CN113324916B - 一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置及方法 - Google Patents

一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置及其方法，包括激光器，所述激光器在控制器的控制下发射脉冲激光激励信号，发射的脉冲激光激励信号经过激光点源扫描平台实现脉冲激光源的扫描激励，在扫描控制器的控制下脉冲激光源每激励一次耐张线夹，超声探头就接收一次超声数据，接收到的超声信号再经过信号处理单元和信号采集单元最后由计算机保存；所述扫描控制器控制脉冲激光源的扫描步长和耐张线夹的层析成像区域；采用该技术可以实现激光超声扫描断层的快速成像。

Description

一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置及方法
技术领域
本发明涉及激光超声无损检测的技术领域，特别涉及一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置及方法。
背景技术
激光超声技术是无损检测方式的一种，通过脉冲激光照射在物体表面，由局部热膨胀机制在内部激发产生出超声波，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对声波反应的变化来实现对材料的缺陷检测。激光超声检测技术优点众多，可实现非接触检测、激发和检测光源可以移动等优点，使得激光超声技术能够在特种环境下实现对物体结构的检测。超声波对材料缺陷检测时方向灵敏度受到声波主瓣宽度的影响，而超声合成孔径成像技术可以得到高分辨率的图像，解决了激光超声检测技术的分辨率低的问题，利用更小尺度的换能器以及更低的工作频率就能得到高分辨率的成像。
通过专利检索可见目前常用的提高激光超声检测的灵敏度方法就是简单的对时域波形进行滤波处理，没有真正从原理上解决分辨率低的问题。例如“一种激光超声可视化图像分辨率提升方法”专利申请号202010207839.8和“一种金属增材制造微型缺陷的激光超声高信噪比成像方法”，专利申请号为202010738031.2，该方法仅是对采集到的时域超声信号进行信号处理，滤波得到高分辨率的图像，具体包括对数据进行降噪处理、对所有信号进行相似性计算和最大幅值时刻偏移计算等提高图像的分辨率。
耐张线夹压接质量的好坏直接关系到输电线路的安全稳定运行。然而耐张线夹的压接属于隐蔽工程，受施工人员技能水平及高空压接环境等共同影响，输电线路中耐张线夹的压接质量往往难以得到有效保障，所以对耐张线夹在线非接触式检测及其重要，现有对耐张线夹的压接质量的常用检测方法主要有外观检测、尺寸测量、力学性能抽查检测以及x射线无损检测等。外观检测和尺寸测量需要纯手工检测，效率低且不能在线，x射线检测虽然能在线，但对人有辐射，激光超声耐张线夹检测利用层析成像可以直观判断耐张线夹的压接质量。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置，包括激光器，所述激光器在控制器的控制下发射脉冲激光激励信号，发射的脉冲激光激励信号经过激光点源扫描平台实现脉冲激光源的扫描激励，在扫描控制器的控制下脉冲激光源每激励一次耐张线夹，超声探头就接收一次超声数据，接收到的超声信号再经过信号处理单元和信号采集单元最后由计算机保存；所述扫描控制器控制脉冲激光源的扫描步长和耐张线夹的层析成像区域。
进一步，所述激光器和所述激光点源扫描平台属于激励模块，用于实现对所述耐张线夹的扇形扫描。
进一步，所述超声探头、所述信号处理单元和所述信号采集单元属于检测模块，用于实现超声信号的检测。
进一步，所述控制器和所述扫描控制器属于控制模块，用于实现整个装置的激励检测同步和激光电源扫描的控制，以实现所述耐张线夹的层析成像和可视化。
进一步，所述激光点源扫描平台在实现脉冲激光源的扫描过程中，所述超声探头的位置保持不变；所述超声探头为接触式的压电超声换能器或非接触的空耦超声换能器，或激光超声振动接收单元。
进一步，在所述控制器的控制下，所述计算机实现断层面，并通过所述计算机对所有数据进行保存和显示。
进一步，一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的方法，包括所述层析成像区域， 所述层析成像区域为所述耐张线夹扫描的断层，设所述超声探头的坐标为
Figure 349354DEST_PATH_IMAGE001
，脉冲激 光源出射的激光与所述耐张线夹相交点的坐标为
Figure 945420DEST_PATH_IMAGE002
，在控制器的控制下，激光器脉冲 激光扫描激发n次；则所述耐张线夹与扫描轨迹垂直的截面内的成像区域的每个像素点
Figure 265543DEST_PATH_IMAGE003
幅值为：
Figure 55907DEST_PATH_IMAGE004
(a)
式中，
Figure 94270DEST_PATH_IMAGE005
是接收点采集到的超声波时域信号，对应时延
Figure 431710DEST_PATH_IMAGE006
为：
Figure 447419DEST_PATH_IMAGE007
（b）
式中，v为耐张线夹内超声的纵波波速；
如果像素点
Figure 376061DEST_PATH_IMAGE008
为出现压接质量后的缺陷点，则
Figure 901720DEST_PATH_IMAGE009
为超声反射回波的到达时 间；利用公式 (a)的累加，
Figure 341054DEST_PATH_IMAGE010
实现整个耐张线夹的所述层析成像区域。
进一步，还包括提高所述层析成像区域的质量：
Figure 635769DEST_PATH_IMAGE011
（c）
其中，
Figure 266471DEST_PATH_IMAGE012
表示Hilbert变换，
Figure 13847DEST_PATH_IMAGE013
为无压接质量问题的同型号耐张线夹得到的超声 波时域信号，
Figure 256872DEST_PATH_IMAGE014
为被检测耐张线夹被检测截面内任意一点的幅值信号，
Figure 671673DEST_PATH_IMAGE015
为求和符 号。
本发明的有益效果为：该方法与装置采用全聚焦合成孔径成像技术，该技术利用激光激励扫描方式和定点检测方式相结合，将各个激励点激励的激光超声与定点检测接收的超声信号合成为孔径成像的方法。其原理详细描述是依次通过激光扫描的方式依次激励被测目标体，相当于在目标体内依次发射超声波，定点接收超声信号，获得所有激励信号对应的超声信号后再逐点成像。采用该技术可以实现激光超声扫描断层的快速成像。
附图说明
图1 为本发明一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置，,包括激光器2，所述激光器2在控制器1的控制下发射脉冲激光激励信号，发射的脉冲激光激励信号经过激光点源扫描平台3实现脉冲激光源的扫描激励，在扫描控制器4的控制下脉冲激光源每激励一次耐张线夹，超声探头6就接收一次超声数据，接收到的超声信号再经过信号处理单元7和信号采集单元8最后由计算机9保存；所述扫描控制器4控制脉冲激光源的扫描步长和耐张线夹5的层析成像区域。
所述激光器2和所述激光点源扫描平台3属于激励模块，用于实现对所述耐张线夹5的扇形扫描。
所述超声探头6、所述信号处理单元7和所述信号采集单元8属于检测模块，用于实现超声信号的检测。
所述控制器1和所述扫描控制器4属于控制模块，用于实现整个装置的激励检测同步和激光电源扫描的控制，以实现所述耐张线夹5的层析成像和可视化。
所述激光点源扫描平台3在实现脉冲激光源的扫描过程中，所述超声探头6的位置保持不变；所述超声探头6为接触式的压电超声换能器或非接触的空耦超声换能器，或激光超声振动接收单元。
在所述控制器1的控制下，所述计算机9实现断层面，并通过所述计算机9对所有数据进行保存和显示。
一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的方法，包括所述层析成像区域，所述层 析成像区域为所述耐张线夹5扫描的断层，设所述超声探头6的坐标为
Figure 410958DEST_PATH_IMAGE016
，脉冲激光源 出射的激光与所述耐张线夹5相交点的坐标为
Figure 209412DEST_PATH_IMAGE017
，在控制器的控制下，激光器脉冲激光 扫描激发n次；则所述耐张线夹5与扫描轨迹垂直的截面内的成像区域的每个像素点
Figure 426767DEST_PATH_IMAGE003
幅值为：
Figure 758391DEST_PATH_IMAGE018
(a)
式中，
Figure 170043DEST_PATH_IMAGE005
是接收点采集到的超声波时域信号，对应时延
Figure 157591DEST_PATH_IMAGE006
为：
Figure 240953DEST_PATH_IMAGE019
(b)
式中，v为耐张线夹内超声的纵波波速；
如果像素点
Figure 397391DEST_PATH_IMAGE008
为出现压接质量后的缺陷点，则
Figure 478479DEST_PATH_IMAGE009
为超声反射回波的到达时 间；利用公式 (a)的累加，
Figure 750060DEST_PATH_IMAGE010
实现整个耐张线夹的所述层析成像区域。
同时考虑到耐张线夹多数为金属材料比如铝金属，其传播速度快，而且耐张线夹尺寸小，导致接收信号容易受直达波、声表面波等的影响，提出采用无压接质量问题的同型号耐张线夹采集的信号作为参考信号，通过测量信号与参考信号差分方法可以进一步提高层析成像的质量：
一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的方法，还包括提高所述层析成像区域的质量：
Figure 840376DEST_PATH_IMAGE020
（c）
其中，
Figure 320161DEST_PATH_IMAGE012
表示Hilbert变换，
Figure 368889DEST_PATH_IMAGE013
为无压接质量问题的同型号耐张线夹得到的超声 波时域信号，
Figure 331029DEST_PATH_IMAGE014
为被检测耐张线夹被检测截面内任意一点的幅值信号，
Figure 195342DEST_PATH_IMAGE015
为求和符 号。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置，其特征在于：包括激光器(2)，所述激光器(2)在控制器(1)的控制下发射脉冲激光激励信号，发射的脉冲激光激励信号经过激光点源扫描平台(3)实现脉冲激光源的扫描激励，在扫描控制器(4)的控制下脉冲激光源每激励一次耐张线夹，超声探头(6)就接收一次超声数据，接收到的超声信号再经过信号处理单元(7)和信号采集单元(8)最后由计算机(9)保存；所述扫描控制器(4)控制脉冲激光源的扫描步长和耐张线夹(5)的层析成像区域；
包括所述层析成像区域，所述层析成像区域为所述耐张线夹(5)扫描的断层，设所述超声探头(6)的坐标为(x0，z0)，脉冲激光源出射的激光与所述耐张线夹(5)相交点的坐标为(xi，zi)，在控制器的控制下，激光器脉冲激光扫描激发n次；则所述耐张线夹(5)与扫描轨迹垂直的截面内的成像区域的每个像素点(x,z)幅值为：
Figure FDA0003633644910000011
式中，si是接收点采集到的超声波时域信号，对应时延t(x，z)为：
Figure FDA0003633644910000012
式中，v为耐张线夹内超声的纵波波速；
如果像素点(x，z)为出现压接质量后的缺陷点，则t(x，z)为超声反射回波的到达时间；利用公式(1)的累加，(x，z)实现整个耐张线夹的所述层析成像区域；
还包括提高所述层析成像区域的质量：
Figure FDA0003633644910000021
其中，H{·}表示Hilbert变换，s0i为无压接质量问题的同型号耐张线夹得到的超声波时域信号，Ih(x，z)为被检测耐张线夹被检测截面内任意一点的幅值信号，
Figure FDA0003633644910000022
为求和符号。
2.根据权利要求1所述的一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置，其特征在于：所述激光器(2)和所述激光点源扫描平台(3)属于激励模块，用于实现对所述耐张线夹(5)的扇形扫描。
3.根据权利要求2所述的一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置，其特征在于：所述超声探头(6)、所述信号处理单元(7)和所述信号采集单元(8)属于检测模块，用于实现超声信号的检测。
4.根据权利要求3所述的一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置，其特征在于：所述控制器(1)和所述扫描控制器(4)属于控制模块，用于实现整个装置的激励检测同步和激光电源扫描的控制，以实现所述耐张线夹(5)的层析成像和可视化。
5.根据权利要求4所述的一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置，其特征在于：所述激光点源扫描平台(3)在实现脉冲激光源的扫描过程中，所述超声探头(6)的位置保持不变；所述超声探头(6)为接触式的压电超声换能器或非接触的空耦超声换能器，或激光超声振动接收单元。
6.根据权利要求5所述的一种用于耐张线夹的激光超声层析成像的装置，其特征在于：在所述控制器(1)的控制下，所述计算机(9)实现断层面，并通过所述计算机(9)对所有数据进行保存和显示。
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