CN105092595A - 应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法及装置，能够检测出待测钢轨组织内部的孔隙。所述方法包括：S11、脉冲激光器发出的脉冲激光依次经中灰密度镜、反射镜和聚焦镜作用后照射到待测钢轨上，并产生光声信号，其中，所述光声信号包括瑞利波和剪切波；S12、利用超声探头采集所述钢轨不同位置处的光声信号，对于所述钢轨每一个位置处的光声信号，根据该位置处的光声信号基于互相关算法计算该位置处钢轨组织产生的位移，并进行成像得到该位置处钢轨组织的位移形变图；S13、采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的位移形变图融合成整条所述钢轨组织的位移形变图。

Description

应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法及装置

技术领域

本发明涉及钢轨探伤技术领域，具体涉及一种应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法及装置。

背景技术

随着社会的发展，高铁在人们生活中扮演着越来越重要的角色。一方面，高铁的发展为人们的出行提供了便利，提高了交通运输的速度；另一方面，由很多因素(如气候、轮轨力、钢轨内部结构等)引起的高铁钢轨缺陷为铁路运输埋下了安全隐患。因此，及时发现高铁钢轨缺陷是至关重要的。

光声成像是近年来发展起来的一种钢轨无损探伤方法，结合了纯光学成像的高对比度特性和纯超声成像的高穿透特性。它是以短脉冲激光作为激励源、光声信号作为信息载体，根据不同钢轨样本对特定波长激光具有差别较大的光学吸收系数进而辐射不同强度超声波的原理进行成像，通过对采集到的一组光声信号进行图像重建处理而得到组织内部结构信息的一种成像方法。但是由于激光的趋肤深度小，传统的光声成像只能检测钢轨表面及亚表面的缺陷，无法检测出钢轨内部的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法及装置，能够检测出待测钢轨组织内部的孔隙。

为此目的，一方面，本发明提出一种应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法，包括：

S11、脉冲激光器发出的脉冲激光依次经中灰密度镜(ND滤镜)、反射镜和聚焦镜作用后照射到待测钢轨上，并产生光声信号，其中，所述光声信号包括瑞利波和剪切波；

S12、利用超声探头采集所述钢轨不同位置处的光声信号，对于所述钢轨每一个位置处的光声信号，根据该位置处的光声信号基于互相关算法计算该位置处钢轨组织产生的位移，并进行成像得到该位置处钢轨组织的位移形变图；

S13、采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的位移形变图融合成整条所述钢轨组织的位移形变图。

另一方面，本发明提出一种应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法，包括：

S21、脉冲激光器发出的脉冲激光依次经ND滤镜、反射镜和聚焦镜作用后照射到待测钢轨上，并产生光声信号，其中，所述光声信号包括瑞利波和剪切波；

S22、利用超声探头采集所述钢轨不同位置处的光声信号，对于所述钢轨每一个位置处的光声信号，根据该位置处的光声信号基于互相关算法计算该位置处钢轨组织产生的位移，并进行成像得到该位置处钢轨组织的位移形变图，对于所述钢轨每一个位置处的光声信号，基于峰值时间法计算该位置处的光声信号中的剪切波的波速值，根据该波速值计算该位置处钢轨组织的硬度定量值，并进行成像，得到该位置处钢轨组织的硬度图；

S23、对于所述钢轨的每一个位置，利用该位置处钢轨组织的硬度图对该位置处钢轨组织的位移形变图进行重建，得到该位置处钢轨组织的光声弹性图像；

S24、采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的光声弹性图像融合成所述钢轨组织的光声弹性图像。

另一方面，本发明提出一种应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置，包括：

光声激发光源发生组件、光声信号采集组件、光声信号处理组件、主控电路和步进电机；其中，

所述光声激发光源发生组件发出的脉冲激光照射到待测钢轨上，并产生光声信号；

所述光声信号采集组件，用于采集所述光声信号，并传输给所述光声信号处理组件，由所述光声信号处理组件基于互相关算法计算所述光声信号所对应的钢轨组织产生的位移，并进行成像得到相应钢轨组织的位移形变图，其中，所述互相关算法的互相关函数的峰值偏移量为激光施加前后的信号的时间延迟；

所述主控电路通过驱动所述步进电机运转带动所述光声信号采集组件沿所述钢轨表面移动，在所述光声信号采集组件移动的过程中，由所述光声信号处理组件采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的位移形变图融合成整条所述钢轨组织的位移形变图。

本发明实施例所述的应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法及装置，利用能量聚焦转化生成的、能够深入组织内部的剪切波照射待测钢轨，将光声成像同超声弹性成像有机地结合起来，同时光声成像技术将光学和声学有机地结合起来，部分地克服了光在钢轨组织中传输时组织强散射效应的影响，因此光声弹性成像技术具有比传统光声成像技术更好的组织穿透性，同时，组织内孔隙越大，产生的位移就越大，因而，相较于传统光声成像技术，本发明通过钢轨组织的位移形变图能够检测出待测钢轨组织内部的孔隙。

附图说明

图1为本发明应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法一实施例的流程示意图；

图2为本发明应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置一实施例的结构示意图；

图3为待测钢轨内气隙大小不同时剪切波振幅的变化趋势图；

图4为待测钢轨内无杂质时剪切波速度的变化趋势图；

图5为待测钢轨内杂质为边长为1mm的正方形杂质时剪切波速度的变化趋势图；

图6为待测钢轨内杂质为边长为2mm的正方形杂质时剪切波速度的变化趋势图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例公开一种应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法，包括：

S11、脉冲激光器发出的脉冲激光依次经ND滤镜、反射镜和聚焦镜作用后照射到待测钢轨上，并产生光声信号，其中，所述光声信号包括瑞利波和剪切波；

S12、利用超声探头采集所述钢轨不同位置处的光声信号，对于所述钢轨每一个位置处的光声信号，根据该位置处的光声信号基于互相关算法计算该位置处钢轨组织产生的位移，并进行成像得到该位置处钢轨组织的位移形变图；

S13、采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的位移形变图融合成整条所述钢轨组织的位移形变图。

在得到形变前后的两组RF(射频)数据后，要估算组织的位移分布，最常见的是运用互相关算法进行位移估计。而在施加脉冲激光后，如上述讨论组织的横向位移相比于纵向位移而言非常小，因此可以忽略其影响，认为辐射力施加前后组织位移仅发生了轴向偏移，此时可以采用一维互相关算法。

对受力前后的两组RF信号进行互相关函数的运算，互相关函数的峰值偏移量为辐射力施加前后的信号的时间延迟。可以通过方程(3-1)计算出组织的局部位移：

$u=\frac{{\mathrm{\τ}}_0}{2}c---(3-1)$

其中c——超声波的波速(m/s)；

u——局部组织位移(m)；

τ₀——组织受力前后的信号时间延迟(s)。

需要求解出时间延迟τ₀的大小。设脉冲激光施加前后的信号分别为x₁(t)和x₂(t)，两信号作互相关，得到的函数为方程(3-2)：

$R_{x_1{x}_2}=\∫x_1\left(t\right)\·x_2\left(t\right)dt---(3-2)$

其中——相关系数，其最大值即为τ₀。

然而由于声辐射力弹性成像造成的组织偏移很小，很可能会产生较大误差，为了精确求解微小位移，我们运用RF数据的相位信息，将其进行Hilbert变换，得到超声射频信号的解析信号，如方程(3-3)所示：

$\hat{r}(m,s)=r(m,s)*h\left(m\right)=r(m,s)-j\·r(m,s)---(3-3)$

其中m——采样点的位置；

s——离散RF信号坐标；

*——卷积运算；

r(m,s)——超声射频信号；

——超声射频信号的解析信号；

h(m)——FIR-Hilbert变换因子。

选取合适的汉宁窗长度M及模板窗口长度Q，可得出方程(3-4)的形式：

$\widehat{\mathrm{\κ}}(n,s)=\underset{m^{\′}=-\frac{M}{2}}{\overset{\frac{M}{2}-1}{\Σ}}\hat{r}(m+m^{\′},s)\·\stackrel{*}{\hat{r}}(m+m^{\′}+q,s+1)---(3-4)$

其中，也就是互相关系数，*则代表某数的复共轭，q＝-Q:1:Q，n——坐标。在组织偏移微小的情况下，即超声扫描的回波信号时移δt小于采样周期t_sp时，可以通过互相关系数包含的相位信息求得时移，如方程(3-5)所示：

$\mathrm{\δ}t=\frac{2\∠\widehat{\mathrm{\κ}}(n_{max},s)}{\∠\widehat{\mathrm{\κ}}(n_{max}+1,s)-\∠\widehat{\mathrm{\κ}}(n_{max}-1,s)}{t}_{sp}---(3-5)$

其中n_max——最大值坐标；

∠——角度运算符号。

从方程(3-5)中求得时移的大小δt[s]，则组织偏移量d(m,s)[m]可以通过声波的传播速度c[m/s]计算得到，如式(3-6)所示：

$d(m,s)=\mathrm{\δ}t\·\frac{c}{2}---(3-6)$

本发明实施例所述的应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法，利用能量聚焦转化生成的、能够深入组织内部的剪切波照射待测钢轨，将光声成像同超声弹性成像有机地结合起来，同时光声成像技术将光学和声学有机地结合起来，部分地克服了光在钢轨组织中传输时组织强散射效应的影响，因此光声弹性成像技术具有比传统光声成像技术更好的组织穿透性，同时，组织内孔隙越大，产生的位移就越大，因而，相较于传统光声成像技术，本发明通过钢轨组织的位移形变图能够检测出待测钢轨组织内部的孔隙。

本实施例公开一种应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法，包括：

S21、脉冲激光器发出的脉冲激光依次经ND滤镜、反射镜和聚焦镜作用后照射到待测钢轨上，并产生光声信号，其中，所述光声信号包括瑞利波和剪切波；

S22、利用超声探头采集所述钢轨不同位置处的光声信号，对于所述钢轨每一个位置处的光声信号，根据该位置处的光声信号基于互相关算法计算该位置处钢轨组织产生的位移，并进行成像得到该位置处钢轨组织的位移形变图，对于所述钢轨每一个位置处的光声信号，基于峰值时间法计算该位置处的光声信号中的剪切波的波速值，根据该波速值计算该位置处钢轨组织的硬度定量值，并进行成像，得到该位置处钢轨组织的硬度图；

S23、对于所述钢轨的每一个位置，利用该位置处钢轨组织的硬度图对该位置处钢轨组织的位移形变图进行重建，得到该位置处钢轨组织的光声弹性图像；

S24、采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的光声弹性图像融合成所述钢轨组织的光声弹性图像。

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于光声弹性成像的钢轨探伤方法，本发明的目的通过下述技术方案实现，一种基于光声弹性成像的钢轨探伤方法，包括如下步骤：

(1)脉冲激光照射到钢轨上，不仅产生在表面传播的瑞利波，还产生在同超声探头垂直方向传播的剪切波，剪切波的传播造成样本发生微小的形变；

(2)利用阵列超声探头同步跟踪光声信号,尤其是剪切波信号(记录时间约为20ms)，将光声信号采集、存储并上传到计算机中；

(3)在计算机上基于互相关算法、峰值时间法对光声弹性图像进行快速重建；

(4)通过改变超声探头位置实现对待测钢轨样本的全面观测，将不同位置观测到的图像进行数据融合处理。

步骤(1)中，所述脉冲激光优选波长为400～1100nm。

步骤(1)中，所述剪切波，由脉冲激光产生，为实行弹性成像提供可能，针对光声成像检测深度浅的问题，利用激光脉冲在钢轨内部激发的剪切波对被测对象进行观测，通过观察和处理剪切波的变化，可以确定钢轨内部的结构，检测其内部的缺陷情况。

步骤(2)中，所述阵列超声探头采用的是128阵元的宽带线阵探头，中心频率为40MHz。

步骤(3)中，所述互相关算法，对形变前后的两组RF数据进行互相关函数的运算，互相关函数的峰值偏移量为辐射力施加前后的信号的时间延迟，从而得到钢轨样本的位移以及峰值等响应值，从而构建出被测样本局部的定量位移图。

步骤(3)中，所述峰值时间算法，利用在剪切波传播过程中带动部分组织发生一定量偏移的特点，在组织空间的横向上均匀地分布许多测试点，每当剪切波波峰到达该测试点时(即该处组织发生最大偏移时)，记录此刻时间，也就是通过测量波峰到达各横向标记点的时间进行波速重建；该方法的优势在于，它对于标记点的选取间距没有很高的要求，相互距离可以比较近，这是因为要做后续线性回归等优化处理，可提高分辨率，但其对采样帧频要求较高。

步骤(4)中，所述实现对待测钢轨样本的多位置观测，通过改变超声探头的位置实现探头对待测钢轨样本的多位置观测。

步骤(4)中，所述图像融合处理，采用数据融合算法，将图像叠加在一起，确保在检测灵敏度不降低的情况下改善和提高光声图像的横向分辨率和信噪比，实现光声图像的高分辨率。

虽然根据前述实施例得到的组织位移形变图中的组织峰值位移大小也能够判断出组织硬度的相对大小，但更为直观的方法是直接得到组织的硬度定量值，进行硬度成像。

观察待测钢轨样本硬度大小最直接的方法就是建立该处组织杨氏模量大小的图像，并在图像中不同硬度部位组织有定量的标注。组织硬度大小其中一个很重要的参数即为剪切模量大小，剪切模量重建的方法主要分为以下两类：

(1)前向/迭代方法，需将所求的组织机械特性的理论值与实验值相对比。此方法可以减小以有限元方法建模为基础而求得的组织机械特性与实际实验测量的组织特性之间的差异。

(2)求解运动微分方程的逆问题，其可被用来直接计算组织的剪切模量。

上述的第二种方法在计算量方面稍占优势，但它的局限性在于：当应用在信噪比较低的数据上时，这种方法的效果比较差，因为公式中含有二阶微分项。而前项/迭代方法在噪声干扰下的鲁棒性更强一些，但它则需要更多组织结构方面的信息(例如边界条件)。因此可寻求其它间接的剪切模量重建方法。

组织的激活区域内偏移量的大小是与组织的弹性(剪切)模量成反比的：组织硬度越大，产生的位移就越小。集中性的激光脉冲在组织中产生剪切应力，从而产生剪切波，这个剪切波从组织的激活区域出发，沿垂直于激光方向进行传播。

在弹性且各向同性的材料中，剪切波波速(c_T)与组织的剪切模量(μ)相关，如方程(3-7)所描述：

$c_T=\sqrt{\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρ}}}---(3-7)$

其中，c_T——剪切波波速(m/s)；

μ——组织剪切模量(Pa)；

ρ——组织密度(kg/m³)。

由(3-7)式可以得到剪切波波速与剪切模量的关系。当脉冲超声辐射力应用在一个给定空间的组织时，暂态的剪切波产生并从波激发位置，沿着横向进行传播，直到衰减为零。固定强度的激励波施加在不同硬度的组织中，其产生的剪切波波速不同。现有的剪切波波速重建方法可以从组织的动态位移信息中推导出剪切波波速的大小，再根据公式(3-7)计算组织的剪切模量，而剪切模量又与组织的杨氏模量相关，这个方法可用在以组织位移形变图为基础的弹性成像中。

无论利用上述的哪一种剪切模量计算方法，当剪切模量的数值确定之后，相应的杨氏模量的大小就可以被计算出来。杨氏模量与剪切模量在一个线性各向同性的组织中的关系如方程(3-8)所示：

$\mathrm{\μ}=\frac{E}{2(1+v)}---(3-8)$

其中E——组织的杨氏模量(Pa)；

ν——泊松比。

则将公式(3-8)带入公式(3-7)中，组织的杨氏模量可以表示为方程(3-9)：

$E=2(1+v)\·c_T^2\·\mathrm{\ρ}---(3-9)$

公式(3-9)即为剪切波波速与组织硬度的关系，可以看到在组织密度确定的情况下，组织杨氏模量E与剪切波波速c_T的平方成正比。

从公式(3-9)中可以看出，进行组织硬度成像很重要的一点是要求出组织中的剪切波波速。常用的计算剪切波波速的方法有：

(1)Time-of-Flight方法：在组织上选取两个位置点1和2，将它们中间的距离记做Δr(m)，剪切波波峰通过两点的时间分别记为t₁(s)和t₂(s)，则其时间差为t₂-t₁，则可计算出剪切波波速大小，如方程(3-10)：

$c_T=\frac{\mathrm{\Δ}r}{t_2-t_1}---(3-10)$

这种方法的优势在于波速估计非常方便而且效率比较高，也是现今最常用的剪切波速度估计方法之一，但由于两个位置点之间所有部分的剪切模量的计算完全依赖于对在其中传播的剪切波波速的估计，需要选取能够辨别波峰通过时刻的最小距离点，因而若选取点的距离较近，会使得估计误差大大增加，从而导致分辨率降低。

(2)峰值时间方法(TimeToPeakdisplacement,TTP)：本专利中用到的剪切波波速重建方法是基于施加脉冲超声辐射力后，较长时间记录在焦点区域之外的组织的动态响应，称为TTP方法。这种方法的优点在于，它能够避免计算超声检测组织位移(包含有噪声)时在时间和空间域上的二阶微分。而求二阶微分时需要进行额外的数据滤波，这是因为在进行剪切波波速估计时会含有大量噪声。因此，此处的讨论的方法会简明很多。

一般来讲，该方法能够估计在固定深度下沿着横向传播的剪切波的波速。注意到它仅假设了剪切波的横向传播情况，而在激活区域的焦点附近，这个假设是合理的。进行剪切波速度估计时较有挑战性的部分是：在剪切波传播过程中，如何标记每一个横向位置以及定义剪切波传播到该处的时间。当剪切波从焦点区域传播出去时，由于组织具有粘滞力，波幅值逐渐衰减，这个现象使得仅简单设定一个剪切波波峰值，作为标记处的阈值的想法实现起来很困难。与Time-of-Flight相似之处是，TTP方法仍利用在剪切波传播过程中带动部分组织发生一定量偏移的特点，在组织空间的横向上均匀地分布许多测试点，每当剪切波波峰(即该处组织发生最大偏移时)到达该测试点时，记录此刻时间，也就是通过测量波峰到达各横向标记点的时间进行波速重建；但TTP方法的优势在于，它对于标记点的选取间距没有很高的要求，相互距离可以比较近，这是因为要做后续线性回归等优化处理，可提高分辨率，但其对采样帧频要求较高。

利用TTP方法进行剪切波波速重建时，基于需要有一定精确度和分辨率的考虑，需要对组织的横向选定区域进行划分，每个划分区域相当于一个像素点，而这个区域可再细分为小的子区域，在其内的不同位置对剪切波峰值时间进行标记。一般来说，做一次线性回归需要标记至少20个点。标记后的点可以在位置-峰值时间图上绘制出来，再对这些点进行线性回归处理。

选取标记点的范围是从激活区域内中心位置延伸至横轴标记结束位置，结束标记的标准是，该标记处组织偏移的峰值位移应大于1um，这是用来保证峰值位移估计的信噪比至少为2dB。结束标记后，这些标记点的回归线斜率的倒数就是该处的剪切波波速，再利用上述公式(3-9)计算出组织的杨氏模量。将这个方法应用在不同区域的组织中，就可得到不同区域组织的硬度。

绘制组织的TTP成像结果需要在组织的多个深度位置进行脉冲超声辐射力的施加，并需要采集很多帧的组织位移形变图。在仿真过程中，对于超声辐射力施加较为挑战性的工作是，超声辐射力很难精确地施加在组织上，由于点扩散函的原因，使得组织位移有一定的低估，这将导致最终的仿真的结果有一定的误差性。然而，用TTP方法，在组织位移形变图的基础上进行波峰时刻的提取与波峰的幅值估计大小并无关系，因此该方法能够有效避免因组织位移形变图成像的局限性而导致的计算误差，提高了组织硬度估计和成像的精确性。

需要注意的是，组织位移形变图的帧频对于剪切波波速的估计影响是巨大的，因为剪切波波速估计很大程度上取决于这些组织位移形变图对于标记点到达峰值的时刻的存储，或称为“抓取”能力。如果组织位移形变图采样帧频较低，很有可能该点到达峰值的时刻将漏记。但在实际应用中，图像帧频大小为硬件设施所限，常常不能达到高速采样。因此，能够在帧频不足的情况下获得较精确的剪切波波速大小估计是十分重要的。

由公式(3-9)可以看出，剪切波波速的大小实际上就反映了组织硬度的大小，故估算出剪切波速后，可直接进行剪切波波速成像，也可以进行组织硬度成像。为了更直观起见，本专利中采用组织硬度成像。

具体操作时，如果对某区域的组织硬度感兴趣，可将该区域划分为多个子区域，在每个子区域施加声辐射力，估算出该子区域中剪切波波速并计算其硬度大小，此即为硬度成像的一个像素点。多个区域组织组合在一起，可得到一个完整的硬度成像图。该硬度成像图的分辨率大小是与剪切波波速估计中的标记点数目相关的。

本发明实施例中，利用钢轨组织的硬度图对钢轨组织的位移形变图进行重建，得到钢轨组织的光声弹性图像，相较于前述实施例，不仅能够检测出待测钢轨组织内部的孔隙，而且能够检测出待测钢轨组织内部的杂质情况，即能够检测出待测钢轨组织内部的。

可选地，在本发明应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法的另一实施例中，所述脉冲激光的波长为400～1100nm。

可选地，在本发明应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法的另一实施例中，所述超声探头为128阵元的宽带线阵探头，中心频率为40MHz。

如图2所示，本实施例公开一种应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置，包括：

光声激发光源发生组件A、光声信号采集组件B、光声信号处理组件10、主控电路9和步进电机12；其中，

所述光声激发光源发生组件A发出的脉冲激光照射到待测钢轨6上，并产生光声信号；

所述光声信号采集组件B，用于采集所述光声信号，并传输给所述光声信号处理组件10，由所述光声信号处理组件10基于互相关算法计算所述光声信号所对应的钢轨组织产生的位移，并进行成像得到相应钢轨组织的位移形变图，其中，所述互相关算法的互相关函数的峰值偏移量为激光施加前后的信号的时间延迟；

所述主控电路9通过驱动所述步进电机12运转带动所述光声信号采集组件B沿所述钢轨6表面移动，在所述光声信号采集组件B移动的过程中，由所述光声信号处理组件10采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的位移形变图融合成整条所述钢轨6组织的位移形变图。

本发明实施例所述的应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置，利用能量聚焦转化生成的、能够深入组织内部的剪切波照射待测钢轨，将光声成像同超声弹性成像有机地结合起来，同时光声成像技术将光学和声学有机地结合起来，部分地克服了光在钢轨组织中传输时组织强散射效应的影响，因此光声弹性成像技术具有比传统光声成像技术更好的组织穿透性，同时，组织内孔隙越大，产生的位移就越大，因而，相较于传统光声成像技术，本发明通过钢轨组织的位移形变图能够检测出待测钢轨组织内部的孔隙。

可选地，参看图2，在本发明应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置的另一实施例中，还包括：

二维扫描平台11；其中，

所述光声激发光源发生组件A包括：脉冲激光器1、ND滤镜2、反射镜3和聚焦镜4，所述聚焦镜4固定在所述二维扫描平台11的支架上，且正对所述钢轨6，所述脉冲激光器1发出的脉冲激光依次经所述ND滤镜2、反射镜3和聚焦镜4作用后照射到所述钢轨6上，并产生光声信号；

所述光声信号采集组件B包括超声探头7、预处理电路8，所述超声探头7与所述主控电路9连接，固定在所述二维扫描平台11的支架上，且阵元面正对所述钢轨6，阵元面的中心位置对准所述钢轨6的中心；

所述主控电路9与所述预处理电路8电气连接，所述超声探头7、预处理电路8和光声信号处理组件10(优选为计算机)依次电气连接，所述超声探头7(超声探头7和所述钢轨6之间填充有超声耦合剂5)采集的光声信号传输至所述主控电路9，触发所述主控电路9驱动所述预处理电路8工作，所述超声探头7采集的光声信号经所述预处理电路8进行预处理后，传输给所述光声信号处理组件10；

所述主控电路9通过驱动所述步进电机12运转带动所述超声探头7沿垂直于通过所述聚焦镜4的激光方向移动，在所述超声探头7移动的过程中，由所述光声信号处理组件10采用数据融合算法，将所述钢轨6不同位置处钢轨组织的位移形变图融合成整条所述钢轨6组织的位移形变图。

本发明实施例中，所述脉冲激光器选用脉冲重复频率可达5000Hz、波长为523nm的Nd：YLF脉冲激光器(IS8II-E,EdgeWaveGmbH；pulseduration:6ns)。该激光器的激发存在三种模式，分别为internal、external和CW模式。本装置采用高频系统外接trigger_out信号+脉冲激光器1external(重复频率大约50Hz)模式。超声探头为宽带线阵探头，探头中心频率为40MH；预处理电路为多通道并行预处理电路，通道数为128，通道与阵元一一对应。

可选地，在本发明应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置的另一实施例中，所述预处理电路8包括时间增益补偿放大电路81(TGC放大电路)、预滤波电路82、A/D采样电路83和USB数据传输电路85；

所述主控电路9与所述超声探头7、脉冲激光器1、TGC放大电路81、A/D采样电路83、USB数据传输电路85均电气连接，所述超声探头7、TGC放大电路81、预滤波电路82、A/D采样电路83、USB数据传输电路85和光声信号处理组件10依次电气连接，所述超声探头7采集的光声信号传输至所述主控电路9，触发所述主控电路9驱动所述脉冲激光器1、TGC放大电路81、A/D采样电路83和USB数据传输电路85工作，所述超声探头7采集的光声信号依次经所述TGC放大电路81进行信号放大、预滤波电路82进行信号滤波、A/D采样电路83进行模数转换后，由所述USB数据传输电路85传输给所述光声信号处理组件10。

利用上述装置实现本发明方法的实施步骤是：

主控电路9触发脉冲激光器1发射脉冲激光照射到待测钢轨6上，不仅产生在表面传播的瑞利波，还产生在同超声探头垂直方向传播的剪切波，剪切波的传播造成样本发生微小的形变；

利用超声探头7观测光声信号，利用多通道并行预处理电路对光声信号进行同步采集、TGC放大、信号预滤波、AD采样、缓存，最终上传到计算机10内存中；

在计算机10上基于互相关算法对光声图像进行快速重建；

通过改变超声探头7位置实现对待测钢轨6的全面观测，将不同位置观测到的图像进行数据融合处理。

待测钢轨6内剪切波振幅随气隙大小变化的变化趋势如图3所示，此处气隙为边长分别为0mm、1mm、2mm的正方形气隙。待测钢轨6内裂痕会导致剪切波的振幅减小，明显低于正常钢轨样本。

可选地，在本发明应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置的另一实施例中，对于所述光声信号采集组件采集的所述钢轨每一个位置处的光声信号，所述光声信号处理组件还用于基于峰值时间法计算该位置处的光声信号中的剪切波的波速值，根据该波速值计算该位置处钢轨组织的硬度定量值，并进行成像，得到该位置处钢轨组织的硬度图，利用该位置处钢轨组织的硬度图对该位置处钢轨组织的位移形变图进行重建，得到该位置处钢轨组织的光声弹性图像；

所述光声信号处理组件还用于采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的光声弹性图像融合成整条所述钢轨组织的光声弹性图像。

利用光声弹性成像技术，使得光声信号既依赖于待测钢轨样本的光学特性，也依赖于待测钢轨组织的声学特性，能够给钢轨探伤提供大量的有效信息(包括表面、亚表面及内部裂痕，内部杂质等)。裂痕会导致剪切波的振幅减小，明显低于正常钢轨样本。而内部杂质由于其杨氏模量及密度与钢轨本身材料属性不同，使得剪切波波速发生明显变化。因此光声弹性成像技术非常适合用于钢轨探伤。

光声弹性成像可以通过调节聚焦时间、重复采样频率以及激光脉冲发射频率等参量来产生不同的效果。由于剪切波的产生机理是能量聚焦转化的，所以可以深入组织内部来产生可控的符合各个实际要求的作用效果。因此光声弹性成像应用范围广，而且它还是一种无损检测方法，容易扩展得到二维弹性图，可结合传统光声和超声图像引导，方便了实际操作。

待测钢轨内剪切波速度随杂质(主要成分为氧化铝)大小变化的变化趋势如图4、5、6所示，图4、5、6对应的杂质分别为边长为0mm、1mm、2mm的正方形杂质，A、B为相距1mm的接收点。待测钢轨内部杂质由于其杨氏模量及密度与钢轨本身材料属性不同，使得剪切波波速发生明显变化。

可选地，在本发明应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置的另一实施例中，所述预处理电路8还包括数据采集电路84，用于对经所述A/D采样电路83进行模数转换后的数据进行存储，并传输给所述USB数据传输电路85，由所述USB数据传输电路85传输给所述光声信号处理组件10，

所述数据采集电路84与所述主控电路9电气连接，所述主控电路9在接收到所述超声探头7传输的光声信号之后控制所述数据采集电路84工作，所述数据采集电路84每一次完成数据存储之后，向所述主控电路9发送第一控制指令，所述主控电路9根据所述第一控制指令控制驱动所述步进电机12运转从而带动所述超声探头7沿垂直于通过所述聚焦镜4的激光方向移动。

可选地，在本发明应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置的另一实施例中，所述超声探头和所述钢轨之间填充有超声耦合剂，所述光声信号处理组件包括计算机，所述计算机内有图像重建的MATLAB程序，所述计算机，还用于判断所述超声探头是否完成所述钢轨的光声信号采集，并在所述超声探头完成所述钢轨的光声信号采集后，通过所述USB数据传输电路向所述主控电路发送第二控制信号，以使所述主控电路根据所述第二控制信号停止与其电气连接的组件的工作。

本发明实施例中，计算机可以根据超声探头每次的移动步长和待测钢轨待探测区域的长度计算其对USB数据传输电路传输的数据的处理次数n，在其第n次接收USB数据传输电路传输的数据之后，可以通过USB数据传输电路向主控电路发送第二控制指令。

可选地，在本发明应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置的另一实施例中，所述超声探头为128阵元的宽带线阵探头，中心频率为40MHz，所述预处理电路的通道数为128，每一个通道处理一个阵元采集的光声信号。

本发明与现有技术相比具有如下优点及效果：

a.本发明针对光声成像检测深度浅的问题，利用激光脉冲在钢轨内部激发的剪切波对被测对象进行观测，通过观察和处理剪切波的变化，可以确定钢轨内部的结构，检测其内部的缺陷情况；

b.本发明将传统的光声成像和弹性成像结合在一起，提高了成像的分辨率，为检测钢轨内部存在的杂质提供了可能性，实现了全方位检测钢轨缺陷的功能；

c.本发明针对超声探头横向分辨率低的问题，利用超声探头对同一被测目标进行多位置的观测，并将观测结果进行数据融合处理，有效提高了成像的横向分辨率和信噪比；

d.本发明在计算机上基于互相关算法、峰值时间法进行光声图像的分布式快速重建，提高了成像速度，实现了装置的数字化，提高了装置的灵敏度和动态范围；

e.本发明可以通过移动超声探头实现多位置成像，装置适应性强，应用范围广。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法，其特征在于，包括：

S11、脉冲激光器发出的脉冲激光依次经中灰密度镜、反射镜和聚焦镜作用后照射到待测钢轨上，并产生光声信号，其中，所述光声信号包括瑞利波和剪切波；

S12、利用超声探头采集所述钢轨不同位置处的光声信号，对于所述钢轨每一个位置处的光声信号，根据该位置处的光声信号基于互相关算法计算该位置处钢轨组织产生的位移，并进行成像得到该位置处钢轨组织的位移形变图；

S13、采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的位移形变图融合成整条所述钢轨组织的位移形变图。

2.一种应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法，其特征在于，包括：

S21、脉冲激光器发出的脉冲激光依次经中灰密度镜、反射镜和聚焦镜作用后照射到待测钢轨上，并产生光声信号，其中，所述光声信号包括瑞利波和剪切波；

S22、利用超声探头采集所述钢轨不同位置处的光声信号，对于所述钢轨每一个位置处的光声信号，根据该位置处的光声信号基于互相关算法计算该位置处钢轨组织产生的位移，并进行成像得到该位置处钢轨组织的位移形变图，对于所述钢轨每一个位置处的光声信号，基于峰值时间法计算该位置处的光声信号中的剪切波的波速值，根据该波速值计算该位置处钢轨组织的硬度定量值，并进行成像，得到该位置处钢轨组织的硬度图；

S23、对于所述钢轨的每一个位置，利用该位置处钢轨组织的硬度图对该位置处钢轨组织的位移形变图进行重建，得到该位置处钢轨组织的光声弹性图像；

S24、采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的光声弹性图像融合成所述钢轨组织的光声弹性图像。

3.根据权利要求1或2所述的应用于钢轨探伤的光声弹性成像方法，其特征在于，所述互相关算法的互相关函数的峰值偏移量为激光施加前后的信号的时间延迟。

4.一种应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置，其特征在于，包括：

光声激发光源发生组件、光声信号采集组件、光声信号处理组件、主控电路和步进电机；其中，

所述光声激发光源发生组件发出的脉冲激光照射到待测钢轨上，并产生光声信号；

所述光声信号采集组件，用于采集所述光声信号，并传输给所述光声信号处理组件，由所述光声信号处理组件基于互相关算法计算所述光声信号所对应的钢轨组织产生的位移，并进行成像得到相应钢轨组织的位移形变图，其中，所述互相关算法的互相关函数的峰值偏移量为激光施加前后的信号的时间延迟；

所述主控电路通过驱动所述步进电机运转带动所述光声信号采集组件沿所述钢轨表面移动，在所述光声信号采集组件移动的过程中，由所述光声信号处理组件采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的位移形变图融合成整条所述钢轨组织的位移形变图。

5.根据权利要求4所述的应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置，其特征在于，还包括：

二维扫描平台；其中，

所述光声激发光源发生组件包括：脉冲激光器、中灰密度镜、反射镜和聚焦镜，所述聚焦镜固定在所述二维扫描平台的支架上，且正对所述钢轨，所述脉冲激光器发出的脉冲激光依次经所述中灰密度镜、反射镜和聚焦镜作用后照射到所述钢轨上，并产生光声信号；

所述光声信号采集组件包括超声探头、预处理电路，所述超声探头与所述主控电路连接，固定在所述二维扫描平台的支架上，且阵元面正对所述钢轨，阵元面的中心位置对准所述钢轨的中心；

所述主控电路与所述预处理电路电气连接，所述超声探头、预处理电路和光声信号处理组件依次电气连接，所述超声探头采集的光声信号传输至所述主控电路，触发所述主控电路驱动所述预处理电路工作，所述超声探头采集的光声信号经所述预处理电路进行预处理后，传输给所述光声信号处理组件；

所述主控电路通过驱动所述步进电机运转带动所述超声探头沿垂直于通过所述聚焦镜的激光方向移动，在所述超声探头移动的过程中，由所述光声信号处理组件采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的位移形变图融合成整条所述钢轨组织的位移形变图。

6.根据权利要求5所述的应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置，其特征在于，所述预处理电路包括时间增益补偿放大电路、预滤波电路、A/D采样电路和USB数据传输电路；

所述主控电路与所述超声探头、脉冲激光器、时间增益补偿放大电路、A/D采样电路、USB数据传输电路均电气连接，所述超声探头、时间增益补偿放大电路、预滤波电路、A/D采样电路、USB数据传输电路和光声信号处理组件依次电气连接，所述超声探头采集的光声信号传输至所述主控电路，触发所述主控电路驱动所述脉冲激光器、时间增益补偿放大电路、A/D采样电路和USB数据传输电路工作，所述超声探头采集的光声信号依次经所述时间增益补偿放大电路进行信号放大、预滤波电路进行信号滤波、A/D采样电路进行模数转换后，由所述USB数据传输电路传输给所述光声信号处理组件。

7.根据权利要求4至6任一项所述的应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置，其特征在于，对于所述光声信号采集组件采集的所述钢轨每一个位置处的光声信号，所述光声信号处理组件还用于基于峰值时间法计算该位置处的光声信号中的剪切波的波速值，根据该波速值计算该位置处钢轨组织的硬度定量值，并进行成像，得到该位置处钢轨组织的硬度图，利用该位置处钢轨组织的硬度图对该位置处钢轨组织的位移形变图进行重建，得到该位置处钢轨组织的光声弹性图像；

所述光声信号处理组件还用于采用数据融合算法，将所述钢轨不同位置处钢轨组织的光声弹性图像融合成整条所述钢轨组织的光声弹性图像。

8.根据权利要求6所述的应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置，其特征在于，所述预处理电路还包括数据采集电路，用于对经所述A/D采样电路进行模数转换后的数据进行存储，并传输给所述USB数据传输电路，由所述USB数据传输电路传输给所述光声信号处理组件，

所述数据采集电路与所述主控电路电气连接，所述主控电路在接收到所述超声探头传输的光声信号之后控制所述数据采集电路工作，所述数据采集电路每一次完成数据存储之后，向所述主控电路发送第一控制指令，所述主控电路根据所述第一控制指令控制驱动所述步进电机运转从而带动所述超声探头沿垂直于通过所述聚焦镜的激光方向移动。

9.根据权利要求6所述的应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置，其特征在于，所述超声探头和所述钢轨之间填充有超声耦合剂，所述光声信号处理组件包括计算机，所述计算机内有图像重建的MATLAB程序，所述计算机，还用于判断所述超声探头是否完成所述钢轨的光声信号采集，并在所述超声探头完成所述钢轨的光声信号采集后，通过所述USB数据传输电路向所述主控电路发送第二控制信号，以使所述主控电路根据所述第二控制信号停止与其电气连接的组件的工作。

10.根据权利要求5所述的应用于钢轨探伤的光声弹性成像装置，其特征在于，所述超声探头为128阵元的宽带线阵探头，中心频率为40MHz，所述预处理电路的通道数为128，每一个通道处理一个阵元采集的光声信号。