处理卡 225

5.3.4　系统主控计算机 242

5.3.5　相控阵超声检测系统软件设计 242

5.4　时钟同步和相控延时 244

5.4.1　相控阵超声系统的时钟与同步 244

5.4.2　相控阵超声发射／接收中相位延时的实现 247

5.5 实验结果 255

5.5.1　单阵元发射基本实验 256

5.5.2　单阵元发射声场测试 258

5.5.3　线性小振幅波叠加原理实验 259

5.5.4　相控阵超声发射实验 262

5.5.5　相控阵超声接收实验 264

5.5.6　模拟缺陷试块检测实验 266

参考文献 268

第6章 自适应聚焦数字相控阵超声检测系统 273

6.1　相控阵超声检测技术 273

6.1.1　相控阵超声检测仪器与系统 273

6.1.2　超声检测声束聚焦控制技术发展现状 274

6.2　相控阵超声检测原理及阵列探头设计 276

6.2.1　超声辐射的原理与特性 276

6.2.2　相控阵超声检测技术原理 278

6.2.3　相控阵超声阵列探头设计 280

6.3　数字相控阵超声检测系统 285

6.3.1 数字相控阵超声检测系统同步与时间延迟精度 286

6.3.2 数字相控阵超声检测系统独立通道数的优化选择 291

6.3.3　数字相控阵超声检测系统模／数转换环节的设计 295

6.3.4　数字相控阵超声检测系统发射电路设计分析 298

6.3.5　数字相控阵超声检测系统的设计和实现 301

6.4　相控阵超声检测中的自适应聚焦技术 309

6.4.1 相控阵超声自适应聚焦方法的选择分析 309

6.4.2　相关法时间延迟估计 310

6.4.3　声束偏转自适应聚焦研究 321

6.5　柔性阵列探头相控阵超声检测技术探讨性研究 324

6.5.1 柔性相控阵超声阵列探头分析 325

6.5.2　柔性相控阵超声检测 328

6.5.3 柔性相控阵超声检测实验结果与分析 331

6.6　实验结果与分析 332

6.6.1 数字相控阵超声检测系统基本功能实验结果与分析 332

6.6.2　声束的动态控制检测实验与分析 337

6.6.3 阵元间距与偏转角关系的验证与分析 338

6.6.4　钛合金的相控阵超声检测实验 340

参考文献 341

附录 自适应聚焦数字相控阵超声检测系统照片 345

第7章　相控阵超声检测中的自适应信号补偿技术 346

7.1 相控阵超声检测实验系统的设计及性能指标讨论 347

7.1.1 相控阵超声检测实验系统的结构 347

7.1.2　换能器阵列 347

7.1.3　多通道相控发射模块 350

7.1.4 多通道相控接收模块 350

7.1.5　实验系统检测指标的评价 351

7.1.6　线阵聚焦实验 352

7.2　声束的相位畸变模型 353

7.2.1　超声信号的畸变 353

7.2.2　声束畸变原因分析 355

7.2.3　相位偏差分析模型 359

7.3　基于相关分析法的相位偏差矫正 361

7.3.1　超声信号的相关分析法 361

7.3.2　邻近相关分析方法 364

7.3.3　集总相关分析方法 370

7.3.4　混合相关分析方法 374

7.4 超声信号幅度畸变及其补偿方法 378

7.4.1 超声信号幅度畸变模型 378

7.4.2　超声信号幅度畸变补偿方法的探讨 381

7.4.3　幅度畸变的自适应补偿算法 383

7.4.4 实验结果 384

7.5　超声信号畸变补偿算法的改进 384

7.5.1　声束合成信号的快速重构 385

7.5.2　检测信号的补偿 387

7.5.3　实验结果 391

7.6　基于自适应信号补偿的相控超声检测与目标分辨 391

7.6.1 基于自适应信号补偿算法的相控超声检测 391

7.6.2 主声束域中存在多个缺陷时的目标分辨 395

7.6.3　人工缺陷试块上的自适应相控超声检测实验 397

7.6.4　小结 399

参考文献 399

第8章　提高相控阵超声检测成像分辨率的相关技术 400

8.1　相控阵超声成像技术研究概况 400

8.1.1　相控阵超声成像的特点 400

8.1.2　相控阵超声成像技术的研究现状 401

8.1.3　相控阵超声检测成像分辨率定义 403

8.1.4　本章研究和论述的主要内容 403

8.2　相控阵超声激励频率优化 403

8.2.1　对比度分辨率分析 404

8.2.2　超声衰减特征 404

8.2.3　阵元带宽的影响 407

8.2.4　相控阵列的频率优化 408

8.2.5　实验研究 413

8.3　混频相控阵 416

8.3.1　混频相控阵的提出 416

8.3.2　激励向量优化 417

8.3.3　混频相控阵的本质及实现 421

8.3.4　仿真试验 424

8.3.5　实验研究 426

8.4　空间并行波束合成 430

8.4.1　波束合成的意义 431

8.4.2　波束合成技术与实现方法 434

8.4.3　空间并行波束合成的算法 436

8.4.4　仿真算法及试验 440

参考文献 445

第9章　面阵相控阵超声三维成像检测技术 448

9.1　二维阵列相控阵超声检测技术 448

9.1.1 研究二维阵列相控阵超声检测技术的必要性 448

9.1.2　二维阵列相控阵超声检测国内外研究现状 450

9.1.3 二维阵列相控阵超声检测的主要难点 451

9.2　二维阵列相控阵超声检测系统 453

9.2.1 二维阵列相控阵超声检测系统的结构与功能 453

9.2.2　二维阵列探头的设计 453

9.3　二维阵列相控阵超声三维成像 460

9.3.1 空间波束采样定理的导出和数据扫描方案的确定 460

9.3.2　波束合成简介与波束合成方案的选择 463

9.3.3　本章所研究并采用的直接波束合成方案 466

9.3.4　二维阵列相控阵超声三维成像实验 468

9.3.5　低信噪比背景下相关相位校正研究 470

9.3.6　适合于低信噪比信号的混合相关相位校正 473

9.4　相控阵超声二维稀疏阵列的应用研究 473

9.4.1 采用稀疏阵列的必要性及稀疏阵列方案选择 473

9.4.2　采用遗传算法设计二维稀疏阵列 476

9.4.3 最小冗余度阵列和遗传算法结合（MRLA+GA）设计一维稀疏阵列 482

9.4.4 最小冗余度阵列和遗传算法结合（MRLA+GA）设计二维稀疏阵列 486

9.5　子阵合成相控阵研究 488

9.5.1　合成孔径技术的启示与子阵合成相控阵方法的提出 488

9.5.2 子阵合成相控阵中子阵划分方案的确定 490

9.5.3　模拟实验验证 498

参考文献 500

第10章　水轮机空化噪声及其检测技术 504

10.1 水轮机的空化与空化噪声 504

10.1.1　水轮机的空化现象 504

10.1.2 国内外关于空化噪声检测的研究 507

10.2　水轮机空化噪声特性 509

10.2.1　试验系统 509

10.2.2　试验参数确定 515

10.2.3　空化噪声特性研究 516

10.3　多参数下水轮机空化检测研究 525

10.3.1 单位转速调节时水轮机空化检测研究 526

10.3.2　导叶开口百分比调节时水轮机空化检测研究 528

10.3.3 吸出高度调节时水轮机空化检测研究 530

10.3.4　空化检测性能评价 535

10.3.5 小结 536

10.4　水轮机空化检测中的干扰抑制技术研究 536

10.4.1　干扰抑制效果指标 537

10.4.2 非空化水动力噪声及机械噪声抑制技术 537

10.4.3　基于小波理论的背景噪声干扰抑制技术 544

10.4.4　空化检测性能评价 548

10.4.5 基于脉冲信号成分含量的水轮机空化检测研究 549

10.5 水轮机空化检测系统的实现及其应用 553

10.5.1　水轮机空化检测系统总体设计 553

10.5.2　系统的硬件设计与实现 554

10.5.3　系统的软件设计 556

10.5.4　系统的应用情况 556

参考文献 557

附录　Po702模型转轮的综合特性曲线 560

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