本發(fā)明涉及一種基于多模式聲束合成孔徑聚焦的缺陷二維形貌成像檢測方法，其屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

缺陷的定性、定量、定位和定取向是無損檢測始終關(guān)注的研究工作。超聲檢測技術(shù)以其檢測靈敏度高、檢測結(jié)果顯示直觀等優(yōu)點而被廣泛用于缺陷檢測。然而，常規(guī)超聲是利用A掃信號中的回波幅值與相位特征進(jìn)行缺陷檢測，難以確定缺陷性質(zhì)；常規(guī)相控陣超聲技術(shù)可以實現(xiàn)缺陷的成像檢測，但呈現(xiàn)的僅是缺陷形貌的部分特征，可能引起缺陷性質(zhì)誤判、定量與定位結(jié)果存在偏差，導(dǎo)致缺陷危害程度估計不足。

為解決上述問題，國內(nèi)外學(xué)者采用超聲信號及圖像處理技術(shù)改善成像質(zhì)量，力求更直觀、全面地呈現(xiàn)缺陷特征信息。如合成孔徑聚焦技術(shù)(Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT)是利用相控陣超聲探頭孔徑依次發(fā)射并接收獲得全陣列信號，具有檢測范圍大、分辨力高、檢測信噪比高等優(yōu)點，但仍不能完整表征缺陷二維形貌；采用逆時偏移成像可以獲得缺陷形貌及近似幾何尺寸信息，但處理運算量大，計算效率較低，不利于大尺寸構(gòu)件的缺陷成像檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于多模式聲束合成孔徑聚焦的缺陷二維形貌成像檢測方法，其目的是針對缺陷二維形貌完整表征困難，缺陷定性識別和定量結(jié)果存在誤差的問題，利用相控陣電子掃查功能并配合傾斜楔塊采集包含缺陷表面反射波等多模式轉(zhuǎn)換信息的A掃信號，依據(jù)費馬定理和SAFT成像原理對A掃信號進(jìn)行時間延遲和幅值疊加處理，進(jìn)而獲得能夠完整表征缺陷二維形貌的SAFT圖像。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：基于多模式聲束合成孔徑聚焦的缺陷二維形貌成像檢測方法，采用由相控陣超聲檢測儀、相控陣超聲探頭和傾斜楔塊構(gòu)成的檢測系統(tǒng)，利用相控陣電子掃查模塊對被檢試塊實施A掃信號采集。依據(jù)各孔徑激勵聲束在楔塊與試塊界面、試塊底部和缺陷表面發(fā)生模式轉(zhuǎn)換類型的不同，選擇合適的多模式聲束?；赟AFT成像原理和費馬定理，計算多模式聲束在楔塊與試塊界面處的折射點位置，對A掃信號進(jìn)行時間延遲計算和幅值疊加處理，獲得重建后的SAFT圖像，從而完整表征缺陷二維形貌特征，所述方法采用下列步驟：

(a)相控陣超聲檢測參數(shù)選定

根據(jù)被檢試塊的材料、形狀和尺寸信息選取合適的相控陣超聲檢測參數(shù)，主要包括相控陣超聲探頭頻率、探頭孔徑和孔徑間距等；

(b)A掃信號采集

基于選定的相控陣超聲檢測參數(shù)，利用相控陣電子掃查功能采集各孔徑的A掃信號，并以txt格式保存下來；

(c)坐標(biāo)系建立及圖像重建區(qū)域網(wǎng)格劃分

以楔塊尖端位置為坐標(biāo)原點，楔塊和被檢試塊界面為x軸，深度方向為y軸，楔塊前沿方向為x軸正向，試塊深度方向為y軸正向建立坐標(biāo)系，將被檢區(qū)域劃分成m×n個矩形網(wǎng)格，其網(wǎng)格節(jié)點即為各圖像重建點；

(d)折射點位置求解

相控陣超聲探頭各孔徑的激勵聲束將在楔塊與試塊界面、試塊底部和缺陷表面發(fā)生反射/折射，以第i個孔徑為例，其聲束傳播路徑包括五部分：聲程S_1i為相控陣超聲探頭孔徑到楔塊和試塊界面第一折射點的距離(對應(yīng)聲速為c₁)；聲程S_2i為界面第一折射點與試塊底面反射點的距離(對應(yīng)聲速為c₂)；聲程S_3i為底面反射點與圖像重建點的距離(對應(yīng)聲速c₃)；聲程S_4i為圖像重建點與試塊和楔塊第二折射點的距離(對應(yīng)聲速為c₄)；聲程S_5i為第二折射點到接收孔徑的距離(對應(yīng)聲速c₅)；對于被檢試塊中的傳播聲程S_2i、S_3i和S_4i，對應(yīng)的聲束模式可以是橫波或縱波，因而共有8種聲束傳播模式，統(tǒng)稱為多模式聲束，實際檢測中依據(jù)檢測空間范圍選擇合適的多模式聲束；

因此，總的聲程及聲時分別為：

S(x_0i)＝S_1i+S_2i+S_3i+S_4i+S_5i (1)

其中x_0i為第一折射點橫坐標(biāo)；

最短聲時滿足費馬定理，則折射點x_0i滿足：

(e)SAFT圖像重建與缺陷二維形貌獲取

讀取保存的各孔徑A掃信號，依據(jù)折射點坐標(biāo)計算每組激發(fā)孔徑與圖像重建點之間的相對時間延遲Δt_i；基于SAFT成像原理，逐點對A掃信號施加延遲并進(jìn)行幅值疊加處理，得到各圖像重建點的合成信號為：

式中，I(m,n)為成像區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格點(m,n)的疊加幅值，f_i為第i個探頭孔徑獲得的A掃信號，N為孔徑數(shù)；

對合成信號進(jìn)行幅值歸一化處理和SAFT圖像重建，即可從圖像中獲取缺陷二維形貌特征；

(f)缺陷定性識別和定量檢測

直接依據(jù)缺陷在圖像中的二維形貌特征，可定性判斷是面積型或體積型缺陷；對于體積型缺陷，讀取缺陷成像區(qū)域的峰值坐標(biāo)點，其縱坐標(biāo)即為缺陷中心深度，利用-6dB法即可給出缺陷尺寸；對于面積型缺陷，讀取缺陷成像區(qū)域峰值下降6dB的上、下坐標(biāo)點，兩坐標(biāo)點之間的歐式距離即為缺陷長度，縱坐標(biāo)即為缺陷兩端點深度；依據(jù)圖像重建點第k行幅值最高點坐標(biāo)(x_k,y_k)，由式(5)可得面積型缺陷的取向角θ：

式中，M為圖像重建點行數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是：這種基于多模式聲束合成孔徑聚焦的缺陷二維形貌成像檢測方法利用多模式聲束的傳播特性，獲取缺陷表面反射回波信息，實現(xiàn)缺陷二維形貌完整表征，為體積型和面積型缺陷的定性識別，缺陷長度、深度和取向的精確定量提供了有效解決方法。同時，該方法涉及的算法可嵌入到探傷儀中，實現(xiàn)自動實時成像，具有較高的工程應(yīng)用和推廣價值。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明采用的超聲檢測系統(tǒng)示意圖。

圖2是試塊及缺陷示意圖。

圖3是多模式聲束采集時建立的坐標(biāo)系和聲束傳播路徑示意圖。

圖4是試塊中間距5mm的Φ1mm橫孔的常規(guī)SAFT重建圖像。

圖5是試塊中長度5mm裂紋的常規(guī)SAFT重建圖像。

圖6是試塊中長度5mm裂紋的多模式聲束SAFT重建圖像。

具體實施方式

基于多模式聲束合成孔徑聚焦的缺陷二維形貌成像檢測方法，采用的超聲檢測系統(tǒng)如圖1所示，其中包括相控陣超聲檢測儀、相控陣超聲探頭、傾斜的有機玻璃楔塊。具體檢測及處理步驟如下：

(a)被檢試塊為厚度40mm的碳鋼試塊，試塊尺寸為200mm×200mm×40mm，試塊中加工了中心深度30mm的長度5mm裂紋和深度分別為27.5mm、32.5mm的Φ1mm橫孔，如圖2所示。

(b)利用M2M相控陣超聲檢測系統(tǒng)，采用相控陣超聲探頭配合楔塊對試塊進(jìn)行檢測，其中相控陣超聲探頭陣元個數(shù)為32、中心頻率為5MHz，以2陣元作為1個激勵孔徑，孔徑尺寸為10mm×1.2mm。楔塊傾斜角26°、探頭第一激發(fā)孔徑高度8.04mm、采樣頻率100MHz、電子掃查步進(jìn)0.6mm。

(c)如圖3所示，建立直角坐標(biāo)系，并將檢測區(qū)域劃分成m×n個矩形網(wǎng)格。其中楔塊縱波聲速為2330m/s，試塊橫波聲速3230m/s，縱波聲速5700m/s。

(d)如圖4和圖5所示，為間距5mm的Φ1mm橫孔與長度5mm裂紋的常規(guī)SAFT合成圖像，可以看出這兩類缺陷成像結(jié)果十分接近，難以正確區(qū)分缺陷類型。

(e)利用相控陣電子掃查功能對試塊進(jìn)行掃查，獲得由31個包含T-T-L(橫波-橫波-縱波，對應(yīng)式(1)中的S_2i、S_3i和S_4i)聲束傳播模式的A掃信號構(gòu)成的數(shù)據(jù)集，并以數(shù)據(jù)文本形式導(dǎo)出。

(f)基于費馬定理和SAFT成像原理，對折射點坐標(biāo)進(jìn)行求解，并根據(jù)式(4)逐點對A掃信號施加時間延遲并進(jìn)行幅值疊加，得到重建的SAFT圖像。圖6為長度5mm裂紋的多模式聲束SAFT圖像，由圖可見，缺陷成像質(zhì)量好，檢測分辨力較高，且整體形貌得到完整表征，可以明確該缺陷為面積型缺陷。統(tǒng)計計算可得，缺陷的長度定量結(jié)果為6.2mm，中心深度定位為29.6mm，表明該方法定量和定位誤差相對較小；對SAFT圖像中缺陷附近每行像素點最強幅值位置進(jìn)行線性擬合，由式(5)得到缺陷取向為2.3°，表明最難檢出的垂直取向缺陷定取向準(zhǔn)確。