CN108693253A - 一种快速相控阵超声全聚焦成像技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速相控阵超声全聚焦成像技术。将已采集到的全矩阵数据A×N_RX×N_TX拆分为N个二维子矩阵数据A_n×N_RX，利用基于二维正/逆傅里叶变换的算法，对各子矩阵数据进行虚拟聚焦，通过循环运算获得1~N号子矩阵二维聚焦图像，最后将所有子矩阵二维聚焦图像进行图像融合，获得全聚焦图像。本发明有望解决现有相控阵超声波探伤仪难以实时全聚焦成像的问题，快速、有效地实现了材料内部缺陷的高精度定量、定位、定性，具有良好的推广及应用前景。

Description

一种快速相控阵超声全聚焦成像技术

技术领域

本发明涉及超声无损检测领域，特别涉及一种基于二维正/逆傅里叶变换的快速相控阵超声全聚焦成像技术。

背景技术

全聚焦(total focusing method，TFM)是近年来兴起的一种相控阵超声后处理成像技术。与传统相控阵成像技术相比，该技术是一种依赖于全矩阵数据采集(full matrixcapture，FMC)的离线成像技术，克服了传统技术中发射声束数量受限的缺点，并通过离线处理实现整个被检区域的聚焦。研究表明，与传统相控阵所提供的B型、C型、D型、S型视图相比，TFM图像具有更高的检测信噪比和分辨率，其缺陷检测能力和定量精度更高。正因如此，相关学者将全聚焦称之为相控阵超声检测中的“黄金标准”成像技术。

FMC可将相控阵换能器内所有阵元依次作为发射-接收阵元组合，通过一发多收模式多方位采集时域检测信号，形成发射阵元序列、接收阵元序列和时间采样点数组成的三维矩阵数据。以阵元数为N的相控阵超声检测系统为例，按照1、2…n…N号的顺序逐次对单个阵元进行激发。每次激发后，声波经过检测目标并被1～N号全部阵元接收。这样，经N次激发后，共计形成N×N个超声脉冲反射信号，以三维矩阵A×N_RX×N_TX形式保存，上述三维矩阵即为全矩阵数据。相比之下，一般超声成像所用数据仅为A×N_TX二维矩阵。

由上可知，用于全聚焦成像的全矩阵数据所携带的检测信号量十分庞大。当参与信号采集的阵元数为128或256时，全矩阵数据中将包含128²或256²个由上几千采样点组成的信号，而成像时需要重复、繁重的迭代运算，难以在短时间内处理庞大的数据量，导致成像时间十分漫长。因此，当下主流高端相控阵超声检测设备中，全聚焦通常被用作离线图像处理技术，无法满足实时成像的需求。基于此，如何提高全聚焦技术的效率是当下业界亟待解决的问题之一。

对此，相关研究者从算法和硬件两方面入手，试图有效提高全聚焦成像的运算效率。算法方面，研究者们根据全矩阵数据具有对称性的特点，将其简化为半矩阵或三角阵等稀疏矩阵，用以减少数据量进而缩短运算时间。然而，这种减少数据量的方法仅能将运算时间缩短几分之一，运算效率提升不够明显。硬件方面，研究者们提出了基于多核心CPU和GPU并行运算方法，即利用多核心硬件进行多路并行迭代运算缩短运算时间。虽然多核心硬件加速方法能够显著提升运算效率，但现阶段这些高性能硬件仅配置在工作站电脑上，短时期内难以普及到便携式超声相控阵探伤仪中。综上，成像速度慢是现阶段全聚焦技术发展中亟待解决的问题，更有效的快速超声全聚焦成像方法期待被提出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于二维正/逆傅里叶变换的快速相控阵超声全聚焦成像技术，以高效正/逆离散傅里叶变换代替繁重的迭代运算，显著缩短全聚焦图像的计算时间，为材料内部缺陷的高精度定量、定位、定性提供快速、有效的方法。

本发明的目的是这样实现的。一种快速相控阵超声全聚焦成像技术，包括如下步骤：

1)将已采集到的全矩阵数据A×N_RX×N_TX拆分为N个二维子矩阵数据A_n×N_RX，用以表示单阵元n发出，被1～N阵元号全部阵元接收的N个信号；在所述全矩阵数据A×N_RX×N_TX中，A为缺陷的超声检测信号，N_RX为接收阵元RX的序号，N_TX为发射阵元TX的序号；在所述子矩阵数据A_n×N_RX中，行序表示水平坐标x上信号幅值的变化，即信号随接收阵元位置的变化，列序表示垂直坐标z上信号幅值的变化，即信号随接收采样点的变化；

2)利用基于二维正/逆傅里叶变换的算法，对各子矩阵数据进行虚拟聚焦，具体实施方法如下：

2.1分别对各子矩阵数据进行二维傅里叶变换，将所述子矩阵数据由时域空间矩阵D(t,x)转换为频域空间矩阵D(ω,k_x)；在矩阵D(t,x)中，t为信号沿垂直坐标z上的传播时间，x为水平方向x上的信号幅值变化；在矩阵D(ω,k_x)中，ω为相位沿垂直方向z上的变化率，ω与t之间满足关系式ω＝2πt；k_x为频域空间中水平方向x上的波数矢量，由于声波未沿x方向传播，因此k_x＝x(1、2…n…N)；

2.2通过已知量ω和k_x计算垂直方向z上的波数矢量k_Z，得到频域矩阵D(k_Z,k_x)，所述波数矢量K_Z表达式如下：

式中，k_Z为聚焦前z方向上的波数矢量，c为被检材料的纵波声速；

2.3利用波数矢量k_Z构建频谱外推矩阵F(k_z,k_x)，表达式如下：

式中，eⁱ为复数表达式，△z为垂直坐标z上的相邻信号采样点之间的间隔，由采样频率Fs、纵波声速c算出，满足如下关系式：

Δz＝c/Fs (3)

2.4通过频谱外推因子F(k_z,k_x)对D(k_Z,k_x)进行加权得到D(k_z,k_x)，实现声束在频域空间中的聚焦，其表达式写作：

D(k_z,k_x)＝D(k_Z,k_x)·F(k_z,k_x) (4)

2.5利用二维逆离散傅里叶变换，将聚焦频域空间矩阵D(k_z,k_x)表达为聚焦时域空间矩阵D(z,x)，网格化后，获得子矩阵聚焦图像I_D(x,z)；

3)按照步骤2)，通过循环运算获得1～N号子矩阵二维聚焦图像，最后将所有子矩阵二维聚焦图像进行图像融合，获得全聚焦图像。

本发明基于二维正/逆傅里叶变换的快速相控阵超声全聚焦成像技术应用于实践，解决了现有相控阵超声波探伤仪难以实时全聚焦成像的问题，快速、有效地实现了材料内部缺陷的高精度定量、定位、定性，具有良好的推广及应用前景。

附图说明

图1是本发明中超声全矩阵数据采集系统示意图；

图2是本发明对厚度40mm碳钢试块进行检测的摆放位置图；

图3是本发明中基于二维正/逆傅里叶变换的子矩阵数据聚焦运算流程图；

图4是常规的全聚焦图像；

图5是本发明的基于二维正/逆傅里叶变换的全聚焦图像。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1至图5,一种快速相控阵超声全聚焦成像技术，以128阵元，对40mm厚碳钢试块中20mm深度的Φ2边钻孔进行检测为例，包括如下步骤：

1)如图1所示，通过相控阵探头1、多通道选择器2、超声信号发射接收器3、数字示波器4和计算机终端5搭建独立128通道超声信号采集系统。其中，相控阵探头1与多通道选择器2相连接，多通道选择器2与超声信号发射接收器3之间通过发射接口TX、接收接口RX连接，多通道选择器2与计算机终端5之间通过网线LAN连接，超声信号发射接收器3与数字示波器4之间通过OUT和SYMC接口连接，相控阵探头1放置于检测工件6上。相控阵探头1和检测工件6实物图如图2所示，其中，相控阵探头1阵元数为128，阵元中心间距1mm，中心频率5MHz。1号阵元201位于探头右侧，128号阵元204位于探头左侧，64号阵元203位于1号阵元201和128号阵元204中间。图2中的检测工件6为厚度40mm的碳钢试块，缺陷为20mm深度的Φ2边钻孔202。以采样频率Fs＝100MHz，按照图2中所示的顺序逐次激发1、2…n…64号阵元，每次激发后，声波经过检测目标后被1～64号全部阵元接收。64次激发后共计形成64×64个超声脉冲反射信号，每个信号2499个采样点，以三维全矩阵数据A×N_RX×N_TX形式保存(A＝2499，N_RX＝64，N_TX＝64)。

2)利用MATLAB软件读取全矩阵数据A×N_RX×N_TX，将其命名为data_all，其数据量为2499×64×64)。定义子矩阵变量data＝zeros(2499,64)，通过for循环对64个子变量进行赋值，令data＝data_all(:,:,n)，其中n代表发射阵元序号，取值范围0～64。通过上述操作，将三维全矩阵数据data_all拆分为64个二维子矩阵data，每个子矩阵中含有64个超声脉冲反射信号，用以表示单阵元n发出，被1～64阵元号全部阵元接收的64个信号。子矩阵数据data中，行序表示水平坐标x上信号幅值的变化，即信号随接收阵元位置的变化；列序表示垂直坐标z上信号幅值的变化，即信号随接收采样点的变化。

3)步骤2)的for循环中，每次循环得到子矩阵data(n)后，利用基于二维正/逆傅里叶变换的算法(自定义函数FFT/IFFT_focus)对data(n)进行虚拟聚焦，计算流程如图3所示，具体实施方法如以下步骤4)～8)所描述。

4)利用MATLAB中的fft2函数对子矩阵数据data(n)进行二维傅里叶变换，将子矩阵数据data(n)由时域空间D(t,x)转换为频域空间D(ω,k_x)。矩阵D(t,x)中，t为信号沿垂直坐标z上的传播时间，x为水平方向x上的信号幅值变化。矩阵D(ω,k_x)中，ω为相位沿垂直方向z上的变化率，ω与t之间满足关系式ω＝2πt。k_x为频域空间中水平方向x上的波数矢量，由于声波未沿x方向传播，因此k_x＝x(1、2…n…64)。

5)通过已知量ω和k_x计算垂直方向z上的波数矢量k_Z，得到频域矩阵D(k_Z,k_x)，K_Z表达式如下：

式中，k_Z为聚焦前z方向上的波数矢量，c为被检材料的纵波声速，数值为5800m/s。

6)利用波数矢量k_Z构建频谱外推矩阵F(k_Z,k_x)(k_Z＝2499,k_x＝64)，表达式如下

式中，eⁱ为复数表达式，△z为垂直坐标z上的相邻信号采样点之间的间隔，可由采样频率Fs、纵波声速c算出，满足如下关系式：

Δz＝c/Fs (3)

7)通过频谱外推因子F(k_z,k_x)对D(k_Z,k_x)进行加权得到D(k_z,k_x)，实现声束在频域空间中的聚焦，其表达式写作：

D(k_z,k_x)＝D(k_Z,k_x)·F(k_z,k_x) (4)

8)利用二维逆离散傅里叶变换将聚焦频域空间矩阵D(k_z,k_x)表达为聚焦时域空间矩阵D(z,x)。利用meshgrid函数将D(z,x)网格化，获得子矩阵聚焦图像I_D(x,z)。

9)通过循环按照步骤4)～8)，获得1～64号子矩阵二维聚焦图像，最后将所有子矩阵二维聚焦图像进行图像融合，获得如图4所示的全聚焦图像。与图5所示的常规全聚焦图像相比较，基于二维正/逆傅里叶变换得到的全聚焦图像具有更高的横向分辨率。以I54310U型CPU，4G计算内存为测试平台对比两种方法的运行时间，MATLAB 2015a软件单核CPU计算环境下，本发明提出的算法仅需0.47s，而常规全聚焦算法需要362.15s。若考虑后续算法优化和硬件加速，本发明能够满足高质量实时成像条件，有望解决现有相控阵超声波探伤仪难以实时全聚焦成像的问题。

Claims (1)

1.一种快速相控阵超声全聚焦成像技术，其特征在于，包括如下步骤：

1)将已采集到的全矩阵数据A×N_RX×N_TX拆分为N个二维子矩阵数据A_n×N_RX，用以表示单阵元n发出，被1～N阵元号全部阵元接收的N个信号；在所述全矩阵数据A×N_RX×N_TX中，A为缺陷的超声检测信号，N_RX为接收阵元RX的序号，N_TX为发射阵元TX的序号；在所述子矩阵数据A_n×N_RX中，行序表示水平坐标x上信号幅值的变化，即信号随接收阵元位置的变化，列序表示垂直坐标z上信号幅值的变化，即信号随接收采样点的变化；

2)利用基于二维正/逆傅里叶变换的算法，对各子矩阵数据进行虚拟聚焦，具体实施方法如下：

2.1分别对各子矩阵数据进行二维傅里叶变换，将所述子矩阵数据由时域空间矩阵D(t,x)转换为频域空间矩阵D(ω,k_x)；在矩阵D(t,x)中，t为信号沿垂直坐标z上的传播时间，x为水平方向x上的信号幅值变化；在矩阵D(ω,k_x)中，ω为相位沿垂直方向z上的变化率，ω与t之间满足关系式ω＝2πt；k_x为频域空间中水平方向x上的波数矢量，由于声波未沿x方向传播，因此k_x＝x(1、2…n…N)；

2.2通过已知量ω和k_x计算垂直方向z上的波数矢量k_Z，得到频域矩阵D(k_Z,k_x)，所述波数矢量K_Z表达式如下：

式中，k_Z为聚焦前z方向上的波数矢量，c为被检材料的纵波声速；

2.3利用波数矢量k_Z构建频谱外推矩阵F(k_z,k_x)，表达式如下：

式中，eⁱ为复数表达式，△z为垂直坐标z上的相邻信号采样点之间的间隔，由采样频率Fs、纵波声速c算出，满足如下关系式：

Δz＝c/Fs (3)

2.4通过频谱外推因子F(k_z,k_x)对D(k_Z,k_x)进行加权得到D(k_z,k_x)，实现声束在频域空间中的聚焦，其表达式写作：

D(k_z,k_x)＝D(k_Z,k_x)·F(k_z,k_x) (4)

2.5利用二维逆离散傅里叶变换，将聚焦频域空间矩阵D(k_z,k_x)表达为聚焦时域空间矩阵D(z,x)，网格化后，获得子矩阵聚焦图像I_D(x,z)；

3)按照步骤2)，通过循环运算获得1～N号子矩阵二维聚焦图像，最后将所有子矩阵二维聚焦图像进行图像融合，获得全聚焦图像。