CN106950283A - 金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法和装置，其中，方法包括：将全向磁声换能器均匀布置在待测金属板检测区域内；根据缺陷导波散射信号的幅值和走时计算散射点位置，并将其坐标数据进行三次平滑样条插值形成缺陷轮廓曲线；计算缺陷轮廓曲线上各点的曲率；比较各点曲率与结构调整曲率阈值的大小，并确定磁声阵列调整区域；根据磁声阵列调整区域进行磁声阵列结构调整，并再次计算缺陷轮廓曲线；将两次导波散射缺陷轮廓曲线进行数据融合，形成待检测金属板的缺陷轮廓图像。由此，能够针对不同缺陷轮廓特征对磁声阵列结构进行优化调整，使得缺陷轮廓成像过程更具有针对性，操作便捷，提高了对实际复杂缺陷轮廓的成像效率。

Description

金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法和装置

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法和装置。

背景技术

通常，在金属板构件检测工程中，大多只能判断缺陷的有无并确定其位置。另外，通过获得金属板构件缺陷的尺寸乃至轮廓形状等定量化的信息作为评价金属板结构健康状况、指导其维修和维护工作的重要依据。

随着对金属板构件安全的要求日益严格，对金属板构件的检测已不能满足于常规的判断缺陷有无及获得缺陷当量尺寸层面，缺陷定量描述必须向缺陷轮廓形状描述、缺陷高精度成像、缺陷检测结果可视化方向发展。

相关技术中，超声导波具有衰减小、传播距离远、声场100％覆盖构件厚度、易于调节导波模态等特点，采用全向磁声换能器从多角度对换能器阵列所包围区域进行导波检测，能够为缺陷的高精度成像提供更为丰富、准确的缺陷信息。

然而，当导波遇到缺陷发生较强程度的散射时，散射的影响和作用占主导地位，散射作用会使传统导波成像方法重建的缺陷图像中产生较多赝像，造成检测盲区，严重影响了金属材料结构件的缺陷定位及成像精度。此外，特定规则形状的传感器阵列几何结构与实际缺陷多种多样的散射特征间存在严重不匹配，特定的传感器阵列几何结构只对特定散射特征的缺陷具有最佳匹配度和灵敏度，实际缺陷形状及其散射特征多种多样，传统特定几何结构的阵列检测方法无法对各种散射特征的缺陷都保持较高的灵敏度，因此对实际缺陷的成像检测精度十分受限。

目前，用于检测的阵列结构相对固定和规则，对换能器阵列结构与缺陷成像精度间关系的研究不足，尚未有对换能器阵列几何拓扑结构进行动态调整和性能最优化的研究。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法，该方法能够针对不同缺陷轮廓特征对磁声阵列结构进行优化调整，使得缺陷轮廓成像过程更具有针对性，以及能够对金属板的实际复杂缺陷进行高精度轮廓成像，操作便捷，提高了对实际复杂缺陷轮廓的成像效率。

本发明的第二个目的在于提出一种金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整装置。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法，包括：将N个全向磁声换能器均匀布置在待检测金属板检测区域内，其中，每个全向磁声换能器作为全向发射磁声换能器按照一定顺序激发全向超声导波，并在所述待检测金属板中有超声导波时作为全向接收磁声换能器全向接收缺陷导波散射信号；根据所述缺陷导波散射信号的幅值和走时计算散射点位置，并将所述散射点位置的坐标数据进行三次平滑样条插值形成缺陷轮廓曲线；在平面极坐标系中，通过求解缺陷轮廓曲线插值函数的一阶和二阶导数计算在所述缺陷轮廓曲线上的各个点的曲率；通过所述各个点的曲率与预设的结构调整曲率阈值比较确定磁声阵列调整区域，并根据所述磁声阵列调整区域对所述磁声阵列结构进行调整，再次计算所述缺陷导波散射信号的缺陷轮廓曲线；将两条缺陷轮廓曲线进行数据融合，形成所述待检测金属板的缺陷轮廓图像。

本发明实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法，通过全向磁声换能器进行导波的激发和接收，利用导波信号走时和信号强度求解散射点位置并建立缺陷轮廓曲线，通过计算缺陷轮廓曲线上各点曲率求解阵列调整区域，对磁声阵列结构进行优化调整，融合调整前后缺陷轮廓曲线数据，形成复杂缺陷轮廓的高精度图像，计算准确、高效、快速，能够针对不同轮廓类型的缺陷进行磁声阵列结构优化调整，解决了特定规则形状的传感器阵列几何结构与实际缺陷多种多样的散射特征间存在严重不匹配的问题，提高了复杂缺陷轮廓成像精度。

另外，根据本发明上述实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法还可以具有如下附加的技术特征：

可选地，所述根据所述缺陷导波散射信号的幅值和走时计算散射点位置，并将所述散射点位置的坐标数据进行三次平滑样条插值形成缺陷轮廓曲线，包括：所述缺陷导波散射信号的实测走时为t_r，所述缺陷导波散射信号在金属板中的传播速度为v，建立平面极坐标系，所述全向发射磁声换能器的位置为T，所述全向接收磁声换能器的位置为R，计算所述散射点位置的公式为：

其中，A为在全向发射磁声换能器T处激发全向超声导波的信号强度，a_s为超声导波发生散射时信号强度的散射衰减系数，A_RS为全向接收磁声换能器位置R处接收到的缺陷导波散射信号强度；

对于获得的S个散射点，其中，S为正整数，散射点极坐标位置为P_i(θ_i，r_i)，其中i＝1,2，…，S，将散射点极坐标数据进行三次平滑样条插值，形成缺陷轮廓曲线及函数PC(θ_j，r_j)：

PC(θ_j,r_j)＝CSplineI[P_i(θ_i,r_i)]

其中，j＝1,2，…，S1，S1为正整数，表示所述缺陷轮廓曲线上的总点数。CSplineI为对散射点极坐标P_i(θ_i，r_i)进行三次平滑样条插值的函数。

可选地，所述在平面极坐标系中，通过求解缺陷轮廓曲线插值函数的一阶和二阶导数计算在所述缺陷轮廓曲线上的各个点的曲率，包括：

所述缺陷轮廓曲线上任一点为P_Cj(θ_j，r_j)，曲率C_j(θ_j，r_j)计算方法为：

可选地，所述通过所述各个点的曲率与预设的结构调整曲率阈值比较确定磁声阵列调整区域，并根据所述磁声阵列调整区域对所述磁声阵列结构进行调整，包括：所述磁声阵列结构调整区域R(θ)的求解公式为R(θ)＝arg{θ_j}s.t.C_j(θ_j)>C_TH，其中，C_TH为预设结构调整曲率阈值；基于所述磁声阵列结构调整区域R(θ)，在原磁声阵列基本结构的基础上，位于原磁声阵列基本结构调整区域之外的部分，不再布置磁声换能器；对于所述磁声阵列结构调整区域R(θ)，增大磁声阵列调整区域R(θ)内的磁声换能器数量密度，减小相邻磁声换能器间距。

可选地，所述将两条缺陷轮廓曲线进行数据融合，形成所述待检测金属板的缺陷轮廓图像，包括：在平面极坐标系中，再次计算得到的缺陷轮廓曲线及函数为PC(θ_k，r_k)，所述缺陷轮廓曲线上的点表示为P_Ck(θ_k，r_k)，其中k＝1,2，…，K，K为正整数，表示阵列调整后计算得到的缺陷轮廓曲线上的总点数，对阵列结构调整前后的导波散射缺陷轮廓曲线进行数据融合的公式为：

其中，PC_F(θ_m，r_m)为数据融合后的缺陷轮廓曲线及其上各点的集合，m＝1,2，…，M，M为正整数，表示数据融合后缺陷轮廓曲线上的总点数。

为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整装置，包括：布置模块，用于将N个全向磁声换能器均匀布置在待检测金属板检测区域内，其中，每个全向磁声换能器作为全向发射磁声换能器按照一定顺序激发全向超声导波，并在所述待检测金属板中有超声导波时作为全向接收磁声换能器全向接收缺陷导波散射信号；第一处理模块，用于根据所述缺陷导波散射信号的幅值和走时计算散射点位置，并将所述散射点位置的坐标数据进行三次平滑样条插值形成缺陷轮廓曲线；计算模块，用于在平面极坐标系中，通过求解缺陷轮廓曲线插值函数的一阶和二阶导数计算在所述缺陷轮廓曲线上的各个点的曲率；第二处理模块，用于通过所述各个点的曲率与预设的结构调整曲率阈值比较确定磁声阵列调整区域，并根据所述磁声阵列调整区域对所述磁声阵列结构进行调整，再次计算所述缺陷导波散射信号的缺陷轮廓曲线；融合模块，用于将两条缺陷轮廓曲线进行数据融合，形成所述待检测金属板的缺陷轮廓图像。

本发明实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整装置，通过全向磁声换能器进行导波的激发和接收，利用导波信号走时和信号强度求解散射点位置并建立缺陷轮廓曲线，通过计算缺陷轮廓曲线上各点曲率求解阵列调整区域，对磁声阵列结构进行优化调整，融合调整前后缺陷轮廓曲线数据，形成复杂缺陷轮廓的高精度图像，计算准确、高效、快速，能够针对不同轮廓类型的缺陷进行磁声阵列结构优化调整，解决了特定规则形状的传感器阵列几何结构与实际缺陷多种多样的散射特征间存在严重不匹配的问题，提高了复杂缺陷轮廓成像精度。

另外，根据本发明上述实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整装置还可以具有如下附加的技术特征：

可选地，所述计算模块用于：所述缺陷轮廓曲线上任一点为P_Cj(θ_j，r_j)，曲率C_j(θ_j，r_j)计算方法为：

可选地，所述第二处理模块用于：所述磁声阵列结构调整区域R(θ)的求解公式为R(θ)＝arg{θ_j}s.t.C_j(θ_j)>C_TH，其中，C_TH为预设结构调整曲率阈值；基于所述磁声阵列结构调整区域R(θ)，在原磁声阵列基本结构的基础上，位于原磁声阵列基本结构调整区域之外的部分，不再布置磁声换能器；对于所述磁声阵列结构调整区域R(θ)，增大磁声阵列调整区域R(θ)内的磁声换能器数量密度，减小相邻磁声换能器间距。

可选地，所述融合模块用于：在平面极坐标系中，再次计算得到的缺陷轮廓曲线及函数为PC(θ_k，r_k)，所述缺陷轮廓曲线上的点表示为P_Ck(θ_k，r_k)，其中k＝1,2，…，K，K为正整数，表示阵列调整后计算得到的缺陷轮廓曲线上的总点数，对阵列结构调整前后的导波散射缺陷轮廓曲线进行数据融合的公式为： 其中，PC_F(θ_m，r_m)为数据融合后的缺陷轮廓曲线及其上各点的集合，m＝1,2，…，M，M为正整数，表示数据融合后缺陷轮廓曲线上的总点数。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的磁声阵列结构调整示意图；

图3为根据本发明一个实施例的金属板缺陷轮廓成像结果图；

图4为根据本发明另一个实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法的流程图；

图5为根据本发明一个实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法和装置。

目前，对金属板构件安全的要求越来要严格即向缺陷轮廓形状描述、缺陷高精度成像、缺陷检测结果可视化方向发展。

相关技术中，超声导波具有衰减小、传播距离远、声场100％覆盖构件厚度、易于调节导波模态等特点，采用全向磁声换能器从多角度对换能器阵列所包围区域进行导波检测，能够为缺陷的高精度成像提供更为丰富、准确的缺陷信息。

然而，通过特定规则形状的传感器阵列几何结构与实际缺陷多种多样的散射特征间存在严重不匹配，特定的传感器阵列几何结构只对特定散射特征的缺陷具有最佳匹配度和灵敏度，实际缺陷形状及其散射特征多种多样，传统特定几何结构的阵列检测方法无法对各种散射特征的缺陷都保持较高的灵敏度，因此对实际缺陷的成像检测精度十分受限。

为了解决上述问题，本发明提出一种金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法，能够对磁声阵列结构进行优化调整，还可以形成复杂缺陷轮廓的高精度图像，计算准确、高效、快速，能够针对不同轮廓类型的缺陷进行磁声阵列结构优化调整，解决了特定规则形状的传感器阵列几何结构与实际缺陷多种多样的散射特征间存在严重不匹配的问题，提高了复杂缺陷轮廓成像精度。具体如下：

图1为根据本发明一个实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法的流程图。

如图1所示，该金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法包括以下步骤：

步骤11，将N个全向磁声换能器均匀布置在待检测金属板检测区域内，其中，每个全向磁声换能器作为全向发射磁声换能器按照一定顺序激发全向超声导波，并在待检测金属板中有超声导波时作为全向接收磁声换能器全向接收缺陷导波散射信号。

具体地，N个全向磁声换能器可以以任何形式只要均匀布置在待检测金属板检测区域内即可。比如以圆形阵列形式均匀布置。

可以理解的是，每个全向磁声换能器在待检测金属板检测区域内按照一定顺序激发全向超声导波，由此，可以选择从第n个全向磁声换能器作为全向发射磁声换能器激发全向超声导波。还可以理解的是，每个全向磁声换能器在待检测金属板检测区域内当有超声导波时作为全向接收磁声换能器全向接收缺陷导波散射信号。即每个全向磁声换能器都具有激发全向超声导波和全向接收缺陷导波散射信号的双重功能。

作为一种可能的实现方式，A、B和C三个全向磁声换能器，首先A作为激励磁声换能器激发全向超声导波，B和C作为全向接收磁声换能器全向接收缺陷导波散射信号；然后B作为激励磁声换能器激发全向超声导波，A和C作为全向接收磁声换能器全向接收缺陷导波散射信号；最后是C作为激励磁声换能器激发全向超声导波，A和B作为全向接收磁声换能器全向接收缺陷导波散射信号。

需要说明的是，上述按照一定顺序为ABC激发全向超声导波，但不限于上述方式，还可以是BAC、CAB等等一定顺序激发全向超声波。

需要说明的是，全向磁声换能器主要由通入交变电流的饼型圆周密绕线圈、沿圆周方向顶磁化的开口镍带圆环以及全向磁声换能器下待检测金属板自身组成。

举例而言，采用16个全向磁声换能器即全向发射/接收EMAT，以圆形阵列形式均匀布置在待测钢板检测区域周围。钢板厚度为4mm，全向发射/接收EMAT直径为35mm，该圆形磁声阵列的直径为54cm。

步骤12，根据缺陷导波散射信号的幅值和走时计算散射点位置，并将散射点位置的坐标数据进行三次平滑样条插值形成缺陷轮廓曲线。

具体地，缺陷导波散射信号的实测走时为t_r，缺陷导波散射信号在金属板中的传播速度为v，建立平面极坐标系，全向发射磁声换能器的位置为T，全向接收磁声换能器的位置为R，计算散射点位置的公式(1)和(2)为：

其中，A为在全向发射磁声换能器T处激发全向超声导波的信号强度，a_s为超声导波发生散射时信号强度的散射衰减系数，A_RS为全向接收磁声换能器位置R处接收到的缺陷导波散射信号强度。

具体地，对于获得的S个散射点，其中，S为正整数，散射点极坐标位置为P_i(θ_i，r_i)，其中i＝1,2，…，S，将散射点极坐标数据进行三次平滑样条插值，形成缺陷轮廓曲线及函数PC(θ_j，r_j)：PC(θ_j,r_j)＝CSplineI[P_i(θ_i,r_i)]。

其中，j＝1,2，…，S1，S1为正整数，表示缺陷轮廓曲线上的总点数。CSplineI为对散射点极坐标P_i(θ_i，r_i)进行三次平滑样条插值的函数。

步骤13，在平面极坐标系中，通过求解缺陷轮廓曲线插值函数的一阶和二阶导数计算在缺陷轮廓曲线上的各个点的曲率。

具体地，获取缺陷轮廓曲线上的各个点的曲率的方式有很多种，比如预设的算法、预设公式等等，可以根据实际应用需要进行选择设置。在本示例中，可以通过公式，比如缺陷轮廓曲线上任一点为P_Cj(θ_j，r_j)，曲率C_j(θ_j，r_j)计算公式(3)为：

步骤14，通过各个点的曲率与预设的结构调整曲率阈值比较确定磁声阵列调整区域，并根据磁声阵列调整区域对磁声阵列结构进行调整，再次计算缺陷导波散射信号的缺陷轮廓曲线。

具体地，预先设置结构调整曲率阈值，其数值可以根据实际应用需要进行选择设置。可以理解的是，缺陷轮廓曲线上该点曲率是否超过预设的结构调整曲率阈值，若是，该点进入调整区域。如不是，需要判断缺陷轮廓曲线上是否所有点的曲率都已计算完成并与预设的结构调整曲率阈值进行了比较，若是，进入调整区域；若不是，缺陷轮廓曲线上该点进行改变即P_Cj(θ_j，r_j)变为P_Cj+1(θ_j+1，r_j+1)。

具体地，磁声阵列结构调整区域R(θ)的求解公式为R(θ)＝arg{θ_j}s.t.C_j(θ_j)>C_TH，其中，C_TH为预设结构调整曲率阈值。

具体地，基于磁声阵列结构调整区域R(θ)，在原磁声阵列基本结构的基础上，位于原磁声阵列基本结构调整区域之外的部分，不再布置磁声换能器；对于磁声阵列结构调整区域R(θ)，增大磁声阵列调整区域R(θ)内的磁声换能器数量密度，减小相邻磁声换能器间距。即将磁声换能器主要集中于阵列结构调整区域内部。图2为根据本发明一个实施例的磁声阵列结构调整示意图。如图2所示，可以看出调整后的磁声阵列结构不再均匀布置。

步骤15，将两条缺陷轮廓曲线进行数据融合，形成所述待检测金属板的缺陷轮廓图像。

具体地，在平面极坐标系中，再次计算得到的缺陷轮廓曲线及函数为PC(θ_k，r_k)，所述缺陷轮廓曲线上的点表示为P_Ck(θ_k，r_k)，其中k＝1,2，…，K，K为正整数，表示阵列调整后计算得到的缺陷轮廓曲线上的总点数，对阵列结构调整前后的导波散射缺陷轮廓曲线进行数据融合的公式(4)为：

其中，PC_F(θ_m，r_m)为数据融合后的缺陷轮廓曲线及其上各点的集合，m＝1,2，…，M，M为正整数，表示数据融合后缺陷轮廓曲线上的总点数。

图3为根据本发明一个实施例的金属板缺陷轮廓成像结果图。如图3所示，经数据融合后的缺陷轮廓曲线已非常接近此钢板缺陷的实际轮廓。通过本发明的方法对不同轮廓类型的缺陷进行磁声阵列结构的调整，检测效率高，针对性强，且可以获得缺陷的清晰轮廓图像。

综上所述，本发明实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法，通过全向磁声换能器进行导波的激发和接收，利用导波信号走时和信号强度求解散射点位置并建立缺陷轮廓曲线，通过计算缺陷轮廓曲线上各点曲率求解阵列调整区域，对磁声阵列结构进行优化调整，融合调整前后缺陷轮廓曲线数据，形成复杂缺陷轮廓的高精度图像，计算准确、高效、快速，能够针对不同轮廓类型的缺陷进行磁声阵列结构优化调整，解决了特定规则形状的传感器阵列几何结构与实际缺陷多种多样的散射特征间存在严重不匹配的问题，提高了复杂缺陷轮廓成像精度。

为了本领域人员更加清楚上述过程，下面结合图4更加具体描述本发明提出的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法。

图4为根据本发明另一个实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法的流程图。

如图4所示，该金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法包括以下步骤：

步骤21，采用12个全向磁声换能器(全向发射/接收EMAT)，以圆形阵列形式均匀布置在待测钢板检测区域内。钢板厚度为3mm，全向发射/接收EMAT直径为35mm，该圆形磁声阵列的直径为46cm。

步骤22，利用全向接收EMAT接收到的缺陷导波散射信号的幅值和走时，求解散射点位置P，对于全向接收EMAT接收到的某一超声导波检测信号，其实测走时为t_r，超声导波在金属板中的传播速度为v(3200m/s)，建立平面极坐标系，全向发射EMAT的位置为T，全向接收EMAT的位置为R，计算散射点位置的公式(1)和(2)为：

其中，A为在全向发射EMAT位置T处激发导波的信号强度，a_s为导波发生散射时信号强度的散射衰减系数，A_RS为全向接收EMAT位置R处接收到的散射波信号强度。

将散射点位置的坐标数据进行三次平滑样条插值，形成缺陷轮廓曲线。共得到S个散射点(S为正整数，本实施例为27)，其极坐标位置为P_i(θ_i，r_i)，其中i＝1,2，…，S，将散射点极坐标数据进行三次平滑样条插值，形成缺陷轮廓曲线及函数PC(θ_j，r_j)：PC(θ_j,r_j)＝CSplineI[P_i(θ_i,r_i)]。

其中，j＝1,2，…，S1，S1为正整数，表示缺陷轮廓曲线上的总点数(本实施例为1600)。CSplineI为对散射点极坐标P_i(θ_i，r_i)进行三次平滑样条插值的函数。

步骤23，通过求解缺陷轮廓曲线插值函数PC(θ_j，r_j)在某点的一阶和二阶导数计算缺陷轮廓曲线上该点的曲率，对于缺陷轮廓曲线上某一点P_Cj(θ_j，r_j)，曲率C_j(θ_j，r_j)计算公式(3)为：

步骤24，判断步骤23中缺陷轮廓曲线上该点曲率是否超过结构调整曲率阈值，若是，该点进入调整区域；若不是，进行步骤25。

步骤25，判断缺陷轮廓曲线上是否所有点的曲率都已计算完成并与预设的结构调整曲率阈值进行了比较，若是，进行步骤26；若不是，缺陷轮廓曲线上该点变为P_Cj+1(θ_j+1，r_j+1)，并返回步骤23。

S26：在平面极坐标系中，确定磁声阵列调整区域R(θ)，对磁声阵列结构进行优化调整，并再次计算缺陷轮廓曲线。

在平面极坐标系中，磁声阵列结构调整区域R(θ)的求解方法为R(θ)＝arg{θ_j}s.t.C_j(θ_j)>C_TH。

其中，C_TH为结构调整曲率阈值，本实施例可以为1.2。

对磁声阵列结构进行优化调整的方法为：基于求解出的磁声阵列结构调整区域R(θ)，在原磁声阵列基本结构的基础上，位于原磁声阵列基本结构调整区域之外的部分，不再布置磁声换能器；对于调整区域R(θ)，增大磁声阵列调整区域R(θ)内的磁声换能器数量密度，减小相邻磁声换能器间距，即将磁声换能器主要集中于阵列结构调整区域内部。

S27：将磁声阵列结构调整前后的导波散射缺陷轮廓曲线进行数据融合。在平面极坐标系中，阵列调整后计算得到的缺陷轮廓曲线及函数为PC(θ_k，r_k)，缺陷轮廓曲线上的点表示为P_Ck(θ_k，r_k)，其中k＝1,2，…，K，K为正整数，表示阵列调整后计算得到的缺陷轮廓曲线上的总点数(本实施例为1000点)，对阵列结构调整前后的导波散射缺陷轮廓曲线进行数据融合的公式(4)为：

其中，PC_F(θ_m，r_m)为数据融合后的缺陷轮廓曲线及其上各点的集合，m＝1,2，…，M，M为正整数，表示数据融合后缺陷轮廓曲线上的总点数(本实施例为2000点)。

另外，本发明实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

综上所述，本发明实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法，通过全向磁声换能器进行导波的激发和接收，利用导波信号走时和信号强度求解散射点位置并建立缺陷轮廓曲线，通过计算缺陷轮廓曲线上各点曲率求解阵列调整区域，对磁声阵列结构进行优化调整，融合调整前后缺陷轮廓曲线数据，形成复杂缺陷轮廓的高精度图像，计算准确、高效、快速，能够针对不同轮廓类型的缺陷进行磁声阵列结构优化调整，解决了特定规则形状的传感器阵列几何结构与实际缺陷多种多样的散射特征间存在严重不匹配的问题，提高了复杂缺陷轮廓成像精度。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整装置。

图5为根据本发明一个实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整装置的结构示意图。

如图5所示，该金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整装置包括：布置模块51、第一处理模块52、计算模块53、第二处理模块54和融合模块55。

其中，布置模块51用于将N个全向磁声换能器均匀布置在待检测金属板检测区域内，其中，每个全向磁声换能器作为全向发射磁声换能器按照一定顺序激发全向超声导波，并在待检测金属板中有超声导波时作为全向接收磁声换能器全向接收缺陷导波散射信号。

第一处理模块52用于根据缺陷导波散射信号的幅值和走时计算散射点位置，并将散射点位置的坐标数据进行三次平滑样条插值形成缺陷轮廓曲线。

计算模块53用于在平面极坐标系中，通过求解缺陷轮廓曲线插值函数的一阶和二阶导数计算在缺陷轮廓曲线上的各个点的曲率。

第二处理模块54用于通过各个点的曲率与预设的结构调整曲率阈值比较确定磁声阵列调整区域，并根据磁声阵列调整区域对磁声阵列结构进行调整，再次计算缺陷导波散射信号的缺陷轮廓曲线。

融合模块55用于将两条缺陷轮廓曲线进行数据融合，形成待检测金属板的缺陷轮廓图像。

在本发明的一个实施例中，第一处理模块52用于缺陷导波散射信号的实测走时为t_r，缺陷导波散射信号在金属板中的传播速度为v，建立平面极坐标系，全向发射磁声换能器的位置为T，全向接收磁声换能器的位置为R，计算散射点位置的公式为：

其中，A为在全向发射磁声换能器T处激发全向超声导波的信号强度，a_s为超声导波发生散射时信号强度的散射衰减系数，A_RS为全向接收磁声换能器位置R处接收到的缺陷导波散射信号强度。

对于获得的S个散射点，其中，S为正整数，散射点极坐标位置为P_i(θ_i，r_i)，其中i＝1,2，…，S，将散射点极坐标数据进行三次平滑样条插值，形成缺陷轮廓曲线及函数PC(θ_j，r_j)：

PC(θ_j,r_j)＝CSplineI[P_i(θ_i,r_i)]

其中，j＝1,2，…，S1，S1为正整数，表示缺陷轮廓曲线上的总点数。CSplineI为对散射点极坐标P_i(θ_i，r_i)进行三次平滑样条插值的函数。

在本发明的一个实施例中，计算模块53用于缺陷轮廓曲线上任一点为P_Cj(θ_j，r_j)，曲率C_j(θ_j，r_j)计算方法为：

在本发明的一个实施例中，第二处理模块54用于：磁声阵列结构调整区域R(θ)的求解公式为R(θ)＝arg{θ_j}s.t.C_j(θ_j)>C_TH，其中，C_TH为预设结构调整曲率阈值；基于磁声阵列结构调整区域R(θ)，在原磁声阵列基本结构的基础上，位于原磁声阵列基本结构调整区域之外的部分，不再布置磁声换能器；对于所述磁声阵列结构调整区域R(θ)，增大磁声阵列调整区域R(θ)内的磁声换能器数量密度，减小相邻磁声换能器间距。

在本发明的一个实施例中，融合模块55用于在平面极坐标系中，再次计算得到的缺陷轮廓曲线及函数为PC(θ_k，r_k)，缺陷轮廓曲线上的点表示为P_Ck(θ_k，r_k)，其中k＝1,2，…，K，K为正整数，表示阵列调整后计算得到的缺陷轮廓曲线上的总点数，对阵列结构调整前后的导波散射缺陷轮廓曲线进行数据融合的公式为： 其中，PC_F(θ_m，r_m)为数据融合后的缺陷轮廓曲线及其上各点的集合，m＝1,2，…，M，M为正整数，表示数据融合后缺陷轮廓曲线上的总点数。

需要说明的是，前述对金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法实施例的解释说明也适用于金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整装置，此处不再赘述。

综上所述，本发明实施例的金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整装置，通过全向磁声换能器进行导波的激发和接收，利用导波信号走时和信号强度求解散射点位置并建立缺陷轮廓曲线，通过计算缺陷轮廓曲线上各点曲率求解阵列调整区域，对磁声阵列结构进行优化调整，融合调整前后缺陷轮廓曲线数据，形成复杂缺陷轮廓的高精度图像，计算准确、高效、快速，能够针对不同轮廓类型的缺陷进行磁声阵列结构优化调整，解决了特定规则形状的传感器阵列几何结构与实际缺陷多种多样的散射特征间存在严重不匹配的问题，提高了复杂缺陷轮廓成像精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

将N个全向磁声换能器均匀布置在待检测金属板检测区域内，其中，每个全向磁声换能器作为全向发射磁声换能器按照一定顺序激发全向超声导波，并在所述待检测金属板中有超声导波时作为全向接收磁声换能器全向接收缺陷导波散射信号；

根据所述缺陷导波散射信号的幅值和走时计算散射点位置，并将所述散射点位置的坐标数据进行三次平滑样条插值形成缺陷轮廓曲线；

在平面极坐标系中，通过求解缺陷轮廓曲线插值函数的一阶和二阶导数计算在所述缺陷轮廓曲线上的各个点的曲率；

通过所述各个点的曲率与预设的结构调整曲率阈值比较确定磁声阵列调整区域，并根据所述磁声阵列调整区域对所述磁声阵列结构进行调整，再次计算所述缺陷导波散射信号的缺陷轮廓曲线；

将两条缺陷轮廓曲线进行数据融合，形成所述待检测金属板的缺陷轮廓图像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述缺陷导波散射信号的幅值和走时计算散射点位置，并将所述散射点位置的坐标数据进行三次平滑样条插值形成缺陷轮廓曲线，包括：

所述缺陷导波散射信号的实测走时为t_r，所述缺陷导波散射信号在金属板中的传播速度为v，建立平面极坐标系，所述全向发射磁声换能器的位置为T，所述全向接收磁声换能器的位置为R，计算所述散射点位置的公式为：

$\left|\stackrel{\→}{TP}\right|+\left|\stackrel{\→}{PR}\right|=v*t_r$

$A*\frac{1}{\sqrt{\left|\stackrel{\→}{TP}\right|}}*a_s*\frac{1}{\sqrt{\left|\stackrel{\→}{PR}\right|}}=A_{RS}$

其中，A为在全向发射磁声换能器T处激发全向超声导波的信号强度，a_s为超声导波发生散射时信号强度的散射衰减系数，A_RS为全向接收磁声换能器位置R处接收到的缺陷导波散射信号强度；

对于获得的S个散射点，其中，S为正整数，散射点极坐标位置为P_i(θ_i，r_i)，其中i＝1,2，…，S，将散射点极坐标数据进行三次平滑样条插值，形成缺陷轮廓曲线及函数PC(θ_j，r_j)：

PC(θ_j,r_j)＝CSplineI[P_i(θ_i,r_i)]

其中，j＝1,2，…，S1，S1为正整数，表示所述缺陷轮廓曲线上的总点数。CSplineI为对散射点极坐标P_i(θ_i，r_i)进行三次平滑样条插值的函数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在平面极坐标系中，通过求解缺陷轮廓曲线插值函数的一阶和二阶导数计算在所述缺陷轮廓曲线上的各个点的曲率，包括：

所述缺陷轮廓曲线上任一点为P_Cj(θ_j，r_j)，曲率C_j(θ_j，r_j)计算公式为：

$C_j({\mathrm{\θ}}_j,r_j)=\frac{|{r_j}^2+2*{\left(\frac{dr}{d\mathrm{\θ}}\right|{\mathrm{\θ}}_j)}^2-r_j*\left(\frac{d^{2}r}{{\mathrm{d\θ}}^2}\right|{\mathrm{\θ}}_j)|}{{\[{r_j}^2+{\left(\frac{dr}{d\mathrm{\θ}}\right|{\mathrm{\θ}}_j)}^2\]}^{\frac{3}{2}}}.$

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述各个点的曲率与预设的结构调整曲率阈值比较确定磁声阵列调整区域，并根据所述磁声阵列调整区域对所述磁声阵列结构进行调整，包括：

所述磁声阵列结构调整区域R(θ)的求解公式为

R(θ)＝arg{θ_j}s.t. C_j(θ_j)>C_TH，其中，C_TH为预设结构调整曲率阈值；

基于所述磁声阵列结构调整区域R(θ)，在原磁声阵列基本结构的基础上，位于原磁声阵列基本结构调整区域之外的部分，不再布置磁声换能器；对于所述磁声阵列结构调整区域R(θ)，增大磁声阵列调整区域R(θ)内的磁声换能器数量密度，减小相邻磁声换能器间距。

5.如权里要求1所述的方法，其特征在于，所述将两条缺陷轮廓曲线进行数据融合，形成所述待检测金属板的缺陷轮廓图像，包括：

在平面极坐标系中，再次计算得到的缺陷轮廓曲线及函数为PC(θ_k，r_k)，所述缺陷轮廓曲线上的点表示为P_Ck(θ_k，r_k)，其中k＝1,2，…，K，K为正整数，表示阵列调整后计算得到的缺陷轮廓曲线上的总点数，对阵列结构调整前后的导波散射缺陷轮廓曲线进行数据融合的公式为：

${\mathrm{PC}}_F({\mathrm{\θ}}_m,r_m)=\left\{\begin{array}{ccc}{P}_{Ck}({\mathrm{\θ}}_k,r_k)& s.t.& {\mathrm{\θ}}_m\∈R\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right\}\∪\left\{\begin{array}{ccc}{P}_{Cj}({\mathrm{\θ}}_j,r_j)& s.t.& {\mathrm{\θ}}_m\∉R\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right\}$

其中，PC_F(θ_m，r_m)为数据融合后的缺陷轮廓曲线及其上各点的集合，m＝1,2，…，M，M为正整数，表示数据融合后缺陷轮廓曲线上的总点数。

6.一种金属板缺陷轮廓导波成像磁声阵列结构调整装置，其特征在于，包括：

布置模块，用于将N个全向磁声换能器均匀布置在待检测金属板检测区域内，其中，每个全向磁声换能器作为全向发射磁声换能器按照一定顺序激发全向超声导波，并在所述待检测金属板中有超声导波时作为全向接收磁声换能器全向接收缺陷导波散射信号；

第一处理模块，用于根据所述缺陷导波散射信号的幅值和走时计算散射点位置，并将所述散射点位置的坐标数据进行三次平滑样条插值形成缺陷轮廓曲线；

计算模块，用于在平面极坐标系中，通过求解缺陷轮廓曲线插值函数的一阶和二阶导数计算在所述缺陷轮廓曲线上的各个点的曲率；

第二处理模块，用于通过所述各个点的曲率与预设的结构调整曲率阈值比较确定磁声阵列调整区域，并根据所述磁声阵列调整区域对所述磁声阵列结构进行调整，再次计算所述缺陷导波散射信号的缺陷轮廓曲线；

融合模块，用于将两条缺陷轮廓曲线进行数据融合，形成所述待检测金属板的缺陷轮廓图像。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一处理模块用于：

所述缺陷导波散射信号的实测走时为t_r，所述缺陷导波散射信号在金属板中的传播速度为v，建立平面极坐标系，所述全向发射磁声换能器的位置为T，所述全向接收磁声换能器的位置为R，计算所述散射点位置的公式为：

$\left|\stackrel{\→}{TP}\right|+\left|\stackrel{\→}{PR}\right|=v*t_r$

$A*\frac{1}{\sqrt{\left|\stackrel{\→}{TP}\right|}}*a_s*\frac{1}{\sqrt{\left|\stackrel{\→}{PR}\right|}}=A_{RS}$

其中，A为在全向发射磁声换能器T处激发全向超声导波的信号强度，a_s为超声导波发生散射时信号强度的散射衰减系数，A_RS为全向接收磁声换能器位置R处接收到的缺陷导波散射信号强度；

对于获得的S个散射点，其中，S为正整数，散射点极坐标位置为P_i(θ_i，r_i)，其中i＝1,2，…，S，将散射点极坐标数据进行三次平滑样条插值，形成缺陷轮廓曲线及函数PC(θ_j，r_j)：

PC(θ_j,r_j)＝CSplineI[P_i(θ_i,r_i)]

其中，j＝1,2，…，S1，S1为正整数，表示所述缺陷轮廓曲线上的总点数。CSplineI为对散射点极坐标P_i(θ_i，r_i)进行三次平滑样条插值的函数。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算模块用于：

所述缺陷轮廓曲线上任一点为P_Cj(θ_j，r_j)，曲率C_j(θ_j，r_j)计算公式为：

$C_j({\mathrm{\θ}}_j,r_j)=\frac{|{r_j}^2+2*{\left(\frac{dr}{d\mathrm{\θ}}\right|{\mathrm{\θ}}_j)}^2-r_j*\left(\frac{d^{2}r}{{\mathrm{d\θ}}^2}\right|{\mathrm{\θ}}_j)|}{{\[{r_j}^2+{\left(\frac{dr}{d\mathrm{\θ}}\right|{\mathrm{\θ}}_j)}^2\]}^{\frac{3}{2}}}.$

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二处理模块用于：

所述磁声阵列结构调整区域R(θ)的求解公式为

R(θ)＝arg{θ_j}s.t. C_j(θ_j)>C_TH，其中，C_TH为预设结构调整曲率阈值；

基于所述磁声阵列结构调整区域R(θ)，在原磁声阵列基本结构的基础上，位于原磁声阵列基本结构调整区域之外的部分，不再布置磁声换能器；对于所述磁声阵列结构调整区域R(θ)，增大磁声阵列调整区域R(θ)内的磁声换能器数量密度，减小相邻磁声换能器间距。

10.如权里要求6所述的装置，其特征在于，所述融合模块用于：

在平面极坐标系中，再次计算得到的缺陷轮廓曲线及函数为PC(θ_k，r_k)，所述缺陷轮廓曲线上的点表示为P_Ck(θ_k，r_k)，其中k＝1,2，…，K，K为正整数，表示阵列调整后计算得到的缺陷轮廓曲线上的总点数，对阵列结构调整前后的导波散射缺陷轮廓曲线进行数据融合的公式为：

${\mathrm{PC}}_F({\mathrm{\θ}}_m,r_m)=\left\{\begin{array}{ccc}{P}_{Ck}({\mathrm{\θ}}_k,r_k)& s.t.& {\mathrm{\θ}}_m\∈R\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right\}\∪\left\{\begin{array}{ccc}{P}_{Cj}({\mathrm{\θ}}_j,r_j)& s.t.& {\mathrm{\θ}}_m\∉R\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right\}$

其中，PC_F(θ_m，r_m)为数据融合后的缺陷轮廓曲线及其上各点的集合，m＝1,2，…，M，M为正整数，表示数据融合后缺陷轮廓曲线上的总点数。