CN105319272A - 一种基于角域信号重构的水浸超声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于角域信号重构的水浸超声检测方法，包括构建角域水浸自动超声检测装置、角域超声信号扫查及信号采集、角域信号渡越时间及位置偏移计算、角域超声信号重构成像四个步骤。本发明的技术效果在于，针对水浸方式下工件内微小缺陷或复杂材料构件的超声检测，通过角域超声扫查方法，对不同角度入射到工件内的超声信号进行角域信号采集，并考虑水浸超声检测折射造成的渡越时间及位置偏移，实现了准确的角域信号重构成像，有效降低了随机噪声的影响，提高了超声成像分辨率和信噪比，有利于微小缺陷的检出和量化。

Description

一种基于角域信号重构的水浸超声检测方法

技术领域

本发明专利属于超声无损检测领域，特别涉及一种适用于工件微小缺陷成像的水浸超声检测方法。

背景技术

超声检测是无损检测领域最重要的方法之一，在产品设计、制造、成品检验及设备服役安全监测等各阶段都起着非常重要的作用。其中水浸超声检测方法是以水作为耦合剂，通过扫查架对工件进行自动超声检测及成像，因其耦合效果好，能避开近场影响，且具有检测成本低、自动化控制方便等优点，在现代工业无损检测中得到广泛应用。然而在对粗晶体材料、各项异性材料，以及多层介质材料等工件内微小缺陷进行水浸超声检测时，由于受材料结构不均引起的散射噪声及检测系统随机噪声的影响，使得回波信噪比降低，使得成像分辨率下降，导致工件内微小孔隙、微小裂纹、弱粘接等缺陷难以准确检出，严重影响了重要工件的无损检测和评价结果。

为有效提高超声检测成像分辨率，可采用高频率换能器来进行超声检测，如申请公布号CN103018339A，公布日为2013年4月3日的专利文献公开了一种高速高精度的超声显微扫查装置，选用50MHz以上的高频聚焦换能器进行超声检测，获取图像理论分辨精度可达3um。但换能器频率提高，其声束传播衰减越严重，使得检测厚度范围越小。另一种途径是从成像算法上进行改善，如采用合成孔径聚焦技术(SAFT)，并结合延时叠加等手段，通过对实验数据进行重构来提高图像分辨率。然而，目前SAFT技术主要用于单探头及相控阵探头接触法超声检测成像，没有直接应用于水浸检测，更重要的是SAFT技术依然难以有效降低检测系统随机噪声对特征信号的影响。

此外，在医学超声成像领域，为降低随机噪声造成的图像散斑、杂点等成像缺陷，使用了空间复合技术，如授权公告号为CN101199430B，授权公告日2011年12月28日的专利文献公开了一种空间复合成像方法，在忽略耦合介质与人体组织之间声阻抗差异前提下，通过控制相控阵多个阵元的声束偏转来对各个角度的图像进行合成，以此降低超声图像中的斑点噪声、声影、混响等。利用该方法能有效实现快速成像，以及对各帧图像进行实时复合成像。然而在实际工业水浸超声检测时，由于耦合介质与被测工件声阻抗差异明显，因此这种方法不能直接用于水浸超声检测。

发明内容

为提高水浸超声检测微小缺陷或复杂材料构件时的超声成像分辨率和信噪比，降低工件内部结构噪声及系统随机噪声对成像质量的影响，本发明提出了一种基于角域(即入射角度改变范围内的工件声束传播区域)信号重构的水浸超声检测方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种基于角域信号重构的水浸超声检测方法，包括以下步骤：

步骤一：构建角域水浸自动超声检测装置，所述的装置包括将工件固定在其中的水槽，对工件进行超声检测的可X/Y/Z/A四轴运动的超声自动扫查装置以及处理超声数据的数据处理装置；

步骤二：对工件进行角域B扫查及角域信号采集，首先将工件置于水槽中，调整超声自动扫查装置的超声探头并使探头中心轴线与工件表面法线方向重合，并使探头中心距离工件表面距离为d，以此时探头中心作为原点O建立检测坐标系XOZ，然后根据在水中入射到工件的第一临界角，确定探头中心轴线与工件表面法线的夹角即入射角取值范围，根据成像分辨率需求及扫查装置控制精度确定探头X轴方向移动步距，然后探头由原点起对工件进行多次B扫查，每次均以入射角取值范围内即角域的不同入射角角度进行B扫查，并采集角域超声B扫查回波数据；

步骤三：计算角域信号渡越时间及位置偏移，首先由已知的或采用超声脉冲反射法测量得到的水中及待测工件中的声速，并根据斯涅尔折射定律计算得到声束在水及工件中的传播路径、声束折射角、声束在水中传播距离、声束在工件中传播距离，由此得到声束由探头中心传播到工件内成像点的渡越时间计算公式，最后根据检测坐标系内探头和工件几何位置关系及声束传播路径，得到工件内成像点与超声探头中心在X方向上的位置关系即位置偏移量计算公式；

步骤四：角域信号重构B成像，首先提取步骤二中得到的角域超声B扫查回波数据，采用Hilbert变换法对回波数据进行包络，然后根据步骤三中得到的渡越时间计算公式和位置偏移量计算公式，将回波数据转换为对应工件内的B扫查数据，最后进行角域信号重构，完成角域重构后的超声B扫查成像。

所述的方法，所述的步骤一中，所述的装置中，超声扫查装置包括水槽、X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架、超声换能器和运动控制装置，所述的数据处理装置包括超声脉冲发生接收仪、高频数据数据采集卡和工控机，所述的X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架设置于水槽上方，超声换能器安装在X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架上并由X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架驱动沿X/Y/Z轴运动及绕A轴旋转，所述的运动控制装置的输出端连接X/Y/Z/A四轴水浸超声自动扫查架的控制端，输入端连接工控机，超声脉冲发生接收仪接收超声换能器发出的信号并通过高频数据数据采集卡发送至工控机。其中运动控制装置包括互相通信连接的运动控制卡和运动控制电器系统，运动控制卡通信连接工控机，运动控制电器系统通信连接X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架。

所述的方法，所述的步骤二中，对工件进行角域B扫查及角域信号采集的步骤包括：

步骤1：将已知材料声学特性和几何结构参数的工件水平放置于水槽内，同时通过调整探头位姿，使得探头中心轴线与工件表面法线方向重合，此时探头中心轴线与工件表面法线的夹角即入射角α₀＝0°。通过超声测距法获取探头中心到工件表面垂直距离即水声距，调整Z轴运动使得水声距达到合适值d，d值由探头型号及工件Z方向厚度确定，以工件检测起点处对应的探头中心为原点O，建立检测坐标系XOZ；

步骤2：根据声束在水中入射到工件的第一临界角，确定探头中心轴线与工件表面法线的夹角取值范围[-α_max,α_max]，其中α_max小于第一临界角，将α_max划分为2n个等份，即选取2n+1个角度位置：α_-n,α_-n+1,…,α₀,…,α_n-1,α_n，确定B扫查的探头X方向移动步距Δx；Δx根据工件内缺陷大小及成像需求确定。

步骤3：以α_-n角度进行B扫查，调整A轴使探头中心轴线与工件表面法线成α_-n角度，即入射角为α_-n，并将超声探头中心调整到起始位置O，即调整X、Z轴使得探头中心P点即入射点与检测坐标系O点重合，并使入射点P到工件表面的水声距为d，根据设定的探头X方向移动步距Δx，控制扫查架在XZ平面内沿X方向运动，实现超声B扫查，由计算机实时将每个步距Δx所形成的检测点位置的超声回波信号进行保存，记为e(t,s,α_-n)，扫查完成后，控制探头回到起始位置O并继续进行入射角为α_-n+1的扫查，即依次获得e(t,s,α_-n+2)，…，e(t,s,α₀)，…，e(t,s,α_n)；

所述的方法，所述的步骤三中，计算角域信号渡越时间及位置偏移的步骤包括：

设水中和工件中的声速分别为c₁、c₂，当入射角为α，水声距为d时，根据斯涅尔折射定律得到声束在水及工件两层介质中的传播路径，入射角α和折射角β的关系为sinα/sinβ＝c₁/c₂，由此计算出声束折射角β，再依据三角几何函数关系计算出声束在水中传播距离r₁＝d/cosα，以及声束在工件中传

播距离r₂＝(z-d)/cosβ，计算出声束由探头中心传播到工件内的C(x,z)点的渡越时间为

t＝2r₁/c₁+2r₂/c₂，即

t＝2d/(c₁cosα)+2(z-d)/(c₂cos(arcsin(c₂sinα/c₁)))(1)

同时s₁＝s+dtanα，x＝s₁+(z-d)tanβ，由此建立工件内的C(x,z)点与扫查控制的探头入射点P(s,0)在X方向上的位置关系为：

x＝s+dtanα+(z-d)tan(arcsin(c₂sinα/c₁))(2)

所述的方法，所述的步骤四中，角域信号重构的步骤包括：

提取步骤二中得到的整个角域超声B扫查回波数据，采用Hilbert变换法对过滤后回波数据进行包络计算，对应入射点P(s,0)包络后的回波信号记为s_env(t,s,α)，即s_env(t,s,α)＝Hibert(s(t,s,α))，

再根据式(1)、(2)将s_env(t,s,α)转化到对应工件坐标系(x,z)的B扫查数据B(x,z,α)，

即转化算法为：

B(x,z,α)＝s_env(2d/(c₁cosα)+2(z-d)/(c₂cos(arcsin(c₂sinα/c₁))),

x-[dtanα+(z-d)tan(arcsin(c₂sinα/c₁))],α)

最后进行角域信号重构，并利用重构后数据进行B扫查成像，重构算法为：

$B(x,z)=\underset{i=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}B(x,z,{\mathrm{\α}}_i).$

本发明的技术效果在于，针对水浸方式下工件内微小缺陷或复杂材料构件的超声检测，通过角域超声扫查方法，对不同角度入射到工件内的超声信号进行角域信号采集，并考虑水浸超声检测折射造成的渡越时间及位置偏移，实现了准确的角域信号重构成像，有效降低了随机噪声的影响，提高了超声成像分辨率和信噪比，有利于微小缺陷的检出和量化。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明角域水浸自动超声扫查装置结构示意图；

图2为本发明角域检测坐标系示意图，其中X向为扫查方向；

图3为本发明角域信号采集流程图；

图4为本发明角域水浸超声B扫查示意图，其中X向为扫查方向；

图5为工件缺陷区域照片；

图6为采用本发明方法得到的B扫灰度图；

图7为采用本发明方法得到的B扫二值图；

图8为采用传统水浸超声检测法得到的B扫灰度图；

图9为采用传统水浸超声检测法得到的B扫二值图；

其中1为水槽、2为X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架、3为超声换能器、4为运动控制卡、5为运动控制电器系统、6为超声脉冲发生接收仪、7为高频数据数据采集卡、8为工控机、9为被测工件、10为工件台、11为水。

具体实施方式

参见图1，以构建一个四轴水浸超声自动检测系统为步骤一，包括四轴水浸超声自动扫查架、超声换能器、工控机、超声脉冲发生接收仪、高频数据数据采集卡及运动控制电气系统等；四轴水浸自动扫查架包括X/Y/Z/A轴运动机构、探头架、水槽及工件台。其中X/Y/Z/A轴运动机构安装在水槽上方，由四个伺服电机进行运动控制，X/Y/Z轴通过滚珠螺杆副实现运动转换及传递，运动精度0.05mm；A轴通过同步带和涡轮蜗杆传动，探头架安装在Z轴下方的A轴蜗杆上，探头架可在A轴方向实现任意角度旋转，其旋转运动精度0.1度；工件台安装在水槽底部，可通过人工调整使得工件处于水平状态；通过工控机、运动控制卡及其运动控制电气系统实现X/Y/Z/A轴的高精度运动控制；超声换能器安装在探头架上，换能器晶片直径D，中心频率f_c等参数可根据实际被测工件做相应调整，在本检测实例中D为10mm，f_c为2.25MHz，超声换能器由脉冲发生接收仪进行激励；选用采样频率为200MHz的PCIe9852高频数据采集卡采集回波数据，并由超声脉冲发生接收仪同步触发。

步骤二、角域B扫查及角域信号采集

(1)将工件放置于水槽内，调整工件台使工件表面处于水平状态，同时调整探头位姿，使探头中心轴线与工件表面法线方向重合，此时工件表面回波幅值最大，α₀＝0度，通过超声测距法获取探头中心到工件表面的垂直距离即水声距，调整Z轴运动使得水声距为合适值，本实例中d＝100mm。

(2)设定探头中心轴线与工件表面法线夹角在-9°到9°度范围变化，并将其划分为6个等份，即7个角度位置为：-9°、-6°、-3°、0°、3°、6°、9°。本实例中设定超声探头沿X轴方向扫查移动步距Δx为0.05mm。

(3)调整A轴使探头入射角为-9°，调整X/Z轴使探头中心位置到工件表面的水声距为d。根据设定的探头X方向移动步距Δx，控制扫查架在X/Z平面内沿X轴方向运动，实现超声B扫查，由计算机实时将每个检测点位置的超声回波信号进行保存，记为e(t,s,α_-3)，扫查完成后，控制探头自动回到起始位置O。

(4)调整A轴使探头入射角为-6°，调整X/Z轴使探头中心位置到工件表面的水声距为d。根据设定的探头X方向移动步距Δx，控制扫查架在X/Z平面内沿X轴方向运动，实现超声B扫查，由计算机实时将每个检测点位置的超声回波信号进行保存，记为e(t,s,α_-2)，扫查完成后，控制探头自动回到起始位置O。

(5)类似地，依次可以获得e(t,s,α_-1)，e(t,s,α₀)，e(t,s,α₁)，e(t,s,α₂)，e(t,s,α₃)。

步骤三、角域信号渡越时间及位置偏移计算

如图2所示，设水中和工件中的声速分别为c₁、c₂，当入射角为α，水声距为d时，根据斯涅尔折射定律得到声束在两层介质中的传播路径，入射角α和折射角β的关系为sinα/sinβ＝c₁/c₂，由此计算出声束折射角β。再依据三角几何函数关系计算出声束在水中传播距离r₁＝d/cosα，以及声束在工件中传播距离r₂＝(z-d)/cosβ。因此，计算出声束由探头中心传播到工件内的C(x,z)点的渡越时间为

t＝2r₁/c₁+2r₂/c₂，即

t＝2d/(c₁cosα)+2(z-d)/(c₂cos(arcsin(c₂sinα/c₁)))。(1)

且从图2可知，s₁＝s+dtanα，x＝s₁+(z-d)tanβ，由此建立工件内的C(x,z)点与扫查控制的探头入射点P(s,0)在X方向上的位置关系为：

x＝s+dtanα+(z-d)tan(arcsin(c₂sinα/c₁))。(2)

步骤四、角域信号重构

提取整个角域超声B扫查回波数据，首先对其进行过滤降噪处理，然后采用Hilbert变换法对过滤后回波数据进行包络计算，对应入射点P(s,0)包络后的回波信号记为s_env(t,s,α)，即s_env(t,s,α)＝Hibert(s(t,s,α))。

再根据式(1)、(2)可将s_env(t,s,α)转化到对应工件坐标系(x,z)的B扫查数据B(x,z,α)。

即转化算法为：

B(x,z,α)＝s_env(2d/(c₁cosα)+2(z-d)/(c₂cos(arcsin(c₂sinα/c₁))),

x-[dtanα+(z-d)tan(arcsin(c₂sinα/c₁))],α)

最后进行角域信号重构，重构算法为：

$B(x,z)=\underset{i=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}B(x,z,{\mathrm{\α}}_i).$

如图5所示，本实例所测工件中有16个直径为0.5mm的小孔。采用中心频率为2.25MHz，晶片直径为10mm的A306S-SU型超声探头，分别采用本发明方法及传统水浸超声检测法对小孔缺陷进行B扫成像。采用本发明的方法得到重构后的B扫灰度图如图6所示，进行二值化处理后如图7所示；采用传统水浸超声检测法得到的B扫灰度图如图8所示，进行二值化处理后如图9所示。比较图6和图8，或比较图7和图9，可见采用本发明方法可明显提高微小缺陷的成像分辨率。

Claims (5)

1.一种基于角域信号重构的水浸超声检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：构建角域水浸自动超声检测装置，所述的装置包括将工件固定在其中的水槽，对工件进行超声检测的可X/Y/Z/A四轴运动的超声扫查装置以及处理超声数据的数据处理装置；

步骤二：对工件进行角域B扫查及角域信号采集，首先将工件置于水槽中，调整超声自动扫查装置的超声探头并使探头中心轴线与工件表面法线方向重合，并使探头中心距离工件表面距离为d，以此时探头中心作为原点O建立检测坐标系XOZ，然后根据在水中入射到工件的第一临界角，确定探头中心轴线与工件表面法线的夹角即入射角取值范围，根据成像分辨率需求及扫查装置控制精度确定探头X轴方向移动步距，然后探头由原点起对工件进行多次B扫查，每次均以入射角取值范围内即角域的不同入射角角度进行B扫查，并采集角域超声B扫查回波数据；

步骤三：计算角域信号渡越时间及位置偏移，首先由已知的或采用超声脉冲反射法测量得到的水中及待测工件中的声速，并根据斯涅尔折射定律计算得到声束在水及工件中的传播路径、声束折射角、声束在水中传播距离、声束在工件中传播距离，由此得到声束由探头中心传播到工件内成像点的渡越时间计算公式，最后根据检测坐标系内探头和工件几何位置关系及声束传播路径，得到工件内成像点与超声探头中心在X方向上的位置关系即位置偏移量计算公式；

步骤四：角域信号重构B成像，首先提取步骤二中得到的角域超声B扫查回波数据，采用Hilbert变换法对回波数据进行包络，然后根据步骤三中得到的渡越时间计算公式和位置偏移量计算公式，将回波数据转换为对应工件内的B扫查数据，最后进行角域信号重构，完成角域重构后的超声B扫查成像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤一中，所述的装置中，超声扫查装置包括水槽、X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架、超声换能器和运动控制装置，所述的数据处理装置包括超声脉冲发生接收仪、高频数据数据采集卡和工控机，所述的X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架设置于水槽上方，超声换能器安装在X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架上并由X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架驱动沿X/Y/Z轴运动及绕A轴旋转，所述的运动控制装置的输出端连接X/Y/Z/A四轴水浸超声自动扫查架的控制端，输入端连接工控机，超声脉冲发生接收仪接收超声换能器发出的信号并通过高频数据数据采集卡发送至工控机。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤二中，对工件进行角域B扫查及角域信号采集的步骤包括：

步骤1：将已知材料声学特性和几何结构参数的工件水平放置于水槽内，同时通过调整探头位姿，使得探头中心轴线与工件表面法线方向重合，此时探头中心轴线与工件表面法线的夹角即入射角α₀＝0⁰。通过超声测距法获取探头中心到工件表面垂直距离即水声距，调整Z轴运动使得水声距达到合适值d，d值由探头型号及工件Z方向厚度确定，以工件检测起点处对应的探头中心为原点O，建立检测坐标系XOZ；

步骤2：根据声束在水中入射到工件的第一临界角，确定探头中心轴线与工件表面法线的夹角取值范围[-α_max,α_max]，其中α_max小于第一临界角，将α_max划分为2n个等份，即选取2n+1个角度位置：α_-n,α_-n+1,…,α₀,…,α_n-1,α_n，确定B扫查的探头X方向移动步距Δx；Δx根据工件内缺陷大小及成像需求确定。

步骤3：以α_-n角度进行B扫查，调整A轴使探头中心轴线与工件表面法线成α_-n角度，即入射角为α_-n，并将超声探头中心调整到起始位置O，即调整X、Z轴使得探头中心P点即入射点与检测坐标系O点重合，并使入射点P到工件表面的水声距为d，根据设定的探头X方向移动步距Δx，控制扫查架在XZ平面内沿X方向运动，实现超声B扫查，由计算机实时将每个步距Δx所形成的检测点位置的超声回波信号进行保存，记为e(t,s,α_-n)，扫查完成后，控制探头回到起始位置O并继续进行入射角为α_-n+1的扫查，即依次获得e(t,s,α_-n+2)，…，e(t,s,α₀)，…，e(t,s,α_n)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤三中，计算角域信号渡越时间及位置偏移的步骤包括：

设水中和工件中的声速分别为c₁、c₂，当入射角为α，水声距为d时，根据斯涅尔折射定律得到声束在水及工件两层介质中的传播路径，入射角α和折射角β的关系为sinα/sinβ＝c₁/c₂，由此计算出声束折射角β，再依据三角几何函数关系计算出声束在水中传播距离r₁＝d/cosα，以及声束在工件中传播距离r₂＝(z-d)/cosβ，计算出声束由探头中心传播到工件内的C(x,z)点的渡越时间为

t＝2r₁/c₁+2r₂/c₂，即

t＝2d/(c₁cosα)+2(z-d)/(c₂cos(arcsin(c₂sinα/c₁)))(1)

同时s₁＝s+dtanα，x＝s₁+(z-d)tanβ，由此建立工件内的C(x,z)点与扫查控制的探头入射点P(s,0)在X方向上的位置关系为：

x＝s+dtanα+(z-d)tan(arcsin(c₂sinα/c₁))(2)。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的步骤四中，角域信号重构的步骤包括：

提取步骤二中得到的整个角域超声B扫查回波数据，采用Hilbert变换法对过滤后回波数据进行包络计算，对应入射点P(s,0)包络后的回波信号记为s_env(t,s,α)，即s_env(t,s,α)＝Hibert(s(t,s,α))，

再根据式(1)、(2)将s_env(t,s,α)转化到对应工件坐标系(x,z)的B扫查数据B(x,z,α)，

即转化算法为：

B(x,z,α)＝s_env(2d/(c₁cosα)+2(z-d)/(c₂cos(arcsin(c₂sinα/c₁))),

x-[dtanα+(z-d)tan(arcsin(c₂sinα/c₁))],α)

最后进行角域信号重构，并利用重构后数据进行B扫查成像，重构算法为：