CN109490419B - 一种全聚焦成像的声束校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种全聚焦成像的声束校准方法，该方法通过实际测量标准试块中横通孔的幅值信息来建立声束校准矩阵以补偿声波能量衰减，校准的步骤如下：制作标准试块；全矩阵数据的采集及存储；子全矩阵数据的提取；对每一个子全矩阵数据进行全聚焦成像；提取横通孔幅值信息并生成原始校准数据；对原始校准数据做线性插值计算生成声束校准矩阵；对全聚焦成像进行声束校准。本发明方法可有效减小缺陷定量检测误差和检测漏检率，改善全聚焦图像能量均匀性。

Description

一种全聚焦成像的声束校准方法

技术领域

本发明是一种全聚焦成像的声束校准方法，属于无损检测领域。

背景技术

相控阵超声检测技术是一种基于超声阵列探头的成熟超声检测方法，该技术通过控制超声阵列探头中各阵元晶片的激发时间，来实现声束聚焦和偏转，从而获得更好的成像效果。随着相控阵超声检测技术不断普及，各种先进后处理成像算法的研究越来越受到关注。

全聚焦成像算法是近年来新兴的一种超声后处理成像技术，该技术首先使超声阵列探头中各阵元晶片依次发射超声波、所有阵元晶片分别独立接收超声回波信号获得一组全矩阵数据，然后对全矩阵数据进行相位延时、加权合成等特定的数据处理算法，从而模拟声波在被测试样内部某预期位置的聚焦。全聚焦成像算法无需复杂的延时控制电路，可实现常规相控阵超声都难以识别的微小缺陷(小于半波长)特征，具有成像精度更高、缺陷表征能力更强的特点。

然而，在全聚焦成像中超声阵列探头各阵元晶片所发射超声波，在传播过程中受阵元指向性的影响，位于阵元下方不同角度上相同大小的缺陷其幅值不同，同时不同声程也会引起扩散衰减，导致缺陷相对阵列中心偏角越大，距离阵元深度越大，回波幅度越低，导致缺陷定量误差增大，甚至造成漏检现象，严重降低了检测结果的可靠性。

在2015年5月《机械工程学报》期刊“相控阵超声检测技术中的全聚焦成像算法及其校准研究”论文中，从指向性、透射和扩散三个方面分析声束传播路径上的能量衰减，计算衰减校准系数，提出基于校准的全聚焦成像改进算法，该校准算法对于大声程、大偏转角的能量衰减都有较好的改善，使图像能量分布更加均匀。在2018年9月《应用声学》期刊的“阵元固体指向性补偿对超声全聚焦成像的优化研究”论文中，引入了固体指向性因子，提到一种基于固体指向性补偿的超声全聚焦优化算法，利用指向性系数对不同角度区域的成像进行幅值补偿，该方法对大偏角缺陷的成像幅度补偿效果较好，但没有考虑深度方向的成像幅值补偿问题。然而，上述全聚焦成像的声束校准均采用理论计算方法，理论公式中仅考虑了声波频率、纵/横波声速以及材料密度，而实际影响声波能量衰减的因素要远远不止这些，并且实际检测时所使用超声阵列探头和被检测材料的实际参数值与理论计算值也存在一定差异，导致上述论文中所提出的声束校准方法定量检测误差大，并不适用于实际超声检测的定量评价。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种全聚焦成像的声束校准方法，其目的是通过实际测量标准试块中不同方位横通孔缺陷的幅值信息，在被检测区域内建立声束校准矩阵以补偿声波能量衰减，有效减小缺陷定量检测误差和检测漏检率，改善图像能量均匀性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种全聚焦成像的声束校准方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一、制作标准试块

该标准试块4由实际被检测材料制成，具有长方体外形，长度不小于所采用超声阵列探头长度的2倍，高度不小于拟实际检测的最大深度，宽度不小于超声阵列探头宽度，在标准试块4长度方向正中心位置、高度方向自上而下等间距加工一组沿宽度方向的横通孔3，横通孔3的直径为拟实际检测定量评价时的标准缺陷尺寸，最上端横通孔中心距标准试块上表面位置为拟实际检测近表面分辨力的1/2，最下端横通孔中心距标准试块下表面位置为拟实际检测近底面分辨力的1/2，相邻的横通孔3的中心间距为横通孔直径的3-5倍之间；

步骤二、全矩阵数据采集及存储

将包含N个阵元晶片的超声阵列探头1放置在标准试块4上表面的中心位置上，N不小于64，在声束校准过程中不移动超声阵列探头1的位置，设置相控阵超声探伤仪，从超声阵列探头1中第一号阵元晶片起依次使每一个阵元晶片发射超声波，同时，每个阵元晶片发射超声波时，依次采集超声阵列探头1中每一个阵元晶片接收到的超声回波信号，并将超声回波数据进行存储，作为一个全矩阵数据，记为S_ij，其中，i＝1,2,…,N；j＝1,2,…,N，其中，i代表发射阵元晶片的序号，j代表接收阵元晶片的序号；

步骤三、子全矩阵数据提取

依次提取全矩阵数据S_ij中从第k个阵元晶片起的连续M个阵元晶片发射和接收的超声回波信号，M为实际检测时所使用阵元晶片个数，M不大于32个，k＝1,2,…,N-M+1，获得一系列子全矩阵数据V_ij，其中， i＝k,k+1,…,k+M-1；j＝k,k+1,…,k+M-1，定义每一个子全矩阵数据中所包含的阵元晶片为一个子阵列，对提取的每一个子全矩阵数据V_ij进行希尔伯特变换，得到一系列子全矩阵包络数据G_ij；

步骤四、对每一个子全矩阵数据进行全聚焦成像，其过程如下：

建立二维直角坐标系oxz，其中，坐标原点o5位于超声阵列探头的中心位置，x轴7与标准试块4的长度方向一致，z轴8与标准试块4的高度方向一致，将整个标准试块4作为成像区域，沿x轴7和z轴8的方向进行网格划分，网格划分间隔不大于0.2mm，网格划分形成的交点定义为聚焦点9，数量计为W个，再依次定义每一个子阵列的中心位置为子阵列原点o_k6；

依次根据每个子全矩阵包络数据G_ij中对应的发射、接收阵元晶片到聚焦点9的距离计算声波传播时间，再在每个聚焦点位置将信号幅值进行叠加，即可通过公式Ⅰ和公式Ⅱ计算出在子全矩阵包络数据G_ij下的任意聚焦点(x,z)的聚焦点幅值I_p(x，z，k)

其中，(x_i,0)和(x_j,0)分别为发射和接收阵元晶片的坐标值，c为超声波在标准试块中的传播速度；

将一个子全矩阵包络数据下所计算出的整个成像区域中所有聚焦点幅值的集合记为F_k，则：

F_k＝{I_p1(x，z，k)，I_p2(x，z，k),…,I_pn(x，z，k),…,I_pW(x，z，k)}，至此，根据每个子全矩阵包络数据G_ij便获得一系列全聚焦成像数据F_k；

步骤五、提取横通孔3幅值信息并生成原始校准数据

根据所获得的全聚焦成像数据生成一系列全聚焦图像，依次在每一个全聚焦图像中提取出全部横通孔(3)的最大横通孔幅值的信息及相对于子矩阵原点o_k的相对位置信息，获得全部横通孔幅值数据D＝{d_mn}和相应位置信息(X_mn,Z_mn)，其中，m代表一系列全聚焦图像的数量，n代表每个全聚焦图像中横通孔的个数，横通孔幅值数据共计m*n个，同时，根据相应位置信息获得横通孔幅值数据D沿x轴和z轴的位置范围(X₁,X₂)和(Z₁,Z₂)，取出横通孔幅值数据D中的最大值D_max，并将D_max分别除以横通孔幅值数据D 生成原始校准数据D1＝{D_max/d_mn}；

步骤六、原始校准数据线性插值计算

首先，在x轴的位置范围(X₁,X₂)和z轴的位置范围(Z₁,Z₂)内，沿x轴和 z轴进行网格划分，网格划分间隔不大于0.2mm，网格划分形成的交点定义为新聚焦点，然后，根据原始校准数据D1，通过线性插值运算得到在新聚焦点的校准数据，即为声束校准矩阵C＝{c₁,c₂,…c_q}，q代表一系列新聚焦点的个数；

步骤七、对全聚焦成像进行声束校准：

将包含M个阵元晶片的超声阵列探头放置在被检测工件的上表面，按照步骤二采集全矩阵数据并存储，获得一组全矩阵数据V_hl(h＝1,2,…,M； l＝1,2,…,M)，并对采集的全矩阵数据进行希尔伯特变换，获得一组全矩阵包络数据G_hl；

以超声阵列探头中心位置作为坐标原点，确定该全矩阵数据V_hl中全部阵元晶片所对应的坐标位置，取该全矩阵数据V_hl中全部发射、接收阵元晶片到每个新聚焦点的距离，计算声波传播时间，再在每个新聚焦点位置将信号幅值进行叠加并乘以对应的声束校准值c_p，c_p为声束校准矩阵C中的一个，即可计算出每个新聚焦点声束校准后的新聚焦点幅值I′_p(x，z)

其中，t_ij(x,z)由公式Ⅱ计算得出，c为超声波在被检测工件中的传播速度，至此，根据公式Ⅲ便获得在位置范围(X₁,X₂)和(Z₁,Z₂)内全部新聚焦点声束校准后的幅值，即获得了声束校准后的全聚焦成像结果。

本发明技术方案提出了标准试块的制作方法，通过在全矩阵数据中提取多个子全矩阵数据进行全聚焦成像，获得标准试块中每个横通孔的幅值和相对位置信息，继而获得原始校准数据，再通过线性插值运算获得每个聚焦点的声束校准数据。

本发明技术方案基于全矩阵数据通过实际测量标准试块中横通孔的最大幅值信息，建立声束校准矩阵以补偿声波能量衰减，可有效减小缺陷定量检测误差和检测漏检率，改善图像能量均匀性。

附图说明

图1是本发明方法中超声阵列探头检测标准试块的示意图

图2是某一全聚焦图像

图3是声束未校准的全聚焦图像

图4是声束校准后的全聚焦图像

图中：1是超声阵列探头；2是子阵列；3是横通孔；4是标准试块；5 是二维坐标原点o；6是子阵列的原点o_k；7是二维坐标x轴；8是二维坐标 z轴；9是进行网格划分后的聚焦点；

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

本发明技术方案所述的全聚焦成像的声束校准方法的实施步骤如下：

步骤一、制作标准试块

参见附图1所示，该标准试块4由一块304不锈钢金属试块制成，具有长方体外形，标准试块长94mm、宽25mm、高40mm，在标准试块4长度方向正中心位置、高度方向自上而下等间距加工10个横通孔3，横通孔3 的直径为1mm，最上端横通孔中心距标准试块上表面位置为10mm，最下端横通孔中心距标准试块下表面位置为3mm，相邻的横通孔3的中心间距为3mm，超声阵列探头1的阵元个数64个，阵元间距0.7mm，阵元宽度0.5mm，探头长度47mm，探头宽度25mm。

步骤二、全矩阵数据采集及存储

将包含64个阵元晶片的超声阵列探头1放置在标准试块4上表面的中心位置上，在声束校准过程中不移动超声阵列探头1的位置，设置相控阵超声探伤仪，从超声阵列探头1中第一号阵元晶片起依次使每一个阵元晶片发射超声波，同时，每个阵元晶片发射超声波时，依次采集超声阵列探头1中每一个阵元晶片接收到的超声回波信号，并将超声回波数据进行存储，作为一个全矩阵数据，记为S_ij，其中，i＝1,2,…,64；j＝1,2,…,64，其中，i代表发射阵元晶片的序号，j代表接收阵元晶片的序号；

步骤三、子全矩阵数据提取

依次提取全矩阵数据S_ij中从第k个阵元晶片起的连续32个阵元晶片发射和接收的超声回波信号，k＝1,2,…,33，获得一系列子全矩阵数据V_ij，其中， i＝k,k+1,…,k+M-1；j＝k,k+1,…,k+31，定义每一个子全矩阵数据中所包含的阵元晶片为一个子阵列2，对提取的每一个子全矩阵数据V_ij进行希尔伯特变换，得到一系列子全矩阵包络数据G_ij；

步骤四、对每一个子全矩阵数据进行全聚焦成像，其过程如下：

建立二维直角坐标系oxz，其中，坐标原点o5位于超声阵列探头的中心位置，x轴7与标准试块4的长度方向一致，z轴8与标准试块4的高度方向一致，将整个标准试块4作为成像区域，沿x轴7和z轴8的方向进行网格划分，网格划分间隔为0.2mm，网格划分形成的交点定义为聚焦点9，数量为94000个，再依次定义每一个子阵列2的中心位置为子阵列原点o_k6；

依次根据每个子全矩阵包络数据G_ij中对应的发射、接收阵元晶片到聚焦点9的距离计算声波传播时间，再在每个聚焦点位置将信号幅值进行叠加，即可通过公式Ⅰ和公式Ⅱ计算出在子全矩阵包络数据G_ij下的任意聚焦点(x,z)的聚焦点幅值I_p(x，z，k)

其中，(x_i,0)和(x_j,0)分别为发射和接收阵元晶片的坐标值，c＝5850mm/s 为超声波在标准试块中的传播速度，

将一个子全矩阵包络数据下所计算出的整个成像区域中所有聚焦点幅值的集合记为F_k，则：

F_k＝{I_p1(x，z，k)，I_p2(x，z，k),…,I_pn(x，z，k),…,I_pW(x，z，k)}，至此，根据每个子全矩阵包络数据G_ij便获得一系列全聚焦成像数据F_k；

步骤五、提取横通孔3幅值信息并生成原始校准数据

根据所获得的全聚焦成像数据生成一系列全聚焦图像，附图2所示为其中的一个全聚焦图像，依次在每一个全聚焦图像中提取出全部横通孔3的最大横通孔幅值的信息及相对于子矩阵原点o_k的相对位置信息，获得全部横通孔幅值数据D＝{d_mn}和相应位置信息(X_mn,Z_mn)，其中，m代表一系列全聚焦图像的数量，为33个，n代表每个全聚焦图像中横通孔的个数，为10个，横通孔幅值数据共计330个，同时，根据相应位置信息获得横通孔幅值数据D沿x轴和z轴的位置范围(-11.2,11.2)和(10,37)，取出横通孔幅值数据D中的最大值D_max＝8.23，并将D_max分别除以横通孔幅值数据D生成原始校准数据D1＝{D_max/d_mn}，如表1所示为m为1～17时的原始校准数据，第18～33 行的原始校准数据与第1～16行的值对称相等；

步骤六、原始校准数据线性插值计算

首先，在x轴的位置范围(-11.2,11.2)和z轴的位置范围(10,37)内，沿x 轴和z轴进行网格划分，网格划分间隔为0.2mm，网格划分形成的交点定义为新聚焦点，然后，根据原始校准数据D1，通过线性插值运算得到在新聚焦点的校准数据，即为声束校准矩阵C＝{c₁,c₂,…c_q}，q代表一系列新聚焦点的个数，共15368个；

步骤七、对全聚焦成像进行声束校准：

将包含32个阵元晶片的超声阵列探头放置在被检测工件的上表面，按照步骤二采集全矩阵数据并存储，获得一组全矩阵数据V_hl(h＝1,2,…,32； l＝1,2,…,32)，并对采集的全矩阵数据进行希尔伯特变换，获得一组全矩阵包络数据G_hl；

以超声阵列探头中心位置作为坐标原点，确定该全矩阵数据V_hl中全部阵元晶片所对应的坐标位置，取该全矩阵数据V_hl中全部发射、接收阵元晶片到每个新聚焦点的距离，计算声波传播时间，再在每个新聚焦点位置将信号幅值进行叠加并乘以对应的声束校准值c_p，c_p为声束校准矩阵C中的一个，即可计算出每个新聚焦点声束校准后的新聚焦点幅值I′_p(x，z)

其中，t_ij(x,z)由公式Ⅱ计算得出，c＝5850mm/s为超声波在被检测工件中的传播速度，至此，根据公式Ⅲ便获得在位置范围(-11.2,11.2)和(10,37)内全部新聚焦点声束校准后的幅值，即获得了声束校准后的全聚焦成像结果，参见附图4为声束校准后的全聚焦图像，而不进行声束校准的全聚焦图像如附图3所示，可见，声束校准后的全聚焦图像中相同大小横通孔缺陷成像更加均匀，更利于缺陷定量检测，提高了定量检测精度；同时距离超声阵列探头较远的横通孔缺陷也能清晰可见，有效减小了检测漏检率。

表1第1～17行的原始校准数据

Claims (1)

1.一种全聚焦成像的声束校准方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一、制作标准试块

该标准试块(4)由实际被检测材料制成，具有长方体外形，长度不小于所采用超声阵列探头长度的2倍，高度不小于拟实际检测的最大深度，宽度不小于超声阵列探头宽度，在标准试块(4)长度方向正中心位置、高度方向自上而下等间距加工一组沿宽度方向的横通孔(3)，横通孔(3)的直径为拟实际检测定量评价时的标准缺陷尺寸，最上端横通孔中心距标准试块上表面位置为拟实际检测近表面分辨力的1/2，最下端横通孔中心距标准试块下表面位置为拟实际检测近底面分辨力的1/2，相邻的横通孔(3)的中心间距为横通孔直径的3-5倍之间；

步骤二、全矩阵数据采集及存储

将包含N个阵元晶片的超声阵列探头(1)放置在标准试块(4)上表面的中心位置上，N不小于64，在声束校准过程中不移动超声阵列探头(1)的位置，设置相控阵超声探伤仪，从超声阵列探头(1)中第一号阵元晶片起依次使每一个阵元晶片发射超声波，同时，每个阵元晶片发射超声波时，依次采集超声阵列探头(1)中每一个阵元晶片接收到的超声回波信号，并将超声回波数据进行存储，作为一个全矩阵数据，记为S_ij，其中，i＝1,2,…,N；j＝1,2,…,N，其中，i代表发射阵元晶片的序号，j代表接收阵元晶片的序号；

步骤三、子全矩阵数据提取

依次提取全矩阵数据S_ij中从第k个阵元晶片起的连续M个阵元晶片发射和接收的超声回波信号，M为实际检测时所使用阵元晶片个数，M不大于32个，k＝1,2,…,N-M+1，获得一系列子全矩阵数据V_ij，其中，i＝k,k+1,…,k+M-1；j＝k,k+1,…,k+M-1，定义每一个子全矩阵数据中所包含的阵元晶片为一个子阵列，对提取的每一个子全矩阵数据V_ij进行希尔伯特变换，得到一系列子全矩阵包络数据G_ij；

步骤四、对每一个子全矩阵数据进行全聚焦成像，其过程如下：

建立二维直角坐标系oxz，其中，坐标原点o(5)位于超声阵列探头的中心位置，x轴(7)与标准试块(4)的长度方向一致，z轴(8)与标准试块(4)的高度方向一致，将整个标准试块(4)作为成像区域，沿x轴(7)和z轴(8)的方向进行网格划分，网格划分间隔不大于0.2mm，网格划分形成的交点定义为聚焦点(9)，数量计为W个，再依次定义每一个子阵列的中心位置为子阵列原点o_k(6)；

依次根据每个子全矩阵包络数据G_ij中对应的发射、接收阵元晶片到聚焦点(9)的距离计算声波传播时间，再在每个聚焦点位置将信号幅值进行叠加，即可通过公式Ⅰ和公式Ⅱ计算出在子全矩阵包络数据G_ij下的任意聚焦点(x,z)的聚焦点幅值I_p(x，z，k)

其中，(x_i,0)和(x_j,0)分别为发射和接收阵元晶片的坐标值，c为超声波在标准试块中的传播速度；

将一个子全矩阵包络数据下所计算出的整个成像区域中所有聚焦点幅值的集合记为F_k，则：

F_k＝{I_p1(x，z，k),I_p2(x，z，k),…,I_pn(x，z，k),…,I_pW(x，z，k)}，至此，根据每个子全矩阵包络数据G_ij便获得一系列全聚焦成像数据F_k；

步骤五、提取横通孔(3)幅值信息并生成原始校准数据

根据所获得的全聚焦成像数据生成一系列全聚焦图像，依次在每一个全聚焦图像中提取出全部横通孔(3)的最大横通孔幅值的信息及相对于子矩阵原点o_k的相对位置信息，获得全部横通孔幅值数据D＝{d_mn}和相应位置信息(X_mn,Z_mn)，其中，m代表一系列全聚焦图像的序号，n代表每个全聚焦图像中横通孔的序号，横通孔幅值数据共计m*n个，同时，根据相应位置信息获得横通孔幅值数据D沿x轴和z轴的位置范围(X₁,X₂)和(Z₁,Z₂)，取出横通孔幅值数据D中的最大值D_max，并将D_max分别除以横通孔幅值数据D生成原始校准数据D1＝{D_max/d_mn}；

步骤六、原始校准数据线性插值计算

首先，在x轴的位置范围(X₁,X₂)和z轴的位置范围(Z₁,Z₂)内，沿x轴和z轴进行网格划分，网格划分间隔不大于0.2mm，网格划分形成的交点定义为新聚焦点，然后，根据原始校准数据D1，通过线性插值运算得到在新聚焦点的校准数据，即为声束校准矩阵C＝{c₁,c₂,…c_q}，q代表一系列新聚焦点的个数；

步骤七、对全聚焦成像进行声束校准：

将包含M个阵元晶片的超声阵列探头放置在被检测工件的上表面，按照步骤二采集全矩阵数据并存储，获得一组全矩阵数据V_hl(h＝1,2,…,M；l＝1,2,…,M)，并对采集的全矩阵数据进行希尔伯特变换，获得一组全矩阵包络数据G_hl；

以超声阵列探头中心位置作为坐标原点，确定该全矩阵数据V_hl中全部阵元晶片所对应的坐标位置，取该全矩阵数据V_hl中全部发射、接收阵元晶片到每个新聚焦点的距离，计算声波传播时间，再在每个新聚焦点位置将信号幅值进行叠加并乘以对应的声束校准值c_p，c_p为声束校准矩阵C中的一个，即可计算出每个新聚焦点声束校准后的新聚焦点幅值I′_p(x，z)

其中，t_ij(x,z)由公式Ⅱ计算得出，c为超声波在被检测工件中的传播速度，至此，根据公式Ⅲ便获得在位置范围(X₁,X₂)和(Z₁,Z₂)内全部新聚焦点声束校准后的幅值，即获得了声束校准后的全聚焦成像结果。

Images