CN110243945A - 基于合成孔径聚焦与模式转换波的超声tofd盲区抑制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于合成孔径聚焦与模式转换波的超声TOFD盲区抑制方法，属于无损检测技术领域。该方法采用由超声探伤仪、TOFD探头、倾斜有机玻璃楔块和扫查装置组成的TOFD检测系统，沿待测工件表面实施扫查与图像采集，获得不同扫查位置处的A扫描信号集合。根据费马定理求解各位置处的模式转换波最短传播声时，并对所有A扫描信号进行时间延迟和幅值叠加处理，通过逐点聚焦实现TOFD扫查图像重建，削弱横向冗余信号，改善成像质量。利用重建图像中模式转换波显示深度与缺陷端点深度之间的相关性，计算盲区范围内缺陷的端点深度。与现有的模式转换波方法相比，该方法能够在抑制TOFD盲区的同时，提高缺陷定量精度，具有较高的工程应用和推广价值。

Description

基于合成孔径聚焦与模式转换波的超声TOFD盲区抑制方法
技术领域
本发明涉及一种基于合成孔径聚焦与模式转换波的超声TOFD盲区抑制方法，其属于无损检测技术领域。
背景技术
超声衍射时差法(Time of Flight Diffraction，TOFD)是一种利用缺陷端点衍射纵波时间差实施缺陷定量的无损检测方法，具有定量精度高、缺陷检出率高等优点，被广泛应用于石油化工、电力及天然气等领域的各向同性材料检测。然而，对近表面缺陷进行超声TOFD扫查时，由于超声波脉冲具有一定宽度，使得缺陷端点衍射波信号容易湮没在直通波中，形成近表面检测盲区，难以对盲区内缺陷进行深度定量。
为解决上述问题，研究人员根据横波传播声时大于纵波的特性，提出利用缺陷端点衍射横波，即模式转换波实施TOFD盲区内缺陷定量检测。然而，声束扩散导致不同扫查位置均能接收到模式转换波，使得扫查图像中存在横向冗余信号，干扰模式转换波识别，降低缺陷定量精度。本发明提出了一种基于合成孔径聚焦与模式转换波的超声TOFD盲区抑制方法，可削弱扫查图像中模式转换波横向冗余信号，改善成像质量，在减小TOFD盲区范围的同时，提高缺陷定量精度。
发明内容
本发明提供一种基于合成孔径聚焦与模式转换波的超声TOFD盲区抑制方法。其目的是针对TOFD盲区内缺陷扫查图像中模式转换波存在横向冗余信号的问题，结合合成孔径聚焦技术对模式转换波实施逐点聚焦成像，并利用重建图像中模式转换波显示深度与缺陷端点深度的相关性，实现TOFD盲区内缺陷端点深度的精确定量。
本发明采用的技术方案是：一种基于合成孔径聚焦与模式转换波的超声TOFD盲区抑制方法，针对TOFD盲区内缺陷扫查图像中模式转换波存在横向冗余信号的问题，结合合成孔径聚焦技术对模式转换波实施逐点聚焦成像，并利用重建图像中模式转换波显示深度与缺陷端点深度的相关性，实现TOFD盲区内缺陷的深度定量；所述方法采用如下步骤：
(a)TOFD检测参数确定
根据待测工件的材料、几何尺寸及检测范围选取TOFD检测参数，包括TOFD探头频率、楔块斜楔角、探头中心间距、检测增益、采样频率、电子扫查步进；
(b)扫查数据采集
采用步骤(a)中确定的TOFD检测参数，控制TOFD探头沿工件表面进行扫查，扫查步长为ΔS，步进次数为N-1，共获得N个A扫描信号构成的数据集；
(c)坐标系建立及被检测区域网格划分
以待测工件表面为X轴，扫查方向为X轴正向，工件深度方向为Y轴正向建立坐标系，并设扫查开始时发射探头声束出射点位置为坐标原点；将被检区域划分为矩形网格，各网格节点作为图像重建点；任意图像重建点的横、纵坐标分别定义为x和y；
(d)模式转换波延迟时间计算
设TOFD探头中心间距为2S，发射探头的声束出射点到任意图像重建点(x,y)的距离为L1，该图像重建点到接收探头的距离为L2；根据TOFD探头中心间距与图像重建点(x,y)的几何关系可知，当进行到第k次步进时，0≤k≤N-1，L1和L2分别为
根据费马定理知，声波沿传播时间最短的路径传播；设cL和cS分别为纵波和横波声速，则第k次步进时，TOFD探头入射纵波在图像重建点产生的散射横波，即模式转换波的传播时间tk为：
进一步地，定义tk中的最小值为tmin，0≤k≤N-1，则模式转换波传播时间相对于tmin的时间延迟dtk为：
dtk＝tk-tmin (4)
(e)合成孔径聚焦图像重建
针对图像重建点x,y，对不同扫查位置处采集的A扫描信号施加时间延迟dtk并进行信号叠加处理，得到该点的信号幅值I(x,y)为：
式中，fk()为第k次步进时的探头接收信号，t为时间；
对被检区域内每个网格点重复上述过程，得到合成孔径聚焦后的重建图像，图中模式转换波的横向冗余信号得到削弱；
(f)TOFD盲区内缺陷端点深度定量
设待测工件内部缺陷位于TOFD盲区内，其端点深度为d；从重建图像中读取两侧模式转换波幅值最高点间距L，以及幅值最高点显示深度d′，则利用式(6)反演得到缺陷端点深度d；
本发明的有益效果是：这种基于合成孔径聚焦与模式转换波的超声TOFD盲区抑制方法，结合合成孔径聚焦技术削弱模式转换波的横向冗余信号，改善成像质量；利用重建图像中模式转换波显示深度与缺陷端点深度之间的相关性，计算TOFD盲区范围内缺陷的端点深度。与现有的模式转换波方法相比，该方法能够在抑制TOFD盲区的同时，提高缺陷定量精度，具有较高的工程应用和推广价值。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
图1是采用的TOFD检测系统示意图。
图2是加工底面开口槽的碳钢平板试块图。
图3是原始的TOFD非平行扫查图像。
图4是合成孔径聚焦处理后的重建图像。
具体实施方式
基于合成孔径聚焦与模式转换波的超声TOFD盲区抑制方法，采用的超声检测系统如图1所示，其中包括超声探伤仪、一对TOFD探头、一对纵波角度楔块和扫查装置。具体检测及处理步骤如下：
(a)试验对象如图2所示碳钢平板试块，其壁厚为30.0mm，材料纵波声速为5890m/s，横波声速为3230m/s，试块内部加工了距表面3.0mm的底面开口槽。
(b)采用标称频率5MHz的TOFD探头实施检测。主要检测参数包括：纵波楔块角度70°、探头中心间距2S＝30.0mm、采样频率100MHz、检测增益60dB、扫查步进ΔS＝0.40mm、A扫描时间窗口起始位置设置为直通波到达接收探头之前，则计算可得TOFD近表面盲区理论深度约为6.1mm。
(c)采用步骤(b)中确定的TOFD检测参数，利用TOFD探头对碳钢平板试块中的底面开口槽进行非平行扫查，获得164个A扫描信号构成的数据集，并通过探伤仪A/D转换器以.txt文件形式导出。图3给出对应的非平行扫查图像，显然底面开口槽端点衍射波与直通波混叠，且模式转换波存在横向冗余信号。此时，直接从原始图像中读取两侧模式转换波幅值最高点间距L为28.2mm，幅值最高点显示深度d′为9.76mm，代入式(6)反演计算得到底面开口槽端点深度为2.64mm，绝对误差为0.36mm。
(d)根据费马定理，计算任意图像重建点对应不同扫查位置处的模式转换波最短传播声时。基于合成孔径聚焦成像原理，逐点实施时间延迟和幅值叠加处理，得到各点的合成信号，重建TOFD扫查图像，如图4所示。显然，经过合成孔径聚焦处理后，模式转换波横向冗余信号得到削弱。
(e)如图4所示，从重建图像中读取两侧模式转换波幅值最高点间距L为27.3mm，幅值最高点显示深度d′为9.95mm，代入式(6)反演计算得到底面开口槽端点深度为2.79mm，绝对误差为0.21mm。显然，利用该方法可将TOFD盲区从6.1mm抑制到3.0mm以内，且缺陷深度定量相对误差从处理前的12.0％下降至7.0％。

Claims (1)

1.一种基于合成孔径聚焦与模式转换波的超声TOFD盲区抑制方法，针对TOFD盲区内缺陷扫查图像中模式转换波存在横向冗余信号的问题，结合合成孔径聚焦技术对模式转换波实施逐点聚焦成像，并利用重建图像中模式转换波显示深度与缺陷端点深度的相关性，实现TOFD盲区内缺陷的深度定量；其特征在于，所述方法采用如下步骤：
(a)TOFD检测参数确定
根据待测工件的材料、几何尺寸及检测范围选取TOFD检测参数，包括TOFD探头频率、楔块斜楔角、探头中心间距、检测增益、采样频率、电子扫查步进；
(b)扫查数据采集
采用步骤(a)中确定的TOFD检测参数，控制TOFD探头沿工件表面进行扫查，扫查步长为ΔS，步进次数为N-1，共获得N个A扫描信号构成的数据集；
(c)坐标系建立及被检测区域网格划分
以待测工件表面为X轴，扫查方向为X轴正向，工件深度方向为Y轴正向建立坐标系，并设扫查开始时发射探头声束出射点位置为坐标原点；将被检区域划分为矩形网格，各网格节点作为图像重建点；任意图像重建点的横、纵坐标分别定义为x和y；
(d)模式转换波延迟时间计算
设TOFD探头中心间距为2S，发射探头的声束出射点到任意图像重建点(x,y)的距离为L1，该图像重建点到接收探头的距离为L2；根据TOFD探头中心间距与图像重建点(x,y)的几何关系可知，当进行到第k次步进时，0≤k≤N-1，L1和L2分别为
根据费马定理知，声波沿传播时间最短的路径传播；设cL和cS分别为纵波和横波声速，则第k次步进时，TOFD探头入射纵波在图像重建点产生的散射横波，即模式转换波的传播时间tk为：
进一步地，定义tk中的最小值为tmin，0≤k≤N-1，则模式转换波传播时间相对于tmin的时间延迟dtk为：
dtk＝tk-tmin (4)
(e)合成孔径聚焦图像重建
针对图像重建点x,y，对不同扫查位置处采集的A扫描信号施加时间延迟dtk并进行信号叠加处理，得到该点的信号幅值I(x,y)为：
式中，fk()为第k次步进时的探头接收信号，t为时间；
对被检区域内每个网格点重复上述过程，得到合成孔径聚焦后的重建图像，图中模式转换波的横向冗余信号得到削弱；
(f)TOFD盲区内缺陷端点深度定量
设待测工件内部缺陷位于TOFD盲区内，其端点深度为d；从重建图像中读取两侧模式转换波幅值最高点间距L，以及幅值最高点显示深度d′，则利用式(6)反演得到缺陷端点深度d；
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