CN112014472A - 一种用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法，利用超声相控阵检测***采集近表盲区缺陷在扇形扫查模式下的扩散场检测信号后，首先确定合适的接收延时时间、时域时间窗宽度T和扇形扫查的扫描线数量N；对每条扫描线下收集到的截取的信号进行相关处理；再对各扫描线下相关处理后的重建信号进行平均处理，形成虚拟的全矩阵数据；最后对重建的虚拟全矩阵数据进行全聚焦成像，确定近表盲区缺陷的位置。

Description

一种用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法。

背景技术

随着科学技术的进步，新材料、新结构在工业领域的应用不断增加，材料的腐蚀、空穴不仅缩短了材料的服务周期而且带来了潜在的安全危机。其中，结构近表面盲区缺陷常常被漏检，对结构带来了潜在的安全威胁。因此，采取有效的手段实现结构近表盲区缺陷的检测、定位，对于确保重大结构的正常运作和人们的生命财产至关重要。

超声相控阵可以实现声束的电子扫描、动态聚焦，大范围、高精度获得物体内部结构信息，在工业无损检测等领域得到广泛应用。然而，超声探头的脉冲回波响应中除了包含从发射到接收的散射信息，还包括初始激励余震(换能器内部经换能器边缘多次反射引起的超声混响)和电子恢复过程(换能器电信号和非电信号之间转变)。当使用超声阵列时，脉冲回波响应中的信息会变得更加复杂，存在相邻阵元之间电子和机械串扰饱和的问题。由此最终导致阵元正前方区域出现盲区，使得结构近表区域难以检测，出现漏检的现象。

尽管在换能器和待测工件之间加上楔块来解决早期信号模糊问题，但是要以牺牲大部分超声能量作为代价，同时，楔块的加入会导致最终成像结果出现伪像。若超声相控阵不使用楔块直接检测待测样本，近表面信息丢失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法,基于扇形扫查方式的扩散场恢复格林函数检测近表盲区缺陷，能够恢复淹没在噪声中的早期缺陷信号。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法，采用超声相控阵检测***对待检测试件的近表区域进行成像，所述超声相控阵检测***包括计算机、超声研究平台和超声相控阵换能器，其中，所述超声研究平台一端和计算机相连，另一端和超声相控阵换能器相连；所述超声相控阵换能器为包含M个阵元的线性相控阵探头，超声相控阵换能器与待检测试件通过超声耦合剂进行耦合，M为大于等于8的自然数；所述计算机用于控制超声研究平台激励超声相控阵换能器发出超声波信号，沿待检测试件传播，并通过超声相控阵换能器接收反射的超声波信号；

所述用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法包含以下步骤：

步骤1)，根据预先设定的扫描线数量阈值N和预先设定的各扫描线对应的偏转角阈值、采用扇形扫查模式采集待检测试件的扇形扫查数据S_k,l(t)，其中，k表示扇形扫查方式的第k条扫描线，k＝1,2,3…N，l表示相控阵换能器第l个阵元接收，l＝1,2,3…M；

步骤2)，计算重建的虚拟全矩阵数据；

步骤2.1)，确定接收延时t_r使得t>t_r时使得扇形扫查数据S_k,l(t)中信号随着时间的增加处于均匀状态，确定时域截取时间窗宽度T使其大于所需成像的范围，在满足计算机计算性能的条件下，T越大成像精度越高；

步骤2.2)，分别计算每一条扫描线下各阵元接收到的信号的互相关：

式中，

为第k条扫描线下第i个阵元接收的信号和第j个阵元接收的信号的互相关结果信号；

步骤2.3)对相关处理后的重建信号进行均值处理，获取重建的虚拟全矩阵数据G_i,j(t)：

式中，G_i,j(t)为重建的虚拟全矩阵中第i个阵元发射且第j个阵元接收的信号；

步骤3)，建立成像坐标系，确定超声相控阵换能器中每个阵元在坐标系中的位置以及每个成像像素点在坐标系中的位置，其中，坐标系原点在阵元序列的中心，(x_i,0)为激励阵元坐标，(x_j,0)为接收阵元坐标，(x,z)为成像点坐标；

步骤4)，对重建的虚拟全矩阵数据进行全聚焦成像。

作为本发明一种用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法进一步的优化方法，所述超声研究平台采用Verasonics Vantage64LE超声研究平台，所述超声相控阵换能器采用Imasonic超声相控阵换能器。

作为本发明一种用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法进一步的优化方法，所述阵元采用的线性阵列相控阵探头的型号为5MHz-64elts 13037 1006。

作为本发明一种用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法进一步的优化方法，M取64。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本方法利用超声相控阵检测***，采集近表盲区缺陷在扇形扫查模式下的扩散场检测信号，首先确定合适的接收延时时间、时域时间窗宽度T和扇形扫查的扫描线数量N；对每条扫描线下收集到的截取的信号进行相关处理；再对各扫描线下相关处理后的重建信号进行平均处理，形成虚拟的全矩阵数据；最后对重建的虚拟全矩阵数据进行全聚焦成像，确定近表盲区缺陷的位置。本发明能够恢复近表面盲区的缺陷信号，对恢复的虚拟全矩阵数据进行全聚焦成像，能够进行有效、准确的近表面盲区缺陷的无损检测。

附图说明

图1是超声相控阵检测***图；

图2是近表盲区缺陷检测方法步骤；

图3是待检测试件；

图4是成像坐标系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

采用的试验***如图1所示，包括计算机、超声研究平台和超声相控阵换能器，其中，所述超声研究平台一端和计算机相连，另一端和超声相控阵换能器相连；所述超声相控阵换能器包含M个阵元，每个阵元均采用线性阵列相控阵探头，超声相控阵换能器与待检测试件通过超声耦合剂进行耦合，M为大于等于8的自然数；所述计算机用于控制超声研究平台激励超声相控阵换能器发出超声波信号，沿待检测试件传播，并通过超声相控阵换能器接收反射的超声波信号。实验中超声研究平台采用Verasonics Vantage64LE超声研究平台，超声相控阵换能器采用Imasonic超声相控阵换能器，阵元采用的线性阵列相控阵探头，型号为5MHz-64elts 13037 1006，其参数如表1所示。如图3所示，被测试件材料为AL6061，尺寸为50mm×30mm×20mm，且其中存在尺寸为φ＝1mm的6个缺陷孔。缺陷孔的横向间距为3mm，纵向间距从距离铝块上表面1.5mm处按照步长0.25mm增加；激励信号中心频率为5MHz，采样频率为20MHz。

表1相控阵基本参数

如图2所示，所述用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法包含以下步骤：

步骤1)，根据预先设定的扫描线数量阈值N和预先设定的各扫描线对应的偏转角阈值、采用扇形扫查模式采集待检测试件的扇形扫查数据S_k,l(t)，其中，k表示扇形扫查方式的第k条扫描线，k＝1,2,3…N，l表示相控阵换能器第l个阵元接收，l＝1,2,3…M；

步骤2)，计算重建的虚拟全矩阵数据；

步骤2.1)，确定接收延时t_r使得t>t_r时使得扇形扫查数据S_k,l(t)中信号随着时间的增加处于均匀状态，确定时域截取时间窗宽度T使其大于所需成像的范围，在满足计算机计算性能的条件下，T越大成像精度越高；这里确定接收延时t_r＝1ms和时域截取时间窗宽度T＝0.15ms；

步骤2.2)，分别计算每一条扫描线下各阵元接收到的信号的互相关：

式中，

为第k条扫描线下第i个阵元接收的信号和第j个阵元接收的信号的互相关结果信号；

步骤2.3)对相关处理后的重建信号进行均值处理，获取重建的虚拟全矩阵数据G_i,j(t)：

式中，G_i,j(t)为重建的虚拟全矩阵中第i个阵元发射且第j个阵元接收的信号；

步骤3)，建立如图4所示的成像坐标系，定义相控阵换能器中每个阵元在坐标系中的位置以及每个成像像素点在坐标系中的位置；坐标系原点定义在阵元序列的中心，其中(x_i,0)为激励阵元坐标，(x_j,0)为接收阵元坐标，(x,z)为成像点坐标；

步骤4)，对重建的虚拟全矩阵数据进行全聚焦成像，实现对结构近表盲区缺陷的检测。

从统计学上讲，扩散声场被认为是无规则的，但扩散场中仍保留了空间的相位相关性；实际上，由于超声波在有界的试件边界多次散射，初始相干激励在传播一段时间后可以满足扩散声场的存在条件；扩散场恢复格林函数理论表明，能从一对传感器接收到的扩散场信号中恢复两点之间的格林函数；这个恢复的信号削弱了导致近表出现盲区的初始激励余震等噪声。

扩散声场在统计学上是静止的，随着时间延时的增加，声场收敛于扩散状态；但由于声波在传播过程中是耗散的，信噪比会随着延时接收时间的增加而降低；所以延时接收时间是扩散状态和信噪比的一个折中的选择。

在扩散场重建格林函数理论中，平均的声源数越多，相关的结果越收敛于真实值；对于N条扫描线的扇形扫查方法，平均的声源数相当于发射的扫描线条数，不同方向的扫描线的数量越多，重建的结果越准确；一条扫描线也可以重建格林函数，但只能恢复较差的格林函数甚至无法恢复；然而扫描线的数量越多，计算机的计算量越大，所以扫描线的数量是重建精度和计算机性能的一个折中的选择。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法，采用超声相控阵检测***对待检测试件的近表区域进行成像，所述超声相控阵检测***包括计算机、超声研究平台和超声相控阵换能器，其中，所述超声研究平台一端和计算机相连，另一端和超声相控阵换能器相连；所述超声相控阵换能器为包含M个阵元的线性相控阵探头，超声相控阵换能器与待检测试件通过超声耦合剂进行耦合，M为大于等于8的自然数；所述计算机用于控制超声研究平台激励超声相控阵换能器发出超声波信号，沿待检测试件传播，并通过超声相控阵换能器接收反射的超声波信号，其特征在于，所述用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法包含以下步骤：

步骤1)，根据预先设定的扫描线数量阈值N和预先设定的各扫描线对应的偏转角阈值、采用扇形扫查模式采集待检测试件的扇形扫查数据S_k,l(t)，其中，k表示扇形扫查方式的第k条扫描线，k＝1,2,3…N，l表示相控阵换能器第l个阵元接收，l＝1,2,3…M；

步骤2)，计算重建的虚拟全矩阵数据；

步骤2.1)，确定接收延时t_r使得t>t_r时扇形扫查数据S_k,l(t)中信号随着时间的增加处于均匀状态，确定时域截取时间窗宽度T使其大于所需成像的范围；

步骤2.2)，分别计算每一条扫描线下各阵元接收到的信号的互相关：

式中，

为第k条扫描线下第i个阵元接收的信号和第j个阵元接收的信号的互相关结果信号；

步骤2.3)对相关处理后的重建信号进行均值处理，获取重建的虚拟全矩阵数据G_i,j(t)：

式中，G_i,j(t)为重建的虚拟全矩阵中第_i个阵元发射且第_j个阵元接收的信号_；

步骤3)，建立成像坐标系，确定超声相控阵换能器中每个阵元在坐标系中的位置以及每个成像像素点在坐标系中的位置，其中，坐标系原点在阵元序列的中心，(x_i,0)为激励阵元坐标，(x_j,0)为接收阵元坐标，(x,z)为成像点坐标；

步骤4)，对重建的虚拟全矩阵数据进行全聚焦成像。

2.根据权利要求1所述的用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法，其特征在于，所述超声研究平台采用Verasonics Vantage64LE超声研究平台，所述超声相控阵换能器采用Imasonic超声相控阵换能器。

3.根据权利要求1所述的用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法，其特征在于，所述阵元采用的线性阵列相控阵探头的型号为5MHz-64elts 13037 1006。

4.根据权利要求1所述的用于结构近表盲区的超声相控阵成像方法，其特征在于，M取64。

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