CN109239191A - 一种超声导波缺陷定位成像方法及系统 - Google Patents

一种超声导波缺陷定位成像方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超声导波缺陷定位成像方法及系统，包括：获取N个换能器阵元接收的回波信号，构成全矩阵时域回波信号；所述N个换能器阵元随机布置在金属板上；采用矩形时间窗函数截取所述全矩阵时域回波信号中的损伤散射信号；根据所述损伤散射信号确定各成像点的幅值强度和相位强度；将所述各成像点的幅值强度和相位强度相乘复合成像，获得各成像点的复合强度值；根据所述各成像点的复合强度值确定成像图；根据所述成像图确定金属板缺陷，并对所述金属板缺陷进行定位补偿，有效提高缺陷成像图中缺陷的定位精度，因此具有较好的工程应用价值。

Description

一种超声导波缺陷定位成像方法及系统
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，特别是涉及一种超声导波缺陷定位成像方法及系统。
背景技术
在工业生产中，金属板结构被广泛应用于航空、航天、船舶等领域，在生产及使用过程中，金属板状结构由于其结构特性易于受到载荷、冲击、碰撞、腐蚀等因素影响，导致板结构表面和背部产生裂纹、孔洞、腐蚀等缺陷。通过使用超声导波技术可以快速、有效检测到金属板结构中的缺陷。目前对于阵列成像的常见布置方式为线性阵列、方形阵列和圆形阵列，然而对于复杂工况条件下，不利于规则阵列传感器放置；另外，现有的超声导波缺陷定位成像方法无法实现定位补偿，从而不能准确地定位成像。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声导波缺陷定位成像方法及系统，以实现准确地定位成像。
为实现上述目的，本发明提供了一种超声导波缺陷定位成像方法，所述方法包括：
获取N个换能器阵元接收的回波信号，构成全矩阵时域回波信号；所述N个换能器阵元随机布置在金属板上；所述回波信号是对所述N个换能器阵元施加所述激励信号回波产生的；
采用矩形时间窗函数截取所述全矩阵时域回波信号中的损伤散射信号；
根据所述损伤散射信号确定各成像点的幅值强度和相位强度；
将所述各成像点的幅值强度和相位强度相乘复合成像，获得各成像点的复合强度值；
根据所述各成像点的复合强度值确定成像图；
根据所述成像图确定金属板缺陷，并对所述金属板缺陷进行定位补偿。
可选的，在所述获取N个换能器阵元接收的回波信号，构成全矩阵时域信号步骤之前，还包括：
获取金属板的结构材料特性；
根据所述金属板的结构材料特性确定频散曲线；
根据所述频散曲线确定激励信号。
可选的，所述根据所述损伤散射信号确定各成像点的幅值强度和相位强度，具体包括：
对所述损伤散射信号进行希尔伯特hilbert变换，确定变换后损伤散射信号；
根据所述损伤散射信号和所述变换后损伤散射信号确定全矩阵损伤散射相位信号；
根据第e个激励阵元、第r个接收阵元分别与成像点之间的相对距离确定声传播时间；其中，e为大于或等于1的整数且小于或等于N的整数，r为大于或等于1的整数且小于或等于N的整数；所述N个换能器阵元既为激励阵元，又为接收阵元；
将所述声传播时间代入所述损伤散射信号，确定各成像点的幅值强度；
将所述声传播时间代入所述全矩阵损伤散射相位信号，确定各成像点的相位强度。
可选的，所述根据所述成像图确定金属板缺陷，并对所述金属板缺陷进行定位补偿，具体包括：
根据所述成像图确定金属板缺陷；
以所述金属板缺陷所在位置为原点，建立直角坐标系，将所成图像分为4个象限；
统计各个象限中换能器阵元的数量，确定获得换能器阵元数量最多的象限；
将所述金属板缺陷所在位置的横、纵坐标沿此象限方向进行距离补偿。
可选的，所述矩形时间窗函数为：
其中，t1为矩形时间窗函数的开始时间，t2为矩形时间窗函数的结束时间，dAS为激励阵元到接收阵元之间的直线距离，dAB为最近的边界到激励阵元之间的距离，dBS为最近的边界到接收阵元之间的距离，c为导波在金属板中的传播速度，L为一个激励信号包波时长。
可选的，所述根据所述损伤散射信号和所述变换后损伤散射信号确定全矩阵损伤散射相位信号，具体公式为：
其中，为全矩阵损伤散射相位信号，t表示信号的时间，ver(t)为损伤散射信号，为经过希尔伯特hilbert变换后损伤散射信号。
可选的，所述将所述声传播时间代入所述损伤散射信号，确定各成像点的幅值强度的具体公式为：
其中，I(x,z)为幅值强度，(x,z)为像素点坐标，N为换能器阵元的个数，Ber(x,z)为导波在材料中的传播衰减补偿，τer(x,z)为声传播时间，ver(τer(x,z))为将声传播时间代入损伤散射信号获得的信号幅值。
可选的，所述将所述声传播时间代入所述全矩阵损伤散射相位信号，确定各成像点的相位强度的具体公式为：
其中，Iφ(x,z)为相位强度，(x,z)为像素点坐标，N为换能器阵元的个数，φer(τer(x,z))为将声传播时间代入全矩阵损伤散射相位信号获得的超声导波信号瞬时相位。
可选的，所述距离补偿公式为：
其中，n为激励信号的周期数，fs为激励信号的频率，c为导波的传播速度。
本发明还提供一种超声导波缺陷定位成像系统，所述系统包括：
第一获取模块，用于获取N个换能器阵元接收的回波信号，构成全矩阵时域回波信号；所述N个换能器阵元随机布置在金属板上；所述回波信号是对所述N个换能器阵元施加所述激励信号回波产生的；
截取模块，用于采用矩形时间窗函数截取所述全矩阵时域回波信号中的损伤散射信号；
强度确定模块，用于根据所述损伤散射信号确定各成像点的幅值强度和相位强度；
复合强度值确定模块，用于将所述各成像点的幅值强度和相位强度相乘复合成像，获得各成像点的复合强度值；
成像图确定模块，用于根据所述各成像点的复合强度值确定成像图；
补偿模块，用于根据所述成像图确定金属板缺陷，并对所述金属板缺陷进行定位补偿。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开的超声导波缺陷定位成像方法及系统不仅适用于规则布置N个换能器阵元进行成像处理，还适用于通过随机布置N个换能器阵元的方式进行成像处理，适用于复杂工控中的板结构检测，可以对不可达区域进行成像处理。另外，本发明还采用了定位补偿方法对所述金属板缺陷进行定位补偿，可以有效提高缺陷成像图中缺陷的定位精度，因此具有较好的工程应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一超声导波缺陷定位成像方法流程图；
图2为本发明实施例二超声导波缺陷定位成像的系统结构图；
图3为本发明实施例三随机阵列布置图；
图4为本发明实施例三典型时域信号及加窗后的散射信号；
图5为本发明实施例三定位补偿时成像区域划分图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种超声导波缺陷定位成像方法及系统，以实现准确地定位成像。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
图1为本发明实施一例超声导波缺陷定位成像方法流程图，本发明提供一种超声导波缺陷定位成像方法，所述方法包括：
步骤S1：获取N个换能器阵元接收的回波信号，构成全矩阵时域回波信号；所述N个换能器阵元随机布置在金属板上；所述回波信号是对所述N个换能器阵元施加所述激励信号回波产生的；
步骤S2：采用矩形时间窗函数截取所述全矩阵时域回波信号中的损伤散射信号ver(t)；
步骤S3：根据所述损伤散射信号ver(t)确定各成像点的幅值强度I(x,z)和相位强度Iφ(x,z)；
步骤S4：将所述各成像点的幅值强度I(x,z)和相位强度Iφ(x,z)相乘复合成像，获得各成像点的复合强度值；
步骤S5：根据所述各成像点的复合强度值确定成像图；
步骤S6：根据所述成像图确定金属板缺陷，并对所述金属板缺陷进行定位补偿。
下面对各个步骤进行详细论述：
在步骤S1之前，还包括：
步骤S7：获取金属板的结构材料特性；
步骤S8：根据所述金属板的结构材料特性确定频散曲线；
步骤S9：根据所述频散曲线确定激励信号。
步骤S2：采用矩形时间窗函数截取所述全矩阵时域回波信号中的损伤散射信号ver(t)；具体包括：
所述矩形时间窗函数为：
其中，t1为矩形时间窗函数的开始时间，所述开始时刻为每对激励阵元-接收阵元之间接收回波信号的结束时刻，t2为矩形时间窗函数的结束时间，所述结束时刻为板结构边界反射信号的开始时刻，dAS为激励阵元到接收阵元之间的直线距离，dAB为最近的边界到激励阵元之间的距离，dBS为最近的边界到接收阵元之间的距离，c为导波在金属板中的传播速度，L为一个激励信号包波时长。
步骤S3：所述根据所述损伤散射信号ver(t)确定各成像点的幅值强度I(x,z)和相位强度Iφ(x,z)，具体包括：
步骤S31：对所述损伤散射信号ver(t)进行希尔伯特hilbert变换，确定变换后损伤散射信号
步骤S32：根据所述损伤散射信号ver(t)和所述变换后损伤散射信号确定全矩阵损伤散射相位信号φer(t)；具体公式为：
其中，为全矩阵损伤散射相位信号，t表示信号的时间，ver(t)为损伤散射信号，为经过希尔伯特hilbert变换后损伤散射信号。
步骤S33：根据第e个激励阵元、第r个接收阵元分别与成像点(x,z)之间的相对距离确定声传播时间τer(x,z)；其中，e为大于或等于1的整数且小于或等于N的整数，r为大于或等于1的整数且小于或等于N的整数；所述N个换能器阵元既为激励阵元，又为接收阵元；
步骤S34：将所述声传播时间τer(x,z)代入所述损伤散射信号ver(t)，确定各成像点的幅值强度I(x,z)；具体为：针对成像区域建立二维直角坐标系xOz，坐标原点设置为成像区域左上方，利用延时法将所有激励阵元-接收阵元组合的信号幅值在像素点叠加，获得表征在该像素点的幅值强度I(x,z)，具体公式为：
其中，I(x,z)为幅值强度，(x,z)为像素点坐标，N为换能器阵元的个数，τer(x,z)为声传播时间，τer(x,z)包括从激励阵元e传播到像素点，以及从像素点传播到接收阵元r的时间，ver(τer(x,z))为将声传播时间代入损伤散射信号获得的信号幅值，Ber(x,z)为导波在材料中的传播衰减补偿，与传播距离成正比，(xe,ze)为激励阵元的坐标，(xr,zr)为接收阵元的坐标。
步骤S35：将所述声传播时间τer(x,z)代入所述全矩阵损伤散射相位信号φer(t)，确定各成像点的相位强度Iφ(x,z)；具体为，利用延时法则将所有激励-接收阵元组合的超声导波信号瞬时相位在像素点叠加，获得表征在该像素点的相位强度Iφ(x,z)，具体公式为：
其中，Iφ(x,z)为相位强度，(x,z)为像素点坐标，N为换能器阵元的个数φer(τer(x,z))为将声传播时间代入全矩阵损伤散射相位信号获得的超声导波信号瞬时相位。
步骤S6：根据所述成像图确定金属板缺陷，并对所述金属板缺陷进行定位补偿，具体包括：
步骤S61：根据所述成像图确定金属板缺陷；
步骤S62：以所述金属板缺陷所在位置为原点，建立直角坐标系，将所成图像分为4个象限；
步骤S63：统计各个象限中换能器阵元的数量，确定获得换能器阵元数量最多的象限；
步骤S64：将所述金属板缺陷所在位置的横、纵坐标沿此象限方向进行距离补偿，所述距离补偿公式为：
其中，n为激励信号的周期数，fs为激励信号的频率，c为导波的传播速度。
实施例二
图2为本发明实施例二超声导波缺陷定位成像的系统结构图，如图2所示，本发明还提供一种超声导波缺陷定位成像系统，所述系统包括：
第一获取模块1，用于获取N个换能器阵元接收的回波信号，构成全矩阵时域回波信号；所述N个换能器阵元随机布置在金属板上；所述回波信号是对所述N个换能器阵元施加所述激励信号回波产生的；
截取模块2，用于采用矩形时间窗函数截取所述全矩阵时域回波信号中的损伤散射信号；
强度确定模块3，用于根据所述损伤散射信号确定各成像点的幅值强度和相位强度；
复合强度值确定模块4，用于将所述各成像点的幅值强度和相位强度相乘复合成像，获得各成像点的复合强度值；
成像图确定模块5，用于根据所述各成像点的复合强度值确定成像图；
补偿模块6，用于根据所述成像图确定金属板缺陷，并对所述金属板缺陷进行定位补偿。
所述系统还包括：
第二获取模块，用于获取金属板的结构材料特性；
频散曲线确定模块，用于根据所述金属板的结构材料特性确定频散曲线；
激励信号确定模块，用于根据所述频散曲线确定激励信号。
所述强度确定模块3，具体包括：
hilbert变换单元，用于对所述损伤散射信号进行希尔伯特hilbert变换，确定变换后损伤散射信号；
全矩阵损伤散射相位信号确定单元，用于根据所述损伤散射信号和所述变换后损伤散射信号确定全矩阵损伤散射相位信号；
声传播时间确定单元，用于根据第e个激励阵元、第r个接收阵元分别与成像点之间的相对距离确定声传播时间；其中，e为大于或等于1的整数且小于或等于N的整数，r为大于或等于1的整数且小于或等于N的整数；所述N个换能器阵元既为激励阵元，又为接收阵元；
各成像点的幅值强度确定单元，用于将所述声传播时间代入所述损伤散射信号，确定各成像点的幅值强度；
各成像点的相位强度确定单元，用于将所述声传播时间代入所述全矩阵损伤散射相位信号，确定各成像点的相位强度。
所述补偿模块6，具体包括：
直角坐标系建立单元，用于以所述金属板缺陷所在位置为原点，建立直角坐标系，将所成图像分为4个象限；
金属板缺陷确定单元，用于根据所述成像图确定金属板缺陷；
统计单元，用于统计各个象限中换能器阵元的数量，确定获得换能器阵元数量最多的象限；
距离补偿单元，用于将所述金属板缺陷所在位置的横、纵坐标沿此象限方向进行距离补偿。
本发明将所述各成像点的幅值强度I(x,z)和相位强度Iφ(x,z)相乘复合成像，获得各成像点的复合强度值，以提高缺陷的检测率，降低缺陷误减率。另外本发明还引入超声导波信号瞬时相位成像，能有效对微小缺陷进行成像定位。
本发明公开的超声导波缺陷定位成像方法及系统不仅适用于规则布置N个换能器阵元进行成像处理，还适用于通过随机布置N个换能器阵元的方式进行成像处理，适用于复杂工控中的板结构检测，可以对不可达区域进行成像处理。另外，本发明还采用了定位补偿方法对所述金属板缺陷进行定位补偿，可以有效提高缺陷成像图中缺陷的定位精度，因此具有较好的工程应用价值。
实施例三
获取待测铝板结构材料特性，所述待测铝板结构尺寸为1000×1000×1mm，根据所述待测铝板结构材料特性确定频散曲线。选取的激励信号为经汉宁窗调制的5周期300KHz正弦信号。
在所述待测铝板上随机布置9个压电阵元，即换能器阵元，并依次编号(1-9)，压电阵元的直径为6mm，厚度1mm，在待测铝板上有一个10×2mm的通透型裂纹缺陷，如图3所示。
利用上述选取的激励信号，对压电阵元1-9号依次激励，每次激励时所有阵元同时接收信号，直到1-9号压电阵元都经过激励接收得到全矩阵时域回波信号ger(t)，下标e表示第e个阵元激励，下标r表示第r个接收阵元。
采用矩形时间窗函数截取所述全矩阵时域回波信号中的损伤散射信号ver(t)，如图4所示为加窗前的全矩阵时域回波信号和加窗后的损伤散射信号；对所述损伤散射信号ver(t)进行希尔伯特hilbert变换，确定变换后损伤散射信号v～er(t)；根据所述损伤散射信号ver(t)和所述变换后损伤散射信号v～er(t)确定全矩阵损伤散射相位信号φer(t)；根据第e个激励阵元、第r个接收阵元分别与成像点(x,z)之间的相对距离确定声传播时间τer(x,z)；将所述声传播时间τer(x,z)代入所述损伤散射信号ver(t)，确定各成像点的幅值强度I(x,z)；将所述声传播时间τer(x,z)代入所述全矩阵损伤散射相位信号φer(t)，确定各成像点的相位强度Iφ(x,z)；以所述金属板缺陷所在位置为原点，建立直角坐标系，将所成图像分为4个象限，如图5所示；统计各个象限中换能器阵元的数量，确定获得换能器阵元数量最多的象限；将所述金属板缺陷所在位置的横、纵坐标沿此象限方向进行距离补偿；未进行定位补偿时，缺陷位置为(789,185),经过定位补偿后缺陷横坐标x＝796-d＝762，纵坐标z＝185+d＝228，因此缺陷定位在(762,228)处。经过定位补偿后，缺陷位置更接近于实际位置(750,250)，使得定位更加准确，提高了缺陷的检测效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种超声导波缺陷定位成像方法，其特征在于，所述方法包括：
获取N个换能器阵元接收的回波信号，构成全矩阵时域回波信号；所述N个换能器阵元随机布置在金属板上；所述回波信号是对所述N个换能器阵元施加所述激励信号回波产生的；
采用矩形时间窗函数截取所述全矩阵时域回波信号中的损伤散射信号；
根据所述损伤散射信号确定各成像点的幅值强度和相位强度；
将所述各成像点的幅值强度和相位强度相乘复合成像，获得各成像点的复合强度值；
根据所述各成像点的复合强度值确定成像图；
根据所述成像图确定金属板缺陷，并对所述金属板缺陷进行定位补偿。
2.根据权利要求1所述的超声导波缺陷定位成像方法，其特征在于，在所述获取N个换能器阵元接收的回波信号，构成全矩阵时域信号步骤之前，还包括：
获取金属板的结构材料特性；
根据所述金属板的结构材料特性确定频散曲线；
根据所述频散曲线确定激励信号。
3.根据权利要求1所述的超声导波缺陷定位成像方法，其特征在于，所述根据所述损伤散射信号确定各成像点的幅值强度和相位强度，具体包括：
对所述损伤散射信号进行希尔伯特hilbert变换，确定变换后损伤散射信号；
根据所述损伤散射信号和所述变换后损伤散射信号确定全矩阵损伤散射相位信号；
根据第e个激励阵元、第r个接收阵元分别与成像点之间的相对距离确定声传播时间；其中，e为大于或等于1的整数且小于或等于N的整数，r为大于或等于1的整数且小于或等于N的整数；所述N个换能器阵元既为激励阵元，又为接收阵元；
将所述声传播时间代入所述损伤散射信号，确定各成像点的幅值强度；
将所述声传播时间代入所述全矩阵损伤散射相位信号，确定各成像点的相位强度。
4.根据权利要求1所述的超声导波缺陷定位成像方法，其特征在于，所述根据所述成像图确定金属板缺陷，并对所述金属板缺陷进行定位补偿，具体包括：
根据所述成像图确定金属板缺陷；
以所述金属板缺陷所在位置为原点，建立直角坐标系，将所成图像分为4个象限；
统计各个象限中换能器阵元的数量，确定获得换能器阵元数量最多的象限；
将所述金属板缺陷所在位置的横、纵坐标沿此象限方向进行距离补偿。
5.根据权利要求1所述的超声导波缺陷定位成像方法，其特征在于，所述矩形时间窗函数为：
其中，t1为矩形时间窗函数的开始时间，t2为矩形时间窗函数的结束时间，dAS为激励阵元到接收阵元之间的直线距离，dAB为最近的边界到激励阵元之间的距离，dBS为最近的边界到接收阵元之间的距离，c为导波在金属板中的传播速度，L为一个激励信号包波时长。
6.根据权利要求3所述的超声导波缺陷定位成像方法，其特征在于，所述根据所述损伤散射信号和所述变换后损伤散射信号确定全矩阵损伤散射相位信号，具体公式为：
其中，为全矩阵损伤散射相位信号，t表示信号的时间，ver(t)为损伤散射信号，为经过希尔伯特hilbert变换后损伤散射信号。
7.根据权利要求3所述的超声导波缺陷定位成像方法，其特征在于，所述将所述声传播时间代入所述损伤散射信号，确定各成像点的幅值强度的具体公式为：
其中，I(x,z)为幅值强度，(x,z)为像素点坐标，N为换能器阵元的个数，Ber(x,z)为导波在材料中的传播衰减补偿，τer(x,z)为声传播时间，ver(τer(x,z))为将声传播时间代入损伤散射信号获得的信号幅值。
8.根据权利要求3所述的超声导波缺陷定位成像方法，其特征在于，所述将所述声传播时间代入所述全矩阵损伤散射相位信号，确定各成像点的相位强度的具体公式为：
其中，Iφ(x,z)为相位强度，(x,z)为像素点坐标，N为换能器阵元的个数，φer(τer(x,z))为将声传播时间代入全矩阵损伤散射相位信号获得的超声导波信号瞬时相位。
9.根据权利要求4所述的超声导波缺陷定位成像方法，其特征在于，所述距离补偿公式为：
其中，n为激励信号的周期数，fs为激励信号的频率，c为导波的传播速度。
10.一种超声导波缺陷定位成像系统，其特征在于，所述系统包括：
第一获取模块，用于获取N个换能器阵元接收的回波信号，构成全矩阵时域回波信号；所述N个换能器阵元随机布置在金属板上；所述回波信号是对所述N个换能器阵元施加所述激励信号回波产生的；
截取模块，用于采用矩形时间窗函数截取所述全矩阵时域回波信号中的损伤散射信号；
强度确定模块，用于根据所述损伤散射信号确定各成像点的幅值强度和相位强度；
复合强度值确定模块，用于将所述各成像点的幅值强度和相位强度相乘复合成像，获得各成像点的复合强度值；
成像图确定模块，用于根据所述各成像点的复合强度值确定成像图；
补偿模块，用于根据所述成像图确定金属板缺陷，并对所述金属板缺陷进行定位补偿。
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