一种基于超声平面波成像和时间反转算子相结合的高分辨缺陷无损检测方法
阅读说明：本技术 一种基于超声平面波成像和时间反转算子相结合的高分辨缺陷无损检测方法 (High-resolution defect nondestructive testing method based on combination of ultrasonic plane wave imaging and time reversal operator ) 是由 赵勃 韩梁 单奕萌 李佳鑫 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明是一种基于超声平面波成像和时间反转算子相结合的高分辨缺陷无损检测方法。本发明通过超声线性相控阵向被测工件发射一组平面波,利用超声相控阵采集各个平面波的反射回波数据,对回波数据进行时域滤波,滤除信号中的随机噪声；通过边缘提取方法取出扫描图像中各个缺陷的边缘信息,作为被测工件内部缺陷的基本信息,基本信息包括缺陷的位置信息、形状信息和大小范围信息；利用时间反转算子的特征向量对缺陷信号进行自动聚焦,在得到的各块缺陷区域进行精确成像,对整个被测工件缺陷的进行精确定位。(The invention relates to a high-resolution defect nondestructive testing method based on the combination of ultrasonic plane wave imaging and a time reversal operator. The method comprises the steps of transmitting a group of plane waves to a workpiece to be measured through an ultrasonic linear phased array, collecting reflection echo data of each plane wave by using the ultrasonic phased array, carrying out time domain filtering on the echo data, and filtering random noise in signals; extracting edge information of each defect in the scanned image by using an edge extraction method to serve as basic information of the internal defect of the detected workpiece, wherein the basic information comprises position information, shape information and size range information of the defect; and automatically focusing the defect signals by using the characteristic vectors of the time reversal operators, accurately imaging each obtained defect region, and accurately positioning the defects of the whole detected workpiece.)
技术领域
本发明涉及缺陷无损检测技术领域，是一种基于超声平面波成像和时间反转算子相结合的高分辨缺陷无损检测方法。
背景技术
在不损伤物质材料性能的基础上，对复杂几何形状的材料进行微小缺陷的检测与成像是一个非常困难的问题。尤其对于金属材料的无损检测更是极为重要的质量控制技术手段，以GH4169合金为例，其广泛应用于航空发动机涡轮盘、压气机鼓筒、机匣等关键部件中，对于这些关键部件即使存在微小缺陷和疲劳损伤都可能导致灾难性的后果，因此对其进行高精度的无损检测至关重要。超声波检测因其具有成本低、检测快速、对物质材料性能无损等优点是所有无损检测方法中应用最广泛的检测方法之一，特别是在航空、船舶、核工业等工业领域中，更是不可缺少的检测手段。随着工业检测中对检测可靠性要求的不断提高，对超声波检测也要求其检测速度更快、检测精度更高、对缺陷的描述更准确，因此如何在无损检测方面提高超声的上述性能的技术越来越受到重视，并且成为研究热点。
通用电气公司提出一种方案(Methods of non-destructive testing andultrasonic inspection of composite materials。美国专利公开号：US20170199160A1)，首先定位超声换能器相对于被测件的位置，然后从至少一次B扫中收集被测件的B扫数据，再从至少一次C扫中收集被测件的C扫数据，接下来根据预先确定的被测件的几何形状去除数据的随机噪声和相干噪声，得到滤波后的数据，最终生成V扫描图像，从而确定被测件的多个损伤指数。该方法存在的问题在于：需要预先确定被测件的几何形状，而且需要对被测件进行B扫和C扫，无法满足快速检测。
大连理工大学提出一种基于合成孔径聚焦与模式转换波的超声TOFD盲区抑制方法(基于合成孔径聚焦与模式转换波的超声TOFD盲区抑制方法。公开号：CN110243945A)。该方法采用由超声探伤仪、TOFD探头、倾斜有机玻璃楔块和扫查装置组成的TOFD检测系统，沿待测工件表面实施扫查与图像采集，获得不同扫查位置处的A扫描信号集合。根据费马定理求解各位置处的模式转换波最短传播声时，并对所有A扫描信号进行时间延迟和幅值叠加处理，通过逐点聚焦实现TOFD扫查图像重建，削弱横向冗余信号，改善成像质量。该方法能够在抑制TOFD盲区的同时，提高缺陷定量精度。该方法存在的问题在于：缺陷定位精度与A扫描的扫查精度有关，而且需要步进扫描和逐点聚焦来完成图像重建，扫描时间较长，无法满足快速扫描的要求。
发明内容
本发明解决被测工件缺陷无损检测速度慢、检测精度低的问题，从而提高工业生产中的质量控制技术，本发明提供了一种基于超声平面波成像和时间反转算子相结合的高分辨缺陷无损检测方法，本发明提供了以下技术方案：
一种基于超声平面波成像和时间反转算子相结合的高分辨缺陷无损检测方法，包括以下步骤：
步骤1：通过超声线性相控阵向被测工件发射一组平面波，利用超声相控阵采集各个平面波的反射回波数据，对回波数据进行时域滤波，滤除信号中的随机噪声；
步骤2：通过边缘提取方法取出扫描图像中各个缺陷的边缘信息，作为被测工件内部缺陷的基本信息，基本信息包括缺陷的位置信息、形状信息和大小范围信息；
步骤3：利用时间反转算子的特征向量对缺陷信号进行自动聚焦，在得到的各块缺陷区域进行精确成像，对整个被测工件缺陷的进行精确定位。
优选地，所述步骤1具体为：
步骤1.1：通过超声线性相控阵向被测工件发射一组平面波，其中各个平面波的偏转角度αi满足：
其中λ为超声波的波长，p为超声相控阵相邻阵元的距离；
步骤1.2：然利用超声相控阵采集各个平面波的反射回波数据，对回波数据进行时域滤波，滤除信号中的随机噪声；设置扫描平面，计算扫描像素点与相控阵各阵元的距离，利用超声在被测工件中的传播声速计算各像素点信号返回到各阵元的时间t1满足：
其中，(x(j,k),y(j,k),z(j,k))为扫描平面内像素点的位置坐标，(xn,yn,zn)为第n个阵元的位置坐标，c为超声波的声速；
步骤1.3：计算各个发射平面波到各个像素点的时间t2：
t2＝(x sin(αi)+z cos(αi))/c (3)
得到超声波在被测工件中传播的总时间，接收波形中任意相邻两点之间的信号满足线性关系，则根据线性插值原理有:
利用各个阵元接收到的平面波回波数据得到扫描平面内各像素点的信号强度，实现对扫描平面进行逐次成像，计算各个平面波的成像结果的相干性，进行像素信号相干叠加：
其中，sij,m和sij,n分别为利用第m次发射的平面波和利用第n此发射的平面波进行成像得到的第i行和第j列像素的强度值。
优选地，所述步骤3具体为：
利用时间反转算子的特征向量对缺陷信号进行自动聚焦，根绝得到的各块缺陷区域进行精确成像，对整个超声检测系统而言，输入信号为Ne个阵元的激励信号，输出信号为Ne个阵元的接收回波信号，将超声检测系统作为MIMO系统，系统的输入输出关系满足：
r(t)＝K(t)e(t) (6)
其中，e(t)为Ne个阵元的发射信号，r(t)为Ne个阵元的接收信号；
令T(w)＝K*(w)K(w)为时间反转算子，通过特征分解，得到其对应的特征值和特征向量，对各个缺陷位置进行逐次聚焦，则要利用时间反转算子的对应各个缺陷的各个特征向量，利用其幅值和相位信息对阵元的发射信号进行处理，从而实现对被测工件中的缺陷位置的精准聚焦。
优选地，特征向量算子计算方法如下：利用在平面波成像过程中由发射角度αi＝0的平面波得到的回波信号作为r(t)，对其进行傅里叶变换得到R(w),各阵元的发射信号已知为e(t)，进行傅里叶变换为E(w),利用半张量矩阵的原理计算得到系统的传递矩阵，根据发射信号的中心频率选择对应频率的传递矩阵，再通过传递矩阵计算系统的时间反转算；
利用特征分解得到时间反转算子的特征值和特征向量，对缺陷位置进行逐次聚焦成像，从而实现被测工件缺陷的精确定位。
本发明具有以下有益效果：
本发明首先利用超声相控阵发射多角度平面波的方法对被测工件内部进行粗成像，粗略确定被测工件内部的结构特征，由于平面波成像的快速性，所以此方法实现了超快缺陷粗定位，然后利用数字图像处理技术进行边缘提取，初步确定了缺陷的位置信息和大小范围信息，从而大大减小了后续的精扫范围，进一步提高检测速度，最后利用时间反转算子的特征向量对被测工件中的缺陷位置进行高精度聚焦，此方法的优势在于即使对非均匀介质也可以实现完美聚焦，不仅可以提高检测信号的信噪比，而且可以通过精确聚焦提高缺陷的成像精度。最终实现对被测工件的缺陷更快速、更高精度、描述更准确的检测。
附图说明
图1为基于卷积神经网络的高效高分辨力缺陷无损检测方法流程图；
图2为超声相控阵示意图；
图3为超声平面波示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图3所示，本发明提供一种基于超声平面波成像和时间反转算子相结合的高分辨缺陷无损检测方法，具体步骤如下：
步骤1，通过超声线性相控阵向被测工件发射一组平面波，其中各个平面波的偏转角度αi满足：
其中λ为超声波的波长，p为超声相控阵相邻阵元的距离。
然后利用超声相控阵采集各个平面波的反射回波数据，对回波数据进行时域滤波，滤除信号中的随机噪声。设置扫描平面，计算扫描像素点与相控阵各阵元的距离，利用超声在被测工件中的传播声速计算各像素点信号返回到各阵元的时间t1满足：
其中(x(j,k),y(j,k),z(j,k))为扫描平面内像素点的位置坐标，(xn,yn,zn)为第n个阵元的位置坐标，c为超声波的声速。
然后再计算各个发射平面波到各个像素点的时间t2：
t2＝(x sin(αi)+z cos(αi))/c (3)
从而得到超声波在被测工件中传播的总时间，假设接收波形中任意相邻两点之间的信号满足线性关系，则根据线性插值原理有:
利用各个阵元接收到的平面波回波数据得到扫描平面内各像素点的信号强度，实现对扫描平面进行逐次成像，因为是利用平面波成像对被测工件位置和范围进行粗扫，所以扫描平面的像素精度设置较低，减少成像时间。接下来计算各个平面波的成像结果的相干性，进行像素信号相干叠加：
其中sij,m和sij,n分别为利用第m次发射的平面波和利用第n此发射的平面波进行成像得到的第i行和第j列像素的强度值。
步骤2：因为被测工件缺陷处回波信号增强，则在扫描成像图中有缺陷位置会呈现亮斑，所以利用数字图像处理技术中的边缘提取方法可以提取出扫描图像中各个缺陷的边缘信息，作为被测工件内部缺陷的基本信息，此基本信息包括缺陷的位置信息、形状信息和大小范围信息。
步骤3：利用时间反转算子的特征向量对缺陷信号进行自动聚焦，在前述过程中得到的各块缺陷区域进行精确成像，从而实现对整个被测工件缺陷的精确定位。时间反转算子的基本原理如下：对整个超声检测系统而言，它的输入信号为Ne个阵元的激励信号，它的输出信号为Ne个阵元的接收回波信号，因此可以将超声检测系统作为MIMO系统(多输入多输出系统)。系统的输入输出关系满足：
r(t)＝K(t)e(t) (6)
其中e(t)为Ne个阵元的发射信号，r(t)为Ne个阵元的接收信号。
令T(w)＝K*(w)K(w)为时间反转算子，通过特征分解，可以得到其对应的特征值和特征向量，若想要实现对各个缺陷位置进行逐次聚焦，则要利用时间反转算子的对应各个缺陷的各个特征向量，利用其幅值和相位信息对阵元的发射信号进行处理，从而实现对被测工件中的缺陷位置的精准聚焦。特征向量算子计算方法如下：利用在平面波成像过程中由发射角度αi＝0的平面波得到的回波信号作为r(t)，对其进行傅里叶变换得到R(w),各阵元的发射信号已知为e(t)，对其进行傅里叶变换为E(w),利用半张量矩阵的原理计算得到系统的传递矩阵，然后根据发射信号的中心频率选择对应频率的传递矩阵，再通过传递矩阵计算系统的时间反转算子。利用特征分解得到时间反转算子的特征值和特征向量，然后对缺陷位置进行逐次聚焦成像，从而实现被测工件缺陷的精确定位。
在常温条件下，被测对象为铝试块，其为各向同性材料，超声纵波在其内部传播的速度为6300m/s，最大检测深度是为100mm，利用64阵元，中心频率为5MHz的超声相控阵进行检测，相控阵阵元间距为0.5mm，超声纵波的波长为1.26mm，根据公式计算发射超声平面波的偏转角度，然后在超声相控阵控制系统中设置每一个阵元的激励延迟，保证相控阵可以发射具有指定偏转角度的平面波，相控阵的所有阵元同时接收脉冲回波。设定平面波成像的目标检测范围，然后利用飞行时间法与单次平面波发射得到的回波数据进行成像，得到所有偏转角度的平面波成像结果，然后将多幅成像结果进行线性叠加，得到最终的粗扫结果。接下来利用基于Canny算子的边缘提取算法，确定被测对象内部的缺陷数量，同时对缺陷位置进行粗定位，对缺陷大小进行粗预估。最终，利用平面波发射得到的回波数据估计相控阵检测系统的时间反转算子，计算时间反转算子的特征向量，然后根据特征向量的幅值信息和相位信息计算每一个激励阵元的延迟时间，实现对被测对象内部缺陷的精准聚焦，进而得到高精度的聚焦图像，对被测对象内部缺陷进行高精度的定位与尺寸表征。
本发明提出的一种基于超声平面波成像和时间反转算子相结合的高分辨缺陷无损检测方法，利用超声平面波的超快成像优势，实现对被测对象内部结构的粗扫描，然后通过边缘提取算法每一个缺陷的大致位置和尺寸，最后利用时间反转算子的特征向量对内部缺陷进行逐次的精准聚焦，得到高分辨的聚焦成像结果，从而完成对被测对象内部缺陷的高精度定位于尺寸表征。
以上所述仅是一种基于超声平面波成像和时间反转算子相结合的高分辨缺陷无损检测方法的优选实施方式，一种基于超声平面波成像和时间反转算子相结合的高分辨缺陷无损检测方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
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