CN109725058A - 非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法，其特点是采用了按双跨孔距放置的激光发生器和空气耦合换能器作为兰姆波检测的检测系统。在进行反投影滤波重建前，兰姆波走时信息被重排为变投影个数、变间距及变转角的平行投影数据，然后再进行变间距微分操作和变角度有限和的反投影操作，扩大重建区域范围，对反投影数据进行有限希尔伯特的逆运算，获得待检测工件的重建图像。本发明提出的方法具有非接触待检测工件的表面，提高重建精度，避免迭代欠采样等优点。

Description

非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法，具体地说，是一种适 合兰姆波换能器按双跨孔距边界排列的兰姆波层析成像方法，属于超声波无损检测领域。

背景技术

超声无损检测技术的检测能力强，设备简单轻便，对构建及周围环境无污染和危害， 使其在无损检测中应用得非常广泛。常用的超声无损检测是纵波和横波检测，但当超声波 在薄板特别是厚度在2mm以下的薄板里面传播时，形成了一种新的干涉叠加的超声波形 式，即兰姆波。兰姆波的传播速度的大小是依赖于介质的厚度变化，可以推导出兰姆波走 时信息与其传播速度的倒数存在线性积分关系。因此，对检测区域进行一点发射多点接收 兰姆波信息，即可获得某个投射方向的投影数据，并利用计算机层析成像技术反演出该介 质的厚度变化分布图，从而获得缺陷区域的图像。这种方法，特别适合应用于航空航天、轨道、桥梁建筑、水坝、电力设备、输油管道等领域内的大型薄板结构。

兰姆波层析成像技术，能够对薄板结构定量地探测到损伤或缺陷的类型、尺寸、位置、 形状、取向，利用这些信息不仅能够随时检测设备的健康状况，而且根据断裂力学理论和 损伤容限设计，对设备构件的状态、能否继续使用做出评估和判断，及早对存在的安全隐 患做出预防和处理措施。

经对现有技术的文献检索发现，Eugene等人在Journal of the AcousticalSociety of America上发表的论文Fan beam and double crosshole Lamb wavetomography for mapping flaws in aging aircraft structures，研究了采用迭代方法对换能器扇束和双跨孔距排列的兰姆 波层析重建，该方法可定量检测飞行器的缺陷。迭代算法属于前驱动模型，即重建图像需 要沿射线方向进行权重采样，在重建过程中需要沿射线方向进行变分辨率的重采样，存在 过采样和欠采样的问题。国内也有高校开展兰姆波的研究。经过对国内相关专利检索，申 请号为200810240571.7的发明专利申请公开适合钢质储罐底板的导波在线检测方法(公开 日2010-06-30)，该方法虽然用滤波反投影算法对兰姆波数据采进行重建，但因采用平行 投影数据方式，图像的重建质量受限于数据采集时间和设备成本。申请号为201310717748.9 的发明专利申请公开任意凸区域的兰姆波层析成像方法，该方法虽然采用具有滤波反投影 结构的重建算法的对任意区域进行重建，但它是一种普适方法，应用于具体结构时需要对 发射点到原点的距离作关于轨迹参数的导数，并且重建算法要求扇角的角度不变，这要求 在每个投射方向上，兰姆波换能器需要特殊的安排。此外，三种成像方法都采用接触式的 兰姆波换能器，需要在检测结构上使用耦合器，有可能导致金属表面腐蚀或生锈；并且所 接收的兰姆波信号具有频散和多态的特性，不利于走时信息的分离和提取。

本文针对以上不足，提出了利用反投影滤波算法对换能器按照双跨孔距排列的结构进 行重建，采用激光发生器作为兰姆波的波信号发射器，兰姆波的接收器采用空气耦合换能 器，避免了因使用耦合器而存在的不足，并对空气耦合换能器进行特殊设置保证获取单模 态的走时信息；利用重排算法将双跨孔距兰姆波信息转换为平行投影数据，并利用反投影 滤波算法对数据进行重建。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种非接触式兰姆波的双跨孔距层析重 建成像方法，其特点是采用非接触式方式采集兰姆波信号，通过特殊设置空气耦合传感器 表面与检测工件表面的夹角，仅获取兰姆波单模态的走时信息：将双跨孔距采集到的兰姆 波信号重排为变个数、变间距及变角度的平行投影数据，利用反投影滤波算法进行重建。

本发明的目的由以下技术措施实现：

非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法的步骤包括：投影检测系统中，按双跨 孔距结构布置的激光发生器和空气耦合换能器按既定行走路线以非接触的方式采集兰姆 波信号；被接收的兰姆波信号经由功率放大器放大，被信号发送装置发送到计算机系统中 的信号提取模块，提取出的走时信息被数据重排模块重排为平行投影数据，被传入到重建 模块；重建模块中的微分模块对平行投影数据进行变间距微分操作，所获得的微分数据被 反投影模块进行变角度积分的反投影操作，滤波模块对所获得的反投影数据进行滤波操 作，获得物体的重建图像，经由图像显示模块显示重建图像。

所述的双跨孔距结构是指激光发生器和空气耦合换能器沿待检测工件的方形边界进 行数据采集，方形边上采集点个数相等，相邻两个采集点之间的距离相等。

所述的行走路线是指当激光发生器在方形区域某一边的发射时，空气耦合换能器最多 被安排在双跨孔距两边上接收兰姆波走时信号。

所述的非接触的方式是指在进行兰姆波信号发射和接收时，激光发生器和空气耦合换 能器始终不与待检测工件表面接触。

所述的数据重排是指将双跨孔距采集的兰姆波信号转换为[0_,180°)扫描区间的径向变 投影个数、径向变投影间距和轴向变转角采样的平行束投影数据。

所述的微分操作是指对在不同的投影方向平行投影数据进行变间距的微分计算。

所述的反投影操作是指对微分数据进行4n个的角度的有限和运算，其中n为双跨孔距 每边设置的采集点数。

所述的滤波操作是指分别沿若干条平行于笛卡尔坐标y轴方向进行的反投影区域大于 待检测工件重建区域的有限希尔伯特逆变换。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明适合方形薄板结构的层析成像，该技术方案采用激光发生器和空气耦合换能器 的非接触式检测系统，避免接触式换能器因使用耦合剂而可能存在的腐蚀、生锈、压力敏 感等不足；因采用滤波反投影算法、避免了双跨孔距迭代方法分辨率低，重建精度不高的 缺点，同时也避免了任意凸区域滤波反投影算法的关于轨迹及采集的特殊要求，为方形薄 板结构的检测提供方法支撑。

附图说明

图1双跨孔距兰姆波层析成像系统框图；

1检测系统

101激光发生器，102激光脉冲，103狭缝掩膜，104准直的激光，105待检测的工件，106兰姆波信号，107空气耦合换能器，

2数据采集装置

201功率放大器，202信号接收器，203发送模块

3计算机系统

301数据提取模块，302数据重排模块，303重建模块，304显示器

图2双跨孔距排列几何示意图

105待检测的工件

图3双跨孔距数据采集实施方案示意图

(a)激光发生器位于底边兰姆波的接收示意图；

101激光发生器，105待检测的工件，107空气耦合传器

(b)激光发生器位于右边兰姆波的接收示意图；

101激光发生器，105待检测的工件，107空气耦合传器

(c)激光发生器位于顶边兰姆波的接收示意图；

101激光发生器，105待检测的工件，107空气耦合传器

(d)激光发生器位于左边兰姆波的接收示意图。

101激光发生器，105待检测的工件，107空气耦合传器

图4双跨孔数据重排平行数据的实施原理示意图

(a)正向点对点收发模式的平行投影；

(b)错切一个位置的点对点收发模式的平行投影；

(c)错切两个位置的点对点收发模式的平行投影。

图5平行投影数据的极轴与极角与换能器变化关系图

(a)[0,45°)变化关系示意图；

(b)[45°,90°)变化关系示意图；

(c)[90°,135°)变化关系示意图；

(d)[135°,180°)变化关系示意图。

图6双跨孔距的兰姆波层析重建方法流程图

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本 发明进行进一步说明，不能理解为对发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根 据上述本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整。

本发明的目的由以下技术措施实现：

下面对照附图详细描述本发明的实施例。

如图1所示，包括投影检测系统1中，按双跨孔距结构布置的激光发生器101和空气耦合换能器107按既定行走路线以非接触的方式采集兰姆波106信号；被接收的兰姆波106信号经由功率放大器202放大，被信号发送装置203发送到计算机系统3中的信号提取模 块301，提取出的走时信息被数据重排模块302重排为平行投影数据，被传入到重建模块 303；重建模块303中的微分模块401对平行投影数据进行变间距微分操作，所获得的微 分数据被反投影模块402进行变角度积分的反投影操作，滤波模块403对所获得的反投影 数据进行滤波操作，获得物体的重建图像，经由图像显示模块304显示重建图像。

图2示出了双跨孔距排列几何，激光发生器和空气耦合换能器沿方形放置在待检测工 件上，图中的虚线圆点代表了它们可能的位置，相邻位置之间的距离记为ds，整个换能器 排列成中心对称。当激光发生器发出的激光通过狭缝掩膜在待测的工件上产生兰姆波时， 其余三边中最多有两边上的空气耦合换能器接收兰姆波走时信号。

图3示出了双跨孔距数据采集实施方案，深灰色实线圆点代表当前激光发生器的位置， 白色圆点代表了激光发生器可能的位置，浅灰色实线圆点代表接收兰姆波的空气耦合换能 器。

图3(a)示出了激光发生器在检测工件底边时空气耦合换能器可能的位置。激光发生 器可沿底边自左向右平移，到达某一圆点位置时，发出激光在待检测工件上产生兰姆波， 空气耦合换能器被安置在待检测工件的顶边和左边上沿逆时针方向接收兰姆波，而工件的 右边不安排空气耦合换能器，也不用于接受兰姆波。

图3(b)示出了激光发生器在检测工件右边时空气耦合换能器可能的位置。激光发生 器可沿右边自下而上平移，到达某一圆点位置时，发出激光在待检测工件上产生兰姆波， 空气耦合换能器被安置在待检测工件的左边和底边上沿逆时针接收兰姆波，而工件的顶边 不安排空气耦合换能器，也不用于接受兰姆波。

图3(c)示出了激光发生器在检测工件顶边时空气耦合换能器可能的位置。激光发生 器可沿顶边自左向右平移，到达某一圆点位置时，发出激光在待检测工件上产生兰姆波， 空气耦合换能器被安置在待检测工件的右边上自下而上接收兰姆波，而工件的左边和底边 不安排空气耦合换能器，也不用于接受兰姆波。

图3(d)示出了激光发生器在检测工件左边时空气耦合换能器可能的位置。激光发生 器可沿顶边自上而下平移，到达某一圆点位置时，发出激光在待检测工件上产生兰姆波， 空气耦合换能器被安置在待检测工件的顶边上从右到左接收兰姆波，而工件的右边和底边 不安排空气耦合换能器，也不用于接受兰姆波。

上述采集到的兰姆波两两圆点间均有连线，相当于使得兰姆波发射器围绕重建区域转 360度，其余边的位置上都在接收兰姆波，因此所采集到的兰姆波信号转化为投影数据后 是完备，即不是有限角度的投影数据，也不是径向方向截断的投影数据。

图4示出了双跨孔数据重排平行束实施原理。深灰色实线圆点代表激光发生器所在位 置，浅灰色实线圆点代表空气耦合换能器，虚线圆点代表虚拟换能器。虚拟换能器表示双 跨孔距阵列中不存在的空气耦合换能器，但假定其可沿某一边等距在双跨孔距外侧布置。

图4(a)示出了正向点对点收发模式的平行投影。假定激光发生器放置在待测工件的 底边，从左到右平移，依次发出激光在待检测工件上产生兰姆波，空气耦合换能器被安置 其正前方，接受兰姆波信号。即可获得沿y轴正向的平行投影数据。

图4(b)示出了错切一个位置的点对点收发模式的平行投影。与图4(a)中的激光发射模式不变，空气耦合换能器沿逆时针方向错切一个位置，接受兰姆波信号。即可获倾斜y轴正向的平行投影数据，平行投影与y轴的夹角为其中，n为沿边布置的换 能器个数。

图4(c)示出了错切两个位置的点对点收发模式的平行投影。与图4(a)中的激光发射模式不变，空气耦合换能器沿逆时针方向错切两个位置，接受兰姆波信号。即可获倾斜 y轴正向的平行投影数据，平行投影与y轴的夹角为其中，n为沿边布置的换 能器个数。

因此，当双跨孔距某一边布置的发射换能器向其对边的接收换能器顺次沿逆时针方向 错切一个换能器距离发射兰姆波，每次均可获得某投影角度方向的平行投影数据。

图5示出了平行投影数据的极轴与夹角与换能器变化关系图。依据平行投影理论，平 行束投影仅需要采集[0°,180°)角度范围的投影数据，即可进行层析重建。因数据是沿4边 进行采集数据的，因此将投影角度划分为四个部分，每个角度范围内有n个投影，n为沿边布置的换能器个数。图5(a)、(b)、(c)和(d)分别示出了四个角度范围内的一个平行投影示 例。其中，极轴ρ表示与投影方向垂直的方向，极角θ表示极轴与x轴的夹角，ds为相邻 两个换能器位置的间距值。

图5(a)，属于[0,45°)转角范围。平行投影数据的重排沿底边和顶边进行重采样，投影线 与极轴ρ的交点之间的间距dρ，随着极角θ的增大而减小，其值为dρ＝ds·cosθ，并可以 推导出每个平行投影的极角θ的取值依次为：

图5(b)，属于[45°,90°)转角范围。平行投影数据的重排沿右边和左边进行重采样，投影 线与极轴ρ的交点之间的间距dρ，随着极角θ的增大而减大，其值为dρ＝ds·sinθ，并可 以推导出每个平行投影的极角θ的取值依次为：

图5(c)，属于[90°,135°)转角范围。平行投影数据的重排沿顶边和底边进行重采样，投影 线与极轴ρ的交点之间的间距dρ，随着极角θ的增大而减小，其值为dρ＝-ds·cosθ，并 可以推导出每个平行投影的极角θ的取值依次为：

图5(d)，属于[135°,180°)转角范围。平行投影数据的重排沿左边和右边进行重采样，投 影线与极轴ρ的交点之间的间距dρ，随着极角θ的增大而减小，其值为dρ＝ds·sinθ，并 可以推导出每个平行投影的极角θ的取值依次为：

图6示出了本发明适合双跨孔距的兰姆波层析重建方法的流程图。重建过程主要可划 分为投影数据的微分、反投影以及滤波三个步骤。采集装置2中的信号发送模块202将接 收到的兰姆波106信号发送到计算机系统3的信号提取系统301，经由重排模块重排，获得平行的投影数据P(ρ,θ)，传入到重建单元303的微分处理模块401。

微分处理模块401计算平行投影数据P(ρ,θ)关于径向变量ρ的微分，即求下式值：

由图5可知，投影间距值随着投影转角θ不同而变化，根据图5可获得计算公式为：

其中，ds表示同边两相邻换能器之间的距离，θ表示投影转角。则可表示为：

获得微分数据被传入到反投影模块402中，计算重建区域的反投影值：

其中，ρ＝x·cosθ+y·sinθ反投影点(x,y)与变量(ρ,θ)的关系。

由图5部分分析而知，相邻投影转角值是不同，则相邻转角的差值Δθ值也是不同的， 其计算公式为：

由此，可获得反投影的公式：

反投影点通过上述公式获取每个投影投影角度θ的微分值，在沿着投影角度方向进行 累加，获得[0°,180°)角度方向的反投影值。在检索微分值时，投影射线个数奇偶交替出现， 其值为：

{n,n+1,…,2n,2n-1,…,n,n+1,…,2n,2n-1,…,n+1}。

由图4进一步可推导出相邻转角两个平行投影射线个数与径向坐标系统原点的关系。若投 影射线个数为偶数时，投影射线没有过径向坐标原点，与原点最近的径向值为如图 4(a)和(b)所示；而若投影射线个数为奇数时，位于中间的射线径向必过坐标原点，如图 4(b)所示。相应的索引值计算公式如下：

得到上述的索引值，即可通过线性插值获取反投影值。

反投影数据会送入滤波模块403，进行有限Hilbert逆变换。有限Hilbert要求物体函数 f(x,y)具有紧支撑特点。为此，反投影区域要比重建区域略大。

有限Hilbert逆变换模块用下面的公式从反投影数据中求解出图像重建值，得到重建图 像的值f(x,y)：

其中，R表示有限Hilbert变换的上下限，上下限的长度大于双跨孔距的边长。y是笛卡尔 坐标系中的y轴变量；C是一个常数，可以利用下述公式获得：

其中，P(x,0)表示投影转角θ为0时的投影积分值。

最后所获得的重建图像送到显示器(304)进行显示和缺陷识别。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替代，都应涵盖在本 发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法，其特征在于所述其成像方法的步骤包括：投影检测系统(1)中，按双跨孔距结构布置的激光发生器(101)和空气耦合换能器(107)按既定行走路线以非接触的方式采集兰姆波(106)信号；被接收的兰姆波(106)信号经由功率放大器(202)放大，被信号发送装置(203)发送到计算机系统(3)中的信号提取模块(301)，提取出的走时信息被数据重排模块(302)重排为平行投影数据，被传入到重建模块(303)；重建模块(303)中的微分模块(401)对平行投影数据进行变间距微分操作，所获得的微分数据被反投影模块(402)进行变角度积分的反投影操作，滤波模块(403)对所获得的反投影数据进行滤波操作，获得物体的重建图像，经由图像显示模块(304)显示重建图像。

2.如权利要求1所述非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法，其特征在于所述的双跨孔距结构是指激光发生器(101)和空气耦合换能器(107)沿待检测工件(105)的方形边界进行数据采集，方形边上采集点个数相等，相邻两个采集点之间的距离相等。

3.如权利要求1所述非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法，其特征在于所述的行走路线是指当激光发生器(101)在方形区域某一边的发射时，空气耦合换能器(107)最多被安排在双跨孔距两边上接收兰姆波走时信号。

4.如权利要求1所述非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法，其特征在于所述的非接触的方式是指在进行兰姆波信号发射和接收时，激光发生器(101)和空气耦合换能器(107)始终不与待检测工件(105)表面接触。

5.如权利要求1所述非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法，其特征在于所述的数据重排是指将双跨孔距采集的兰姆波(106)信号转换为[0,180°)扫描区间的径向变投影个数、径向变投影间距和轴向变转角采样的平行束投影数据。

6.如权利要求1所述非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法，其特征在于所述的微分操作是指对在不同的投影方向平行投影数据进行变间距的微分计算。

7.如权利要求1所述非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法，其特征在于所述的反投影操作是指对微分数据进行4n个的角度的有限和运算，其中n为双跨孔距每边设置的采集点数。

8.如权利要求1所述非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法，其特征在于所述的滤波操作是指分别沿若干条平行于笛卡尔坐标y轴方向进行的反投影区域大于待检测工件(105)重建区域的有限希尔伯特逆变换。