CN102393422A

CN102393422A - 基于超声tofd的缺陷离线判别方法

Info

Publication number: CN102393422A
Application number: CN2011102421995A
Authority: CN
Inventors: 朱宇宏; 王燕; 陈华斌; 姚强
Original assignee: Jiangsu Supervision and Inspection Institute for Product Quality
Current assignee: Jiangsu Supervision and Inspection Institute for Product Quality
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2012-03-28

Abstract

一种超声TOFD缺陷离线判别方法，其特征是它包括以下步骤：首先，利用超声检测仪对被检测体进行扫描，获取被检测体的直通波、底面回波和A扫描信号，并合成生成B/D扫描图像；其次，采用图像处理和直通峰值搜索相结合的方法，进行直通波、底面回波精确定位，完成超声图谱的计算机标定，得出被检测体的板厚值；第三，利用峰值校准、差分算法对有混叠近表面缺陷的直通波进行拉直和消除处理；第四，利用合成孔径聚集技术，对B扫描图像进行波束锐化和图像增强处理得到焊接缺陷的准确位置。本发明可实现近表面、内部缺陷的有效识别和精确定位，可广泛应用于超声波无损检测领域。

Description

基于超声TOFD的缺陷离线判别方法

技术领域

本发明涉及一种超声波无损检测技术，尤其是一种超声检测缺陷的离线处理方法，具体地说是一种超声TOFD缺陷离线判别方法。

背景技术

众所周知，超声衍射时差检测技术（Time of Flight Diffraction ,TOFD）对于中厚板焊缝缺陷能够更精确地表征其位置、长度、自身高度和形貌等特征，因此该技术在核工业、电力、承压设备、铁路、桥梁等工程领域中具有广阔的应用前景。虽然TOFD技术早已走出实验室，但时至今日，对它的研究从未停止，在对TOFD图谱的分析包括焊接缺陷的定位、定量描述等方面仍然存在不少有待改进的问题。

首先，超声图谱中直通波标定的问题，传统的直通波标定都是离线完成的，即无法在扫描过程中实时得到某一点的位置信息，且依赖于人工操作。标定时，需要对照灰度图和A扫曲线，凭肉眼寻找到直通波的第一个波峰或波谷到达的时刻，并将标定线移动于该处，然后标定此位置为工件的高度零点，此后才能根据超声信号的时差计算不同回波时刻对应的位置。这一方法虽然简单，但需要人工搜索，不同操作者标定的结果往往不同，最终的出的检测报告难以保证缺陷定位的一致性；特别是在进行长距离扫描时，频繁标定极大地影响了检验速度，更不利于缺陷的自动化检测。

其次是直通波拉直和近表面的缺陷定位问题，一方面，实际检测过程中，由于工件表面的不平整，耦合剂的不均匀分布以及人工扫描时的不规范操作均会导致直通波弯曲。另一方面，由于缺陷位置与信号接收时间（差）并非线性关系，这导致在A扫曲线的时间轴上，越靠近直通波端，对应的工件真实位置的分布越密集，且TOFD信号的脉冲时宽通常为超声纵波波长的1.5到3倍，使得直通波信号在图谱上显示呈一定的“拖尾”现象，因此近表面的缺陷信号常常被掩盖在工件的直通波信号中而无法辨别。

另外，近年来有学者将合成孔径雷达技术引入到超声TOFD图谱分析中，但未考虑到探头中心距设置过小，导致纵波无法覆盖到两探头中心正下方的底部，而采用单一的匹配滤波技术实现对整幅B扫描图像的合成孔径处理之后，缺陷信号强度衰减较大；特别是对于原本就微弱的信号，在进行波束锐化处理后，与图谱背景的对比度会减小到难以区分程度。

发明内容

本发明的目的是针对现有的超声TOFD检测缺陷需依靠人工进行判别，造成周期长，误差大，诊断结果受人为因素影响大的问题，发明一种无需人工干预、能直接得出缺陷位置、大小的超声TOFD离线判别方法。

本发明的技术方案是：

一种基于超声TOFD的缺陷离线判别方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，利用超声检测仪对被检测体进行D扫描，获取被检测体的直通波、底面回波和A扫描信号，并合成生成D扫描图像；

其次，采用图像处理和直通峰值搜索相结合的方法，进行直通波、底面回波精确定位，完成超声图谱的计算机标定，得出被检测体的板厚值；

TOFD图谱是由射频信号灰度化而来，射频信号的峰值和谷值分别对应灰度255和0。在进行直通波定位前，以单次扫描获得的图谱作为数据源，对其进行初步分析与预处理。根据TOFD成像原理，直通波、底面回波、底面反射横波这3条近似水平线将图谱分割为：纵波衍射区域和波形转换区域。为提高处理速度，在标定过程中仅提取直通波-纵波衍射区域-底面回波这部分的数据。另外，由于固体中横波的传播速度约为纵波的一半，TOFD图谱中纵波衍射区域与波形转换区域的时间宽度近似，可以把图谱时间方向的一半区域作为TOFD图谱定位窗口；原始信号的A扫曲线，除了目标信号之外，在图谱数据的采集、量化、传输等过程中夹杂着许多离散或随机性噪声，故在直通波定位前需对信号进行平滑处理和形态学处理，然后对得到的图谱进行自适应阈值分割，并利用边缘检测算子对二值化D扫描图像进行求导，最后采用累计概率霍夫变换和基于背景灰度的峰值搜索算法对直通波、底面反射回波进行精确定位；

第三，利用峰值校准、差分算法对有混叠近表面缺陷的直通波进行拉直和消除处理；

通过计算背景图谱的灰度值，判定A扫上某点是否为极值点，并搜索其相邻点，判断其是否达到预先设定的阈值，根据判断结果确定波峰或波谷。通过上述方法完成直通波拉直后，进一步采用差分方法实现近表面缺陷直通波的消除；

第四，利用合成孔径聚集技术，对B扫描图像进行波束锐化和图像增强处理得到被检测体内缺陷的准确位置。

以合成孔径雷达理论为基础，建立的TOFD平行扫描的回波参数模型，依据B扫描图像特征，利用回波延时分析的方法，对缺陷端部的B扫描衍射信号进行了孔径合成，并在波束锐化的基础上，通过增益补偿的方法对合成孔径两侧的缺陷进行修正，去除原始B扫描图像的伪像，提高了图像分辨率，准确确定缺陷尖端在工件中的横向和深度位置。

所述的计算机标定过程为：

步骤一：根据所得到的D扫描图像，以D扫描图像时间方向一半提取直通波-纵波衍射区域-底面回波作为待处理窗口，采用高斯模糊的方法对D扫描图像进行平滑降噪处理；

步骤二：通过形态学处理将直通波与底面回波的特征加以强化，为消除膨胀处理后图像的不相关细节，根据直通波与底面回波的尺寸，在膨胀处理的基础上进行至少5次腐蚀处理，以限制缺陷信号尺寸在较小的范围；

步骤三：采用自适应阈值对经过形态学处理的图像进行分割，利用边缘检测算子对分割后的图像在时间方向求导数，增强直通波和底面回波；

步骤四：采用累计概率霍夫变换寻找直通波，先以相对精确的霍夫变换参数作搜索，若返回直线的数量超过了设定的阈值，则放弃搜索结果，同时调整参数以降低精度，重新进行搜索，循环操作直至直线数控制在30条以内，最后计算直通波和底面回波的第一条直线位置坐标；

步骤五，根据直通波-纵波衍射区域-底面回波背景灰度值，在待标定的A扫信号一定领域内进行峰值搜索，获取直通波和底面回波的精确标定坐标，最终得到被检测体的板厚值。

所述的直通波的拉直处理方法为：

步骤一：标记直通波弯曲区域外最近邻的一条A扫信号，搜索其直通波第一个波峰和波谷的位置坐标，记录其平均值作为参照；

步骤二：统计选定直通波拉直窗口内的A扫信号片段号数目N，计数器设为1；

步骤三：搜索当前计数下的A扫直通波第一个波峰与波谷位置，计算其平均值与步骤一中得到的参照值之差值d；

步骤四：将当前计数下的A扫信号片段整体移动-d像素，移动需限定在窗口区域内；

步骤五：计数器递增1，重复步骤三，当计数值达到N时停止；

步骤六：采用差分法将混叠区域内的图谱信号与其领域内正常信号相减，显示近表面缺陷信号。

所述的波峰、波谷搜索算法是在计算背景灰度值的基础上判定A扫信号上某点是否为极值点，然后继续搜索其相邻点，并判断此点是否达到设定的阈值，只有满足设定的阈值条件，该极值点才能被确定为波峰或波谷。

所述的利用合成孔径聚集技术对B扫描图像进行波束锐化和图像增强的步骤为：

步骤一：建立超声检测的平行扫描的回波参数模型，即，缺陷尖端的衍射波声程

：

（1）

式（1）中S是探头中心距（PCS）之半，d表示缺陷尖端的高度，是扫描速度；

步骤二：进一步对B扫描图像进行合成孔径处理，如式（2）所示：

（2）

式（2）中

表示图谱在坐标

处的灰度值，

表示离散化的孔径长度，

，表示探头移动的单位增量，

是该增量的计数；

步骤三：在保证步骤二合成聚焦孔径运算点限于纵波衍射区的前提下，参照合成孔径

的理论值，对位于合成孔径两侧的缺陷信号进行增益补偿，以修正由于波束衰减而产生的对比度下降，完成图像增强处理，增强处理过程为：

1) 根据图谱背景灰度值，将图像信号转化为射频信号；

2) 利用步骤二确定B扫描图像的合成孔径大小；

3) 计算合成孔径两端相对孔径中心信号的衰减程度，确定增益补偿系数；

4) 循环搜索点

的孔径合成点

；

5) 根据孔径合成点距离孔径中心的位置远近，得到相应的补偿加权值；

6) 对孔径窗口中各合成点进行求和平均。

本发明的有益效果：

本发明通过在搭建的硬件系统上完成被检测体内部缺陷的扫描，并基于采集的数据合成缺陷图谱；采用图像处理的方法，精确获得直通波、底面回波位置，完成超声TOFD图谱计算机离线标定。利用波峰、波谷搜索和差分算法，完成近表面缺陷直通波的拉直和去除；以合成孔径聚焦技术，对TOFD图谱进行增强处理，实现缺陷横向和深度方向精确定位。本方法适应于超声TOFD检测设备缺陷图谱的离线处理。

本发明可实现近表面、内部缺陷的有效识别和精确定位，可广泛应用于超声波无损检测领域。

附图说明

图1为本发明系统结构框图。

图2A为本发明具体实施例所描述的计算机标定时采用D扫描获得的D扫描图像，图2B为本发明D扫描图像心态学膨胀处理结果，图2C为根据图2B腐蚀处理结果，图2C是图2B自适应阈值分割结果，图2D是图2C边缘检测结果，图2E是直通波和底面回波的第一条直线位置坐标计算值；

图3A为本发明实施例所描述的采用D扫描获得的D扫描图像，图3B为根据图3A直通波拉直后的D扫描图像，图3C为本发明直通波去除后的D扫描图像。

图4A为本发明实施例所描述的采用B扫描获得的B扫描图像，图4B为根据图4A合成孔径聚焦增强后的B扫描图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-4所示。

一种焊接缺陷超声检测离线判别方法，它包括以下步骤：

第四，利用合成孔径聚集技术，对B扫描图像进行波束锐化和图像增强处理得到被检测体内的准确位置。

本发明的实质是利用数字信号和图像处理技术将从超声TOFD检测设备中导出的A扫描信号以及采用计算机合成的B扫描图像、D扫描图像进行超声TOFD图谱计算机标定、直通波的拉直和去除、B扫描图像的聚焦合成孔径增强，从而完成超声TOFD图像的离线处理。具体实施过程如图1。

如图2A、图2B、图2C、图2D和图2E所示，计算机标定过程为：

步骤一：根据单次扫描所得到的D扫描图像，以D扫描图像时间方向一半提取直通波-纵波衍射区域-底面回波作为待处理窗口，如图2A，采用高斯模糊的方法对D扫描图像进行平滑降噪处理。

步骤二：由于直通波以及底面回波具有一个显著特征，横贯TOFD图谱方位方向，且呈直线形，可以通过形态学处理将直通波与底面回波的特征加以强化。形态学处理的基本思想是用具有一定几何形态的结构元素去度量和提取图像中对应形状从而达到判别和分析图像特征。图2-A右侧直通波在表面开口缺陷处断裂而导致直通波不连续，设计了尺寸为36×2的矩形核，对D扫描图像作了形态学膨胀，图2B是膨胀5次后的结果。为消除膨胀处理后图像的不相关细节，根据直通波与底面回波的尺寸，在膨胀处理的基础上又进行5次腐蚀处理，限制缺陷信号尺寸在较小的范围，如图2-C所示。

步骤三：采用自适应阈值对图2-C进行分割，利用边缘检测算子对分割后的图像在时间方向求导数，增强直通波和底面回波，如图2-D所示。

步骤四：采用累计概率霍夫变换寻找直通波，根据直通波定位的需要，直通波和底面回波的搜索返回值应尽量少且直，本实施例中选择一种由多到少的搜索方式，即先以相对精确的霍夫变换参数作搜索，若返回直线的数量超过了一个阈值（阈值：30），则放弃搜索结果，同时调整参数以降低精度，重新进行搜索，循环操作直至直线数控制在30条以内，最后计算直通波和底面回波的第一条直线位置坐标，如图2-E所示。

上述图像处理的具体实现方法可通过一般的图像处理的软件的基本命令编程获得的。

步骤五：获取图2-E的粗定位后，根据直通波-纵波衍射区域-底面回波背景灰度值，在待标定的A扫信号一定领域内进行峰值搜索，获取直通波和底面回波的精确标定坐标，并编写板厚计算方法函数：

double CalDepth( IplImage* img, int x1, int x2 )

{

const double beam_path = channel_para.EchoRange;//声程，us

const double time_delay = channel_para.Delay;//扫描延时， us

const double sound_speed = system_para.fixSpeed*0.001;//声速， m/s

const double half_pcs = channel_para.proberCenterDistance*0.5; //探头中心距，mm

double interval = beam_path/img->width;//连续采样时间间隔，毫秒

double dt = interval * x2 – interval*x1;

return sqrt( pow(sound_speed,2)*pow(dt,2)+4 *sound_speed*dt* half_pcs)/2;//板厚，mm

}

如图3A、图3B和图3C所示，基于峰值校准的直通波拉直和近表面缺陷直通波去除方法步骤为：

步骤一：标记直通波弯曲区域外最近邻的一条A扫信号，搜索其直通波第一个波峰和波谷的位置坐标，记录其平均值作为参照。

步骤二：统计选定直通波拉直窗口内的A扫信号片段号数目N，计数器设为1。

步骤三：搜索当前计数下的A扫直通波第一个波峰与波谷位置，计算其平均值与步骤一中得到的参照值之差值d。

步骤四：将当前计数下的A扫信号片段整体移动-d像素，移动需限定在窗口区域内。

步骤五：计数器递增1，重复Step3，当计数值达到N时停止。

原始超声TOFD图谱见图3A，步骤二至五处理后的图谱见图3B。

步骤六：由于近表面缺陷衍射波与直通波的超声频率几乎完全相同，混叠区域内的信号完全是由相干波叠加而形成，在完成上述步骤一至步骤五基础上，采用差分法将混叠区域内的图谱信号与其领域内正常信号相减，显示近表面缺陷信号，如图3C。

步骤一提出的波峰、波谷搜索算法，即在计算背景灰度值的基础上判定A扫信号上某点是为极值点，然后继续搜索其相邻点，并判断此点是否达到一定阈值（阈值：45），只有满足设定的阈值条件，该极值点才能被确定为波峰或波谷。

如图4A和图4B所示合成孔径聚焦技术的超声TOFD图谱增强方法步骤为，

步骤一：让TOFD探头对沿扫描方向以恒定扫描增量前进，建立TOFD平行扫描的回波参数模型，即，缺陷尖端的衍射波声程

：

（1）

式（1）中S是探头中心距（PCS）之半，d表示缺陷尖端的高度，

是扫描速度。

步骤二：受工件几何条件的制约，两探头的移动范围始终无法越过焊缝，探头移动距离的极限值为探头中心距（PCS），因此平行扫描的实际合成孔径长度（Ls）为2S，相应的合成孔径时间（Ts）为2S/，进一步对B扫描图像进行合成孔径处理，如式（2）所示：

（2）

式（2）中

表示图谱在坐标

处的灰度值，

表示离散化的孔径长度，

，

表示探头移动的单位增量，

是该增量的计数，波束锐化处理结果如图4A所示。

的理论值，对位于合成孔径两侧的缺陷信号进行增益补偿，以修正由于波束衰减而产生的对比度下降。具体流程如下：

1) 根据图谱背景灰度值，将图像信号转化为射频信号。

2) 利用步骤二确定B扫描图像的合成孔径大小。

3) 计算合成孔径两端相对孔径中心信号的衰减程度，确定增益补偿系数。

4) 循环搜索点

的孔径合成点

。

5) 根据孔径合成点距离孔径中心的位置远近，得到相应的补偿加权值。

6) 对孔径窗口中各合成点进行求和平均。

通过采用步骤三的方法，得到的波形信噪比优于图4A，得到的图4B从更微观层次显示了图谱增强的效果。

本实施例所述的A扫描、B扫描和D扫描可采用友联数码公司生产的PXUT超声采集系统实现。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种缺陷超声TOFD检测离线判别方法，其特征是它包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的计算机标定过程为：

步骤五，根据直通波-纵波衍射区域-底面回波背景灰度值，在待标定的A扫信号一定领域内进行峰值搜索，获取直通波和底面回波的精确标定坐标，最终得到被检测体板厚值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的直通波的拉直和消除处理方法为：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述的波峰、波谷搜索算法是在计算背景灰度值的基础上判定A扫信号上某点是否为极值点，然后继续搜索其相邻点，并判断此点是否达到设定的阈值，只有满足设定的阈值条件，该极值点才能被确定为波峰或波谷。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的利用合成孔径聚集技术对B扫描图像进行波束锐化和图像增强的步骤为：

Figure 2011102421995100001DEST_PATH_IMAGE001

：

（1）

Figure 2011102421995100001DEST_PATH_IMAGE003

是扫描速度；

（2）

式（2）中

Figure 2011102421995100001DEST_PATH_IMAGE005

表示图谱在坐标

处的灰度值，

Figure 2011102421995100001DEST_PATH_IMAGE007

表示离散化的孔径长度，，

Figure 2011102421995100001DEST_PATH_IMAGE009

表示探头移动的单位增量，

是该增量的计数；

根据图谱背景灰度值，将图像信号转化为射频信号；

利用步骤二确定B扫描图像的合成孔径大小；

计算合成孔径两端相对孔径中心信号的衰减程度，确定增益补偿系数；

循环搜索点的孔径合成点

Figure 2011102421995100001DEST_PATH_IMAGE011

；

根据孔径合成点距离孔径中心的位置远近，得到相应的补偿加权值；

对孔径窗口中各合成点进行求和平均。