CN101101277B - 一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法，首先采用水浸聚焦探头对焊缝进行逐点扫描，并对每一点的超声反射回波检波信号采样，组成焊缝截面的超声扫描图像，然后通过将微扫描成像和多图像重建超分辨率图像结合起来实现图像的超分辨率重建。通过本发明可突破现有超声成像设备的分辨率限制，利用多帧关于同一场景的互有位移的降质图像重建高分辨率高质量图像，大大提高超声成像设备对焊缝中细微缺陷的识别能力。

Description

一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种超声成像无损检测方法，尤其涉及一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法。

背景技术

焊缝是焊接结构中最薄弱部位，焊接结构失效引起的事故约有70％是由焊缝失效引起的。但是目前我国自动化焊接水平较低，对焊接结构的在线质量检测手段尤其缺乏，因此，迫切需要一种能对焊缝缺陷进行自动、快速检测的无损检测方法。在焊缝缺陷检测中，超声检测是目前公认的最有效的常规无损检测方法之一。在现代无损检测技术中，超声成像技术是一种令人瞩目的新技术，是超声检测的进一步发展。到目前为止，工业超声无损检测大多还停留在了解材料与构件内是否有缺陷，或凭经验大致判断缺陷的大小与位置。超声成像成为现代定量无损检测的一种重要技术，可实现精确的缺陷定量，如缺陷的大小、位置、形状或性质(气孔、夹渣或裂纹等)。超声图像是通过超声信号与调色板之间建立起来的某种对应关系而形成的，因此数字图像处理技术构成了超声成像和超声图像处理的基础。目前，数字图像处理技术在超声领域中的应用主要是医学超声和工业中的超声无损检测两大块。医学超声图像处理技术在图像理解、基础研究、超声图像改善等多个领域取得了长足进展，而工业超声无损检测技术还没有医学应用上那么成功，在超声检测中的研究也不像射线检测中研究深入和达到实用，关于工业超声图像处理的文章和研究成果还比较少。国内浙江大学应用数字图像技术对复合材料、航空透明件、曲面型工件、棒材和锻件等工件进行缺陷检测方面的研究，在超声无损检测的实践中取得了较好的应用。

伴随着图像处理技术的发展，图像质量始终是这一技术的研究重点，而图像空间分辨率(包括横向和纵向分辨率)是图像质量评价的一项关键性指标。然而，现有的超声成像设备由于受到成像条件和成像方式的限制，难以获得高分辨率的图像。对于超声成像系统而言，横向分辨率是所有工作指标中最重要的一个，对超声图像的质量起着至关重要的作用，表现为图像细腻，微小结构显示清楚。为了提高成像的横向分辨率，一个有前景的解决方法是使用信号处理技术从多幅低分辨率观察图像来获得高分辨率图像，即低分辨率图像序列的超分辨率重建技术。该技术可用于现有成像系统不能提供满意图像分辨率的情况，如提高遥感图像、CT、核磁共振、超声波图像和各种监控图像等的分辨率。其主要优点是成本较低，并且能利用现有的低分辨率成像系统就可以使输出图像的质量得到很大程度的提高，既改善图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别。

从目前的研究现状来看，序列图像的超分辨率重建和超声成像技术互相独立，还没有将二者结合的先例；更没有将序列图像的超分辨率重建、微扫描成像和超声成像技术三者结合的先例；甚至没有精密机械扫描装置和微扫描成像结合的先例。而能够实现微扫描的装置和能够获得较高分辨率的超声成像设备一般采用复杂的加工工艺，成本很高。

本发明根据超声波波长较长(大约在0.5mm数量级)，以及工业超声图像的像元较大(约为数百至数十个微米之间)的特点，采用精密机械扫描装置实现超声微扫描成像技术，从而将多图像的超分辨率重建和超声成像结合起来，为焊缝微小缺陷的识别找到了方法。

发明内容

鉴于上述现有技术的现状和存在的问题，本发明的一个目的在于，提供一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法，该方法除具有常规的扫描超声成像功能外，还具有超分辨率成像功能，可突破现有超声成像设备的分辨率限 制，利用多帧关于同一场景的互有位移的降质图像重建高分辨率高质量图像，提高超声成像设备对焊缝中细微缺陷的识别能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法，包括：

采用水浸聚焦探头对焊缝进行逐点扫描，并对每一点的超声反射回波检波信号采样，组成焊缝截面的超声扫描图像，然后通过将微扫描成像和多图像重建超分辨率图像结合起来实现图像的超分辨率重建。且将被测工件装配于检测系统水槽中的夹具上，使焊缝被测截面与超声入射声束垂直，并调整检测系统参数，其中检测参数主要包括微扫描模式、材料声速、焊缝厚度及探头扫描范围，将探头置于焊缝上方，根据检测参数，三维精密扫描装置带动探头对被测焊缝截面自动聚焦，根据发射回波检波信号确定采样闸门位置，对被测焊缝截面进行自动扫描，并且实时成像，然后通过微扫描模式，来调整扫描器初始定位位置，将同一焊缝截面进行多次扫描，经精密扫描装置的控制，得到同一焊接缺陷和损伤场景序列或多帧图像，然后经过图像合成处理，得到高清晰、超分辨率的图像。其扫描采样间距可以根据分辨率要求进行调节，图像像素级可以选择256级或者16级，且图像显示可以采用伪彩色图像或者灰度图像两种方式。而且将多幅同一焊缝截面的不同图像合成超分辨率图像的算法，是由移植于嵌入式计算机上通用扫描成像检测软件实现的，也可以由信号处理及控制单元的FPGA(Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列)中实现，也可以将得到的多幅图像传输到计算机，由计算机实现。

通过本发明采用普通低分辨率超声成像检测设备，实现原理简单，且在步进电机的精密控制下，能实现对缺陷位置的准确定位，并能在成像软件的配合下，实现检测结果的计算机重现；由于采用基于精密定位扫描装置的微扫描技术获取多幅焊缝超声图像，不需要加工复杂，成本很高的微位移装置 就可以实现亚像元位移的超声图像序列；还通过采用超分辨率图像重建技术，得到高分辨率、高质量的焊缝超声图像，极大提高了超声成像检测设备的性能。尤其适合于一些需大规模、高质量生产的质量控制单位或制造领域的汽车、造船、集装箱等重要行业使用。

附图说明

图1为高清晰焊缝超声成像无损检测方法的工作流程图；

图2为高清晰焊缝超声成像无损检测成像系统硬件结构图；

图3为焊缝超声成像微扫描结构图；

图4为焊缝超声成像微扫描的四种工作模式；

图5为2×2微扫描工作模式时低分辨率图像序列与原图像的关系；

图6为超声成像的超分辨率重建框图；

图7为三维精密扫描装置结构图；

图8为焊缝超声成像机械扫描器结构原理图；

图9为通用扫描成像检测软件总体结构图。

具体实施例

以下，将结合图式部分对本发明之较佳实施方式作详细说明

图1所示为一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法的工作流程图，下面结合附图分三个部分加以说明，分别为：焊缝超声成像检测部分、微扫描和超分辨率重建部分以及扫描装置和成像软件部分。

1.焊缝超声成像检测部分

本发明的焊缝超声成像检测系统硬件结构图2所示，由焊缝工件1通过探头2与数据采集系统6相关联，数据采集系统6通过超声发射/接收系统4和扫描装置(三维精密扫描装置)3进行连接，其中数据采集系统6与扫描控制系统5还分别与嵌入式计算机7相连接，扫描控制系统5通过步进电机控制器与三维精 密扫描装置3连接且由FPGA对超声波发射接收系统4中的波束进行发射和接收，并对数据采集系统6中的信号进行采集，及扫描控制系统5中的工件成像扫描。其中焊缝检测系统的硬件部分主要由基于嵌入式处理器(CPU)的嵌入式计算机平台和基于FPGA的信号采集和控制系统组成。CPU控制整个系统，并完成图像处理、网络通讯和图像显示；FPGA实现对超声发射接收系统的通道切换和相位调整等逻辑时序控制，数据采集系统的A/D转换，机电执行系统的扫描定位控制以及数字滤波，图像处理等大运算量的数据处理工作；CPU与FPGA之间通过共享内存方式进行通讯，当FPGA完成数字信号的滤波、变换以及图像的重建等后将数据存入SDRAM，然后CPU根据SDRAM中的数据进行图像后处理，必要的信息融合以及图像的显示等。

系统上电后，启动嵌入式微处理器，并自动运行焊缝检测程序，操作人员在主机上通过人机接口输入检测参数，其中包括发射延时、发射选通允许、发射多选一开关、发射脉宽、Buffer的大小、接收选通允许、A/D转换开始时间、接收多选一开关、接收延时等待、扫描参数、扫描模式以及微扫描模式等控制参数，然后CPU通过并口发送相应的检测参数给FPGA，由FPGA实现数据采集系统中信号的采集、超声波发射/接收系统中波束的发射和接收以及扫描控制系统中工件的成像扫描等。

多通道数据采集系统的主要功能是将多路经过调理的电压信号并行进行模数转换并传输给计算机，可实现高速采集和高速实时传输。当系统通过多路数据选择器选定多路信号中的一路或几路进行采集时，在高速状态机控制下，系统将把采集到的模拟信号经过多片A/D器件流水转换之后送入FPGA。这时通过对FPGA硬件编程可实现：将转换结果直接储存到FPGA内部由BlockRAM构建的高速缓冲RAM阵列中，然后转存至低速存储器(DDR)中，再由FPGA构成的专用数字信号处理单元进行数据处理；然后将处理完毕的数据通过并口送回到SDRAM中，CPU将SDRAM中的数据与发送和接收探头的位置和声程结合起 来进行处理，得到二维、三维图像，并传送到LCD将焊缝的形状和缺陷显示出来。

超声发射接收系统主要由超声波发射电路和接收放大电路组成，超声发射电路用于产生加在超声探头上的高压脉冲，使得传感器发射超声波，超声接收电路用于把传感器接收到的回波信号通过接收电路转换成微弱电信号，再经接收放大器放大后送给数据采集系统。当FPGA收到CPU发送检测参数时，FPGA根据检测的要求发送信号控制超声探头对待探测物体发送超声束，超声探头接收反射到的模拟信号经滤波放大后通过A/D转换器转换成数字信号，然后FPGA将数据进行预处理然后送到SDRAM中。

扫描控制系统的具体实施过程详见第二部分。

2.微扫描和超分辨率重建部分

通过微扫描技术来成像可以看作是一个过采样过程，它是对同一场景进行多次采样成像的。具体地说，微扫描成像就是把焦平面器件对场景每次采样得到的图像存储下来，然后将得到的一系列图像像素按照图像获取的方式和顺序进行交叉，通过进一步处理得到最终的图像。在整个采样和成像过程中，场景和视场是不移动的，改变的只是焦平面器件的相对位置，而且器件位移的尺寸和采样的次序(路线)与成像模式是一一对应的。通过用超分辨率技术增加空间分辨率的基本前提是从相同场景捕获多幅发生子像素级精度位移的低分辨率图像。其获取依据微扫描模式决定，微扫描模式决定了探测器平面上的图像位移周期和微扫描路线。如图4所示，现有的微扫描技术主要包括1×1，2×2，3×3，4×4等四种工作模式，且各种工作模式又有不同的扫描顺序，在各种工作模式中，每一次的位移必须是相同的步长。

根据图3所示焊缝超声成像检测系统硬件结构包含嵌入式计算机平台与基于FPGA的信号处理及控制单元，且控制逻辑电路及FPGA通过并口与SDRAM及嵌入式处理器相连以实现微扫描成像并获得多幅低分辨率超声图像的。如图5所 示，以2×2微扫描工作模式为例说明具体的获取过程，对原图像在横向和纵向各移动一次，每次错开半像素的位移，从而获取四幅低分辨率图像。对于1×1，3×3和4×4模式，方法类似，这里不再赘述。在获得多幅低分辨率超声图像后，运用超分辨率图像重建算法就可实现高清晰焊缝超声成像功能。基于微扫描的超分辨率超声图像重建过程如图6所示。当机电执行系统(包括扫描控制系统和扫描装置两部分)接到运行指令(包括扫描参数，微扫描模式等)以后，首先启动超声系统向工件发出超声波，并与扫描装置配合进行扫描，并通过超声发射采集系统进行信号采集来形成低分辨率图像；经过运动估算来实现高分辨率网格上插值然后对图像降噪后，来显示最终图像。由于本发明采用多通道数据采集系统，所以探头可以选择单探头、线阵探头以及相控阵探头，系统设计时区别仅在于软件，硬件电路是不变的。如采用单探头或阵列探头扫描，扫描装置带动探头直接进行一维机械运动实现二维扫描，进行二维运动实现三维扫描；如采用相控阵，运用一维相控阵探头加一维机械运动获得二维扫描，运用二维相控阵扫描探头进行扫描可以实现探头前部锥形空间的探头三维无运动扫描。扫描探测无论用普通探头还是相控阵探头都是探测逐步扫描覆盖完整空间，获取待探测空间的完整数据后送入计算机。同时送入计算机的还有由细分读数卡送入计算机的光栅尺上探测数据的定位信息，以便判断缺陷位置。

3.扫描装置和成像软件部分

扫描装置：根据焊缝超声检测的要求设计专用精密扫描装置。该扫描装置是由FPGA控制和步进电机驱动的高精度三维精密扫描装置。为了实现微扫描成像，并在此基础上进一步实现超分辨率重建，在实际应用中，微位移量要比探测器每个像元本身的尺寸低一个数量级以上，并且位移误差至少要比微位移量低一个数量级以上，所以对扫描装置的分辨率和重复定位精度有一个严格的要求。对于超声成像，超声波的波长较长，约为0.5mm数量级，在通 常成像情况下，其像元大小约为数百到数十个微米之间，以0.5mm为例，当扫描装置的分辨率小于0.05mm，重复定位精度小于0.005mm，即可基本满足要求。而目前扫描装置的指标比前述指标还要低一个数量级以上，因此，对于超声图像而言，采用精密扫描装置是完全可行的。其扫描采样间距可以根据分辨率要求进行调节，图像像素级可以选择256级或者16级，且图像显示可以采用伪彩色图像或者灰度图像两种方式。

本发明采用的三维精密扫描装置如图7所示，它由X轴、Y轴、Z轴三维运动模块组成，X轴和Y轴带动探头水平运动，实现扫描功能，Z轴带动探头垂直运动，完成自动聚焦功能。每一维运动模块都由两个导轨、丝杠、活动块及步进电机组成，如图8所示为机械扫描器结构原理图，Y轴安装在Z轴的活动块上，X轴安装在Y轴的活动快上，X轴的活动块上固定有探头，保证探头沿着导轨方向移动。步进电机的中心轴和丝杆相连接，活动块中间有丝杆孔，两端有导轨孔，分别套在丝杆及两个导轨上。夹具的作用是保证工件与超声入射声束垂直，水槽中的水起到耦合剂的作用。

成像软件：对于扫描成像系统，尽管不同成像设备的扫描定位方法、信号检测原理和A/D转换形式可能会不同，但是其成像的实现方法，即成像软件可以是相同的，称为通用扫描成像检测软件，如图9所示为扫描成像检测软件总体结构，其中该通用扫描成像检测软件由初始化模块、参数设置模块、数据采集模块、信号和图像处理模块、运动控制模块、数据库管理模块以及缺陷分析和判定模块等组成。本发明在通用扫描成像检测软件的基础上，增加针对焊缝超声检测的专用功能，如超声成像、焊缝跟踪、焊缝扫描全覆盖、超分辨率等功能。该软件是集超声系统扫描控制、数据采集、分析、成像、感兴趣区域(ROI)的高清晰显示等功能的交互式窗口软件，其中超分辨率图像重建集成在成像软件的功能模块中。该软件提供实时A、B、C扫描图像及FFT频谱，在所记录的A-扫描波形上随意设置和改变闸门并生成相应新的C-扫 描图像，实现超声结果的断层C-扫描分析。该软件不仅适用于超声扫描成像，也同样适用于涡流扫描成像等，为将来的软件升级提供空间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法，其特征在于，采用水浸聚焦探头对焊缝进行逐点扫描，并对每一点的超声反射回波检波信号采样，组成焊缝截面的超声扫描图像，然后通过将微扫描成像和多图像重建超分辨率图像结合起来实现图像的超分辨率重建；

微扫描成像和多图像重建超分辨率图像的结合方法为：据发射回波检波信号确定采样闸门位置，对被测焊缝截面进行自动扫描，并且实时成像，然后通过微扫描模式，来调整扫描器初始定位位置，将同一焊缝截面进行多次扫描，经精密扫描装置的控制，得到同一焊接缺陷和损伤场景序列或多帧图像，然后经过图像合成处理，得到高清晰、超分辨率的图像。

2.根据权利要求1所述的一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法，其特征在于：将被测工件装配于检测系统水槽中的夹具上，使焊缝被测截面与超声入射声束垂直，并调整检测系统参数，其中检测参数主要包括微扫描模式、材料声速、焊缝厚度及探头扫描范围，且将该探头置于焊缝上方，根据检测参数，三维精密扫描装置带动探头对被测焊缝截面自动聚焦。

3.根据权利要求2所述的一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法，其特征在于：扫描采样间距可以根据分辨率要求进行调节，图像像素级可以选择256级或者16级，且图像显示可以采用伪彩色图像或者灰度图像两种方式。

4.根据权利要求1所述的一种高清晰焊缝超声成像无损检测方法，其特征在于：还包括：

将多幅同一焊缝截面的不同图像合成超分辨率图像的算法，是由移植于嵌入式计算机上通用扫描成像检测软件实现的，也可以由信号处理及控制单元的FPGA中实现，也可以将得到的多幅图像传输到计算机，由计算机实现。

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