CN105136906A - 复合材料单向板超声层析成像减少伪影的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料单向板超声层析成像减少伪影的方法，由于复合材料的各向异性特性，使得超声导波在单向板中的传播速度随着方向变化而变化，这种变化在超声层析成像过程中会带来伪影。本发明首先测得超声导波沿单向板各个方向的传播速度，然后根据超声层析成像的投影路径和各个方向的速度修正投影数据，从而减少图像重建伪影的产生。本发明简单可行，为超声层析成像技术应用到复合材料无损检测领域奠定了基础。

Description

复合材料单向板超声层析成像减少伪影的方法
技术领域
本发明涉及超声无损检测技术领域，特别是涉及利用超声导波层析成像的方法来实现复合材料单向板中的缺陷检测。
背景技术
复合材料以其质量轻、强度高等特点被广泛应用到于民用、军用、工业、航天以及超级跑车领域。碳纤维复合材料为复合材料常用的一种，有两种复合形式，一种是碳纤维在基体中呈同向排列，即每层的纤维方向相同，通常称这种复合材料为单向纤维复合材料；一种是各层纤维方向呈不同角度，通常称为多向纤维复合材料。
复合材料的缺陷检测在复合材料的生产应用中起着非常重要的作用，常用于复合材料缺陷检测的技术有射线检测技术和超声C扫描技术，由于射线检测技术对人体有害，操作人员需要经过专门的培训，而超声C扫描技术检测效率较低。因此，近年来超声层析成像技术成为复合材料缺陷检测的研究热点。由于复合材料单向板的特殊铺层方式和材料的各向异性特性，使得超声层析成像技术在单向板缺陷重建过程中产生大量的伪影。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种超声层析成像技术在进行复合材料单向板缺陷图像重建的过程中减少伪影的方法。
本发明所采用的技术方案是：根据超声导波在无缺陷单向板中沿各个方向的传播速度vθ(其中θ为导波的传播路径与单向板纤维方向夹角)来修正超声导波在有缺陷的单向板中沿投影路径的原始走时投影toriginal，修正后的走时投影其中lpath代表投影路径的长度，vφ代表投影路径与单向板纤维方向的夹角。然后通过滤波反投影算法将修正后的走时投影重建从而得到单向板缺陷图像。
本发明包括如下步骤，如图1所示：
1.选取合适频率的超声波作为激励信号，并根据超声波在单向板中的传播特性选取合适的模态作为分析对象。
2.测出步骤1中选取的超声信号在无缺陷单向板中沿多个方向传播的速度，绘制出速度随方向变化的曲线，然后通过插值得到该信号在任意方向上的传播速度vθ。
3.根据被测试件参数选取合适的投影方式获得单向板的走时投影数据toriginal。
4.根据投影路径的长度和步骤2得到的任意方向的传播速度修正走时投影数据toriginal，由得到修正后的投影数据trevised其中φ为投影路径与纤维方向夹角。
5.以步骤4中修正后的投影数据作为输入，利用滤波反投影算法得到单向板缺陷的重建图像。
与现有技术相比，本发明的优点是：在超声层析成像技术应用到复合单向板缺陷检测的过程中，该方法能够有效的减少图像重建过程中由于材料的各向异性带来的伪影，从而得到更加清晰可视化的重建图像。
附图说明
图1为减少超声层析成像技术在单向板缺陷重建过程中伪影产生的步骤框图。
图2为测量A0模态超声导波沿单向板不同方向传播速度的建模示意图。
图3为100kHz超声导波的A0模态在T300/QY8911的复合单向板中传播速度随方向变化曲线，横坐标代表传播方向与纤维方向夹角，纵坐标代表传播速度。
图4为利用扇束投影方式获得缺陷圆盘A0模态走时的建模示意图。
图5为未经修正的走时数据经滤波反投影算法得到的重建图像，其中(a)为中心缺陷圆盘的重建图像，(b)为缺陷偏离中心25mm圆盘的重建图像。
图6为经过修正的走时数据经滤波反投影算法得到的重建图像，其中(a)为中心缺陷圆盘的重建图像，(b)为缺陷偏离中心25mm圆盘的重建图像。
具体实施方式
结合本发明的内容提供以下单向板缺陷图像重建减少伪影的实例，具体步骤如下：
1.选取材料为T300/QY8911的复合单向板为研究对象，并利用ABAQUS仿真软件建立半径为100mm，厚度为4mm的圆盘模型。
2.选择频率为100kHz的5周期汉宁窗调制正弦信号作为超声激励信号，考虑到超声波在板中传播的多模态性，由于A0模态衰减慢，传播距离远，选择A0模态为研究对象。
3.为了测得A0模态的在单向板中沿各个方向传播的速度，以圆盘中心作为激励点，为了防止边界反射波的干扰，64个接收点均匀的分布在离圆盘中心半径为50mm的圆周上，示意图如图2所示。
4.提取步骤3中64个接收点信号的A0模态走时，利用MATLAB计算并绘制出A0模态速度随方向变化的曲线如图3所示。
5.分别在圆盘中心和偏离中心25mm处建立半径为5mm，深度为2mm的圆孔来模拟缺陷。并利用扇束投影方式来获得两个缺陷圆盘的A0模态走时投影数据toriginal，投影示意图如图4所示，当圆周上其中一个点为信号发射点时，另外63个点则作为信号接收点。
6.运用滤波反投影算法处理步骤5得到的投影数据得到重建图像，如图5所示。
7.由公式得到修正后的投影数据trevised，再次运用滤波反投影算法得到重建图像如图6所示。
8.为了对比图5、图6中伪影的变化情况，分别求取重建图像的均方误差(MSE)和平均梯度(MeanGradient)，结果如表1所示。
表1
9.由表1结果可知图6的均方误差和平均梯度较图5均有明显下降，说明本发明方法能够减少超声层析成像技术在单向板缺陷图像重建过程中产生的伪影。

Claims (1)

1.复合材料单向板超声层析成像减少伪影的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)选取合适频率的超声波作为激励信号，并根据超声波在单向板中的传播特性选取合适的模态作为分析对象。
2)测出步骤1中选取的超声信号在无缺陷单向板中沿多个方向传播的速度，绘制出速度随方向变化的曲线，然后通过插值得到该信号在任意方向上的传播速度vθ。
3)根据被测试件参数选取合适的投影方式获得单向板的走时投影数据toriginal。
4)根据投影路径的长度和步骤2得到的任意方向的传播速度修正走时投影数据toriginal，由得到修正后的投影数据trevised，其中φ为投影路径与纤维方向夹角。
5)以步骤4中修正后的投影数据作为输入，利用滤波反投影算法得到单向板缺陷的重建图像。
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