CN106093205B - 一种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法，属于无损检测技术领域。该方法采用一套包括相控阵超声探伤仪、相控阵超声探头和倾斜有机玻璃楔块的超声检测系统，利用相控阵电子扫查功能对厚壁结构试块进行检测，获得各相控阵阵元的A扫描信号集合。利用费马定理求解各相控阵阵元与图像重建点在楔块/试块界面处的出射点位置，并对各A扫描信号进行时间延迟和幅值叠加处理。对处理后的A扫描信号进行希尔伯特变换，利用差值函数获得重建后的超声检测B扫描图像。该方法的缺陷检测分辨力高，检测范围大，可提高检测效率，为厚壁结构缺陷的无损检测问题提供有效解决方法。该方法还可嵌入到探伤仪中，实现自动实时成像，具有较高的工程应用价值。

Description

一种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法，其属于无损检测技术领域。

背景技术

厚壁结构被广泛应用于核电、石油、化工和电力等多个行业，如核工程主管道多为厚度60mm以上厚壁结构。这些结构往往长期处于高温、高压、高辐射、强腐蚀等恶劣服役环境，容易产生缺陷，使得其安全性能备受关注。超声检测技术以其原理简单、检测结果直观、环保安全等特点而被应用于厚壁结构缺陷的无损检测。然而，超声声束具有扩散性，厚壁结构中的传播声程增加将导致声束扩散加剧，同时能量衰减增大，造成检测分辨力和缺陷检出能力降低。此外，为保证不同深度声束能量的有效覆盖，常规超声检测时需采用不同角度探头分层多次扫查，该技术操作繁琐，检测效率低。

为解决上述问题，国内外学者采用超声信号及图像处理技术，如合成孔径聚焦技术(Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT)，改善成像质量，提高厚壁结构缺陷无损检测能力。然而，传统SAFT为垂直入射，当相控阵超声探头置于缺陷正上方时，如果同一位置不同深度存在多个缺陷，则上方缺陷会对下方缺陷形成遮挡，造成漏检；当相控阵超声探头偏置于缺陷时，检测时实际利用的是超声旁瓣声束，声束能量低，且检测分辨力差，导致有效检测范围减小，检测能力降低，无法获得高质量的成像结果。

发明内容

本发明提供一种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法。其目的是针对厚壁结构中常规超声检测能量衰减大，且难以一次性实现大范围、高分辨力扫查的问题，利用相控阵电子扫查功能并配合倾斜有机玻璃楔块获得斜入射超声信号，基于费马定理和SAFT原理对信号进行时间延迟和幅值叠加处理，进而获得大范围、高分辨力的超声检测B扫描图像。

本发明采用的技术方案是：一种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法，采用由相控阵超声探伤仪、相控阵超声探头和倾斜有机玻璃楔块组成的超声检测系统，利用相控阵电子扫查功能对厚壁结构试块进行A扫描信号采集，根据费马定理求解超声波在楔块/试块界面处的出射点位置，对A扫描信号进行时间延迟和幅值叠加处理并进行希尔伯特变换，利用差值函数实现图像重建，从而获得具有高检测分辨力和大扫查范围的超声检测B扫描图像，所述方法采用下列步骤：

(a)相控阵超声检测参数确定

根据被检厚壁结构试块的材料、几何尺寸及被检测范围选取合适的超声检测参数，主要包括相控阵超声探头频率、相控阵超声探头孔径、相控阵阵元间距、子孔径、楔块斜楔角、楔块第一晶片高度、楔块前沿位置、采样频率、电子扫查步进；

(b)超声信号数据集获取

采用步骤(a)中确定的超声检测参数，利用相控阵电子扫查功能对厚壁结构试块进行检测，获得N个A扫描信号构成的数据集，并通过探伤仪A/D转换器将其导出，其中N为晶片总数；

(c)被检测区域网格划分及坐标系建立

将被检区域划分成m×n个矩形网格，其网格节点即为各图像重建点，以楔块尖端位置为坐标原点，楔块与试块界面为x轴，楔块前沿方向为x轴正向，试块深度方向为y轴正向建立坐标系，确定各相控阵阵元及图像重建点的坐标位置；

(d)基于费马定理求解出射点位置

设图像重建点坐标为(x₂,y₂)，第i个相控阵阵元坐标为(x_1i,y_1i)，根据费马定理求解各相控阵阵元与图像重建点之间的超声波最短传播路径，并在楔块/试块界面获得出射点坐标位置(x_0i,0)，其中i∈[1,N]，根据几何关系得楔块中声程S_wi及试块中的声场S：

则出射点横坐标x_0i由公式(3)求得：

其中c_w为楔块声速，c为试块声速；

(e)时间延迟计算

基于合成孔径聚焦成像原理，根据超声传播路径的几何关系计算得到第i个相控阵阵元到图像重建点的超声往返传播时间τ_i为：

将公式(1)和(2)代入公式(4)中后，声传播时间改写为：

各图像重建点距离楔块/试块界面的最短声时表达式为：

则时间延迟量为：

(f)超声图像重建

根据上述步骤对每组相控阵阵元/图像重建点对应的时间延迟进行计算，并逐点对信号施加时间延迟和幅值叠加处理，得到各点的合成信号为：

式中，I(m,n)为成像区域内网格点(m,n)的叠加幅值，f_i为第i个相控阵阵元获得的A扫描信号；

对合成信号进行希尔伯特变换进一步提高成像质量，希尔伯特变换后的各点合成信号为：

最后，对变换后的合成信号进行归一化处理，并通过差值函数实现超声检测B扫描图像的重建。

本发明的有益效果是：这种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法利用倾斜的有机玻璃楔块使超声波经过折射后倾斜入射到被检试块中，声束主瓣能量覆盖范围大，有效扩大检测范围；利用相控阵电子扫查功能可一次性获取大范围检测数据，提高了缺陷检测效率；基于SAFT原理对采集信号进行处理并重建图像，利用小孔径探头合成高分辨力图像，为厚壁结构缺陷的无损检测问题提供有效解决方法。同时，该方法可操作性强，并可嵌入到探伤仪中，实现自动实时成像，具有较高的工程应用和推广价值。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。

图1是本发明采用的超声检测系统示意图。

图2是带横通孔缺陷的厚壁结构试块及缺陷示意图。

图3斜入射SAFT坐标系及相控阵阵元与图像重建点相对位置示意图。

图4是厚壁结构试块中横通孔缺陷的斜入射SAFT重建图像。

具体实施方式

基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法，采用的超声检测系统如图1所示，其中包括相控阵超声检测仪、相控阵超声探头、倾斜有机玻璃楔块等。具体检测及处理步骤如下：

(a)选取壁厚100mm的碳钢试块，试块尺寸为100mm×300mm×40mm，横波声速为3240m/s，试块中分别加工了深度为30mm和70mm的Φ3mm横通孔，如图2所示。

(b)利用M2M Multi X++数字探伤仪，采用相控阵超声探头对试块中的横通孔缺陷进行电子扫查，初步根据缺陷的位置和深度。其中，相控阵超声探头中心频率为5MHz、相控阵超声探头孔径为38.4mm×10mm、相控阵阵元间距为0.6mm、子孔径为2.4mm×10mm、楔块倾斜角为36°、楔块第一晶片高度为11.03mm、楔块前沿位置为50mm、采样频率为50MHz、电子扫查步进为0.6mm。

(c)采用步骤(b)中确定的超声检测参数，利用相控阵电子扫查功能对厚壁结构试块进行检测，获得N个A扫描描信号构成的数据集，并通过探伤仪A/D转换器以.txt文件形式将其导出。

(d)如图3所示，建立直角坐标系，并将检测区域划分成m×n个矩形网格，确定各相控阵阵元及图像重建点的坐标位置值。基于费马定理进行出射点位置求解，其中所用楔块声速c_w＝2330m/s，试块横波声速c＝3240m/s。

(e)基于SAFT成像原理，根据超声传播的几何关系计算第i个相控阵阵元到各图像重建点的时间延迟量，并逐点施加时间延迟和幅值叠加处理，得到各点的合成信号。最后对合成的A扫描信号进行希尔伯特变换，并通过差值函数实现超声检测B扫描图像重建。图4为厚壁结构试块中横通孔缺陷的斜入射SAFT重建图像，由图可见，两个横通孔缺陷的成像效果良好，缺陷检测分辨力较高，且成像幅值较为接近。统计可得，深度30mm和70mm的Φ3mm横通孔缺陷的-6dB水平宽度分别为2.01mm和1.80mm，表明该方法具有较高的横向分辨力。以图像中最大幅值为0dB进行归一化处理，两个缺陷的最大回波幅值分别为-3.24dB和0dB，幅值相近。两个缺陷的深度定位结果分别为29.9mm和69.7mm，定位误差分别为0.1mm和0.3mm，满足工程需求。

Claims (1)

1.一种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法，其特征是：采用一套包括相控阵超声探伤仪、相控阵超声探头和倾斜有机玻璃楔块的超声检测系统，利用相控阵电子扫查功能对厚壁结构试块进行A扫描信号采集，根据费马定理求解超声波在楔块/试块界面处的出射点位置，对A扫描信号进行时间延迟和幅值叠加处理并进行希尔伯特变换，利用差值函数实现图像重建，从而获得具有高检测分辨力和大扫查范围的超声检测B扫描图像，所述方法采用下列步骤：

(a)相控阵超声检测参数确定

根据被检厚壁结构试块的材料、几何尺寸及被检测范围选取合适的超声检测参数，主要包括相控阵超声探头频率、相控阵超声探头孔径、相控阵阵元间距、子孔径、楔块斜楔角、楔块第一晶片高度、楔块前沿位置、采样频率、电子扫查步进；

(b)超声信号数据集获取

采用步骤(a)中确定的超声检测参数，利用相控阵电子扫查功能对厚壁结构试块进行检测，获得N个A扫描信号构成的数据集，并通过探伤仪A/D转换器将其导出，其中N为晶片总数；

(c)被检测区域网格划分及坐标系建立

将被检区域划分成m×n个矩形网格，其网格节点即为各图像重建点，以楔块尖端位置为坐标原点，楔块与试块界面为x轴，楔块前沿方向为x轴正向，试块深度方向为y轴正向建立坐标系，确定各相控阵阵元及图像重建点的坐标位置；

(d)基于费马定理求解出射点位置

设图像重建点坐标为(x₂,y₂)，第i个相控阵阵元坐标为(x_1i,y_1i)，根据费马定理求解各相控阵阵元与图像重建点之间的超声波最短传播路径，并在楔块/试块界面获得出射点坐标位置(x_0i,0)，其中i∈[1,N]，根据几何关系得楔块中声程S_wi及试块中的声场S：

则出射点横坐标x_0i由公式(3)求得：

其中c_w为楔块声速，c为试块声速；

(e)时间延迟计算

基于合成孔径聚焦成像原理，根据超声传播路径的几何关系计算得到第i个相控阵阵元到图像重建点的超声往返传播时间τ_i为：

将公式(1)和(2)代入公式(4)中后，声传播时间改写为：

各图像重建点距离楔块/试块界面的最短声时表达式为：

则时间延迟量为：

(f)超声图像重建

根据上述步骤对每组相控阵阵元/图像重建点对应的时间延迟进行计算，并逐点对信号施加时间延迟和幅值叠加处理，得到各点的合成信号为：

式中，I(m,n)为成像区域内网格点(m,n)的叠加幅值，f_i为第i个相控阵阵元获得的A扫描信号；

对合成信号进行希尔伯特变换进一步提高成像质量，希尔伯特变换后的各点合成信号为：

最后，对变换后的合成信号进行归一化处理，并通过差值函数实现超声检测B扫描图像的重建。