CN110412132B - 基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法 - Google Patents

基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法，该系统包括相控阵换能器、相控阵触发器、相控阵控制器、计算机，相控阵换能器的输入输出端分别与相控阵控制器相应引脚连接实现双向信号传输，所述相控阵触发器的输出端与相控阵控制器对应的I/O接口连接。该发明的优点在于：本发明考虑了硬件系统非线性、材料基体非线性、耦合非线性等噪声的影响，适用于微缺陷的有效检测和早期损伤的定量检测监测，对于闭合/半闭合缺陷损伤的检测灵敏度到达微米级别，能够有效区分非线性源与晶粒、孔洞、张开式界面等线性特征。

Description

基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法。
背景技术
工业中许多金属结构例如压力容器、管道、铁轨、轮轴、叶片、船体及机身在服役过程中，在介质、温度和交变载荷的共同作用下易产生腐蚀开裂和疲劳等微裂纹缺陷。由于裂纹扩展速率呈指数型增长，所以即使很小的裂纹也可能会迅速扩展而导致结构突然断裂，引发灾难性事故。因此，微缺陷的早期检测与评估成为确保关键设备服役安全的重要手段，也成为了国际难点、热点问题。
材料早期损伤会引起不同的非线性声学现象，可通过非线性超声检测技术进行测量与分析，从而评价材料微观结构变化以及弱接触界面的形成。非线性声学现象被分为经典非线性和非经典非线性，其中经典非线性用于评价位错引起的晶格非简谐性，而非经典非线性用于评价微裂纹界面引起的接触声学非线性。经典非线性的声学特征主要为二次谐波的产生，现有的二次谐波产生法(SHG)在一定条件下能够定量评价位错和沉淀物等早期损伤。由于微缺陷引起的经典非线性响应较弱，因此易受实验条件的不一致性和杂波干扰，且难以与基体材料非线性区分。部分现有的超声检测方法具备评价非经典非线性的能力，如混频法、次谐波法和频率调制法，但这些方法的工业应用受限于低信噪比、较大的测量误差和仪器的复杂性。随着超声相控阵的应用和全并行通道技术的发展，一些非线性成像方法能够提高图像信噪比，且使用条件要求简单，但现有的非线性超声相控阵检测系统功能单一，不能满足不同应用环境下的检测需求，例如局限于接触式体波信号发射和接收。
另外，现有的非线性检测方法普遍没有采取对杂波的抑制措施以及对相位非线性的评估，因此无法有效的区分宏观特征或晶界引起的线性信号和微缺陷损伤导致的非线性信号，导致针对微缺陷大小定量评价的可靠性存在局限性。此外，随着微裂纹损伤状态的加剧以及宏观裂纹的产生，非线性指标或非线性系数的大小会依次出现递增和递减的变化趋势。虽然部分现有的非线性指标在缺陷演化监测上具备了持续定量评价能力，但由于早期损伤和晚期损伤有一定概率会产生相同的非线性指标大小，所以现有非线性指标在没有损伤状态的先验信息的情况下难以准确评估构件的微缺陷损伤程度。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，为此，本发明提供基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于多模式多模态超声相控阵检测系统，包括
相控阵换能器，用于发射和接收超声信号，所述相控阵换能器为压电超声相控阵换能器或电磁超声相控阵换能器，所述相控阵换能器包括由若干个阵元形成线阵或环阵或稀疏阵的相控阵探头；
相控阵触发器，包括用于监测相控阵换能器工作温度的温度传感器、计算相控阵换能器位置变化的位移编码器；
相控阵控制器，包括多个I/O接口，所述相控阵控制器包括多个通道，且用于独立控制每个通道中电信号的输入与输出；相控阵换能器的输入输出端分别与相控阵控制器相应引脚连接实现双向信号传输，所述相控阵触发器的输出端与相控阵控制器对应的I/O接口连接；
计算机，用于采集经相控阵控制器转换后的信号和输出到相控阵控制器内的采集参数。
使用上述的基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法，包括以下步骤：
S1、计算机向相控阵控制器内输入相控阵触发器状态、超声波激励模态类型、超声波激励模式；
S2、计算机向相控阵控制器内输入超声激励信号、采集参数；
S3、通过相控阵换能器多个阵元分两次分别实现并行发射和顺序发射；
S4、采集连续声场信号且传输至计算机；
S5、得到并行图像的线性指标A1(s)和顺序图像的线性指标A2(s)；
S6、识别线性指标和补偿噪声，通过补偿噪声得到优化后的顺序聚焦信号集
Figure GDA0003416688450000031
S7、计算非线性图像指标；
S8、定量、定位评价微缺陷。
本发明的优点在于：本发明提出一种基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法,尤其是一种对微缺陷所引起的超声相位非线性响应的解耦式评价方法，考虑了硬件系统非线性、材料基体非线性、耦合非线性等噪声的影响，采用了相位与幅值上两种补偿系数的降噪措施，适用于微缺陷的有效检测和早期损伤的定量检测监测，对于闭合/半闭合缺陷损伤的检测灵敏度到达微米级别，能够有效区分非线性源与晶粒、孔洞、张开式界面等线性特征。
附图说明
图1为本发明中基于多模式多模态超声相控阵检测系统结构示意图。
图2为本发明中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像流程示意图。
图3为本发明中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的并列发射和顺序发射所收集到的实施例原始信号p1-64(s,t)和q1-64,1-64(t)。
图4为本发明中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的实施例并列全聚焦图像结果A1(s)。
图5为本发明中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的实施例顺序全聚焦图像结果A2(s)。
图6为本发明中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的实施例非线性图像结果κ(s)。
图7为本发明中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的实施例非线性图像结果κA(s)。
图8为本发明中基于多模式多模态超声相控阵检测系统的实施例非线性图像结果
Figure GDA0003416688450000041
具体实施方式
实施例1
如图1所示，基于多模式多模态超声相控阵检测系统，包括
相控阵换能器3，用于发射和接收超声信号，所述相控阵换能器3为压电超声相控阵换能器或电磁超声相控阵换能器，所述相控阵换能器3包括由若干个阵元形成线阵或环阵或稀疏阵的相控阵探头；所述相控阵探头采用由32个或64个或128个阵元组成，所述相控阵探头包括发射阵元和接收阵元。其中压电超声相控阵换能器用于将电信号与机械波相互转换，电磁超声相控阵换能器用于将电磁信号与机械波相互转换。当相控阵换能器3为压电超声相控阵换能器时，相控阵换能器3的下方设置有坡度可调节、底面自适应式相控阵楔块。相控阵楔块用于产生不同模态的压电超声。所述相控阵控制器2采用由16-256个通道组成。
相控阵触发器4，包括用于监测相控阵换能器3工作温度的温度传感器、计算相控阵换能器3位置变化的位移编码器；
相控阵控制器2，包括多个I/O接口，所述相控阵控制器2包括多个通道，且用于独立控制每个通道中电信号的输入与输出；相控阵换能器3的输入输出端分别与相控阵控制器2相应引脚连接实现双向信号传输，所述相控阵触发器4的输出端与相控阵控制器对应的I/O接口连接。所述相控阵控制器2为板卡级控制器。
计算机1，用于采集经相控阵控制器2转换后的信号和输出到相控阵控制器2内的采集参数。
实施例2
如图4所示，在该实施例中，被检对象为铝合金材料的疲劳拉伸试块，尺寸为30mm×30mm×25mm，微裂纹缺陷的尖端位于沿z轴18mm处，其长度和深度分别为12mm和25mm；为了突显本发明的技术特点，后续加工了两个直径为5mm圆孔，作为线性特征参照物，其中一个位于缺陷尖端沿z轴的正下方。
如图2所示，使用实施例1所述的基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法对图4的被检对象进行检测，包括以下步骤：
S1、计算机1向相控阵控制器2内输入相控阵触发器4状态、超声波激励模态类型、超声波激励模式。具体的，所述相控阵触发器4状态包括相控阵触发器4使用状态和不使用状态，当为使用状态时，温度传感器、位移编码器择一使用或全部使用；所述超声波激励模态类型的种类包括体波、表面波、导波；所述超声波激励方式包括压电超声相控阵换能器对应的压电方式、电磁超声相控阵换能器对应的电磁方式。
S2、计算机1向相控阵控制器2内输入超声激励信号、采集参数。具体的，所述超声激励信号包括超声激励周期数N，激励电压V、发射阵元T的实际中心频率ωT、接收阵元R的实际中心频率ωR、发射阵元T的数量NT、接收阵元R的数量NR、像素点位于x-z坐标系的位置s、超声波在被检材料中的传播速度c、参照发射阵元To的x轴位置xm、参照接收阵元Ro的x轴位置xn。选择参照发射阵元To和参照接收阵元Ro，设定相控阵换能器3中第64个发射阵元用延时法则
Figure GDA0003416688450000051
第64个接收阵元用延时法则
Figure GDA0003416688450000052
在该实施例中，发射阵元T和接收阵元R共用一个探头，该探头为由64个阵元组成的探头，该探头的实际中心频率为5MHz。所成像的像素尺寸为0.5mm，成像范围为15mm×30mm，该范围包括了线性特征如孔洞和背表面和非线性特征如微裂纹缺陷。
S3、通过相控阵换能器3中的全部阵元分两次分别实现并行发射和顺序发射，其中并行发射利用多个发射阵元按照延时法则
Figure GDA0003416688450000053
集体输出信号，顺序发射则利用单个发射阵元循序发射；
S4、采集连续声场信号且通过PCI-e/USB 3.0接口传输至计算机1。所述连续声场信号包括依次利用相控阵换能器3的接收阵元同时采集如图3所示的并行发射信号集p1-64(s,t)和顺序发射信号集q1-64,1-64(t)，最终将采集到的声场信号数据传输至计算机1；
S5、得到并行图像的线性指标A1(s)和顺序图像的线性指标A2(s)；具体的步骤如下：
S51、通过计算机1将并行发射信号集pb(s,t)和顺序发射信号集qa,b(t)进行傅里叶变换，分别得到并行发射频域信号集Pb(s,ω)和顺序发射频域信号集Qa,b(ω)；
S52、分别对并行发射频域信号集Pb(s,ω)和顺序发射频域信号集Qa,b(ω)依次进行相应的延时匹配和叠加，并行发射合成聚焦信号集P(s,ω)的计算如下：
Figure GDA0003416688450000061
顺序发射合成聚焦信号集Q(s,ω)的计算如下：
Figure GDA0003416688450000062
S53、对并行发射合成聚焦信号集P(s,ω)和顺序发射合成聚焦信号集Q(s,ω)进行滤波，对应得到并行滤波信号
Figure GDA0003416688450000063
和顺序滤波信号
Figure GDA0003416688450000064
S54、对并行滤波信号
Figure GDA0003416688450000065
和顺序滤波信号
Figure GDA0003416688450000066
进行傅里叶逆变换，从而得到并行时域合成信号集p(s,t)和顺序时域合成信号集q(s,t)；
S55、通过计算像素点至参照发射阵元To和参照接收阵元Ro的距离得到聚焦时间点tf：
Figure GDA0003416688450000067
S56、利用样条插值法获取焦点处tf的信号，最终得到线性成像指标，如图4和图5所示，其中并行图像的线性指标A1(s)的计算如下:
A1(s)＝|p(s，tf)| (4)
同样，顺序图像的线性指标A2(s)的计算如下:
A2(s)＝|q(s，tf)| (5)。
S6、识别线性指标和补偿噪声，通过补偿噪声得到优化后的顺序聚焦信号集
Figure GDA0003416688450000068
具体的步骤如下：
S61、通过设置并行图像的线性指标A1(s)或顺序图像的线性指标A2(s)的阈值，识别并行或顺序图像中的线性特征像素点sl并选取它们对应的并行时域信号集p(sl,t)或顺序时域信号集q(sl,t)，通过使用以聚焦时间点tf为中心的采样窗口，所述采样窗口的宽度tw＝N/ωR对该采样窗口进行傅里叶变换得到并行时域信号集p(sl,t)或顺序时域信号集q(sl,t)的频域信号集，其中并行频域信号集Pw(sl,ω)的计算步骤如下所示：
Figure GDA0003416688450000071
顺序频域信号集Qw(sl,ω)的计算步骤如下所示：
Figure GDA0003416688450000072
S62、评估噪声所引起的幅值上的差异性，计算并行频域信号集Pw(sl,ω)和顺序频域信号集Qw(sl,ω)的振幅绝对值比χA(sl,ω)和相位角差
Figure GDA0003416688450000073
所述振幅绝对值比χA(sl,ω)计算公式如下：
Figure GDA0003416688450000074
所述相位角差
Figure GDA0003416688450000075
计算公式如下：
Figure GDA0003416688450000076
S63、分别对全部线性特征点sl的χA(sl,ω)进行拟合分别得到幅值补偿系数χA(ω)和相位补偿系数
Figure GDA0003416688450000077
S64、根据幅值补偿系数χA(ω)和相位补偿系数
Figure GDA0003416688450000078
对顺序发射信号集qa,b(t)经过频域转换后合成后滤波后获得的信号
Figure GDA0003416688450000079
进行噪声移除，得到优化后的顺序聚焦信号集
Figure GDA00034166884500000710
具体计算公式如下：
Figure GDA00034166884500000711
S7、计算非线性图像指标。非线性图像指标包括优化后的时域合成信号集
Figure GDA00034166884500000712
与并行时域合成信号集p(s,t)之间的绝对差κ(s)、幅值分量差κA(s)和相位角分量之间的绝对差
Figure GDA00034166884500000713
具体的步骤如下：
S71、将优化后的顺序聚焦信号集
Figure GDA00034166884500000714
进行傅里叶逆变换，从而得到优化后的时域合成信号集
Figure GDA00034166884500000715
S72、计算优化后的时域合成信号集
Figure GDA0003416688450000081
与并行时域合成信号集p(s,t)之间的绝对差κ(s)、幅值分量差κA(s)和相位角分量之间的绝对差
Figure GDA0003416688450000082
作为三种非线性图像指标，如图6、图7、图8所示：
其中绝对差κ(s)的公式如下：
Figure GDA0003416688450000083
幅值分量差κA(s)的公式如下：
Figure GDA0003416688450000084
相位角分量之间的绝对差
Figure GDA0003416688450000085
公式如下：
Figure GDA0003416688450000086
S8、定量、定位评价微缺陷；确定步骤S5获得的并行图像的线性指标A1(s)和顺序图像的线性指标A2(s)中线性特征的位置和指标的大小，观察绝对差κ(s)、幅值分量差κA(s)和相位角分量之间的绝对差
Figure GDA0003416688450000087
中非线性特征的位置和指标的大小，对比非线性特征与线性特征的位置和指标大小，它们之间的不一致性作为评价微缺陷的主要依据。图6-8提供了被检对象内部非线性特征的完整信息，如本实施例中对微裂纹的定位与定量评价，该技术有效地解决了微缺陷检测中普遍存在的低灵敏度和低信噪比等问题。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法，所述超声相控阵检测系统包括相控阵换能器，用于发射和接收超声信号，所述相控阵换能器为压电超声相控阵换能器或电磁超声相控阵换能器，所述相控阵换能器包括由若干个阵元形成线阵或环阵或稀疏阵的相控阵探头；
相控阵触发器包括用于监测相控阵换能器工作温度的温度传感器、计算相控阵换能器位置变化的位移编码器；
相控阵控制器包括多个I/O接口，所述相控阵控制器包括多个通道，且用于独立控制每个通道中电信号的输入与输出；相控阵换能器的输入输出端分别与相控阵控制器相应引脚连接实现双向信号传输，所述相控阵触发器的输出端与相控阵控制器对应的I/O接口连接；
计算机，用于采集经相控阵控制器转换后的信号和输出到相控阵控制器内的采集参数；
其特征在于，包括以下步骤：
S1、计算机向相控阵控制器内输入相控阵触发器状态、超声波激励模态类型、超声波激励模式；
S2、计算机向相控阵控制器内输入超声激励信号、采集参数；
S3、通过相控阵换能器多个阵元分两次分别实现并行发射和顺序发射；
S4、采集连续声场信号且传输至计算机；
S5、得到并行图像的线性指标A1(s)和顺序图像的线性指标A2(s)；
S6、识别线性指标和补偿噪声，通过补偿噪声得到优化后的顺序聚焦信号集
Figure FDA0003416688440000011
S7、计算非线性图像指标；
S8、定量、定位评价微缺陷；
所述步骤S1中，所述相控阵触发器状态包括相控阵触发器使用状态和不使用状态，当为使用状态时，温度传感器、位移编码器择一使用或全部使用；所述超声波激励模态类型的种类包括体波、表面波、导波；所述超声波激励方式包括压电超声相控阵换能器对应的压电方式、电磁超声相控阵换能器对应的电磁方式；
所述步骤S2中，所述超声激励信号包括超声激励周期数N，激励电压V、发射阵元T的实际中心频率ωT、接收阵元R的实际中心频率ωR、发射阵元T的数量NT、接收阵元R的数量NR、像素点位于x-z坐标系的位置s、超声波在被检材料中的传播速度c、参照发射阵元To的x轴位置xm、参照接收阵元Ro的x轴位置xn，选择参照发射阵元To和参照接收阵元Ro，设定相控阵换能器中第a个发射阵元用延时法则
Figure FDA0003416688440000021
第b个接收阵元用延时法则
Figure FDA0003416688440000022
所述步骤S3中，所述相控阵换能器中的全部阵元分两次分别实现并行发射和顺序发射，其中并行发射利用多个发射阵元按照延时法则
Figure FDA0003416688440000023
集体输出信号，顺序发射则利用单个发射阵元循序发射；
所述步骤S5具体为：
S51、通过计算机将并行发射信号集pb(s,t)和顺序发射信号集qa,b(t)进行傅里叶变换，分别得到并行发射频域信号集Pb(s,ω)和顺序发射频域信号集Qa,b(ω)；
S52、分别对并行发射频域信号集Pb(s,ω)和顺序发射频域信号集Qa,b(ω)依次进行相应的延时匹配和叠加，并行发射合成聚焦信号集P(s,ω)的计算如下：
Figure FDA0003416688440000024
顺序发射合成聚焦信号集Q(s,ω)的计算如下：
Figure FDA0003416688440000025
S53、对并行发射合成聚焦信号集P(s,ω)和顺序发射合成聚焦信号集Q(s,ω)进行滤波，对应得到并行滤波信号
Figure FDA0003416688440000026
和顺序滤波信号
Figure FDA0003416688440000027
S54、对并行滤波信号
Figure FDA0003416688440000028
和顺序滤波信号
Figure FDA0003416688440000029
进行傅里叶逆变换，从而得到并行时域合成信号集p(s,t)和顺序时域合成信号集q(s,t)；
S55、通过计算像素点至参照发射阵元To和参照接收阵元Ro的距离得到聚焦时间点tf：
Figure FDA0003416688440000031
其中x、z分别为所述像素点在x-z坐标系中的x轴坐标和z轴坐标；
S56、利用样条插值法获取焦点处tf的信号，最终得到线性成像指标，其中并行图像的线性指标A1(s)的计算如下:
A1(s)＝|p(s，tf)| (4)
同样，顺序图像的线性指标A2(s)的计算如下:
A2(s)＝|q(s,tf)| (5)
所述步骤S6具体为；
S61、通过设置并行图像的线性指标A1(s)或顺序图像的线性指标A2(s)的阈值，识别并行或顺序图像中的线性特征像素点sl并选取它们对应的并行时域信号集p(sl,t)或顺序时域信号集q(sl,t)，通过使用以聚焦时间点tf为中心的采样窗口，所述采样窗口的宽度tw＝N/ωR，对该采样窗口进行傅里叶变换得到并行时域信号集p(sl,t)或顺序时域信号集q(sl,t)的频域信号集，其中并行频域信号集Pw(sl,ω)的计算步骤如下所示：
Figure FDA0003416688440000032
顺序频域信号集Qw(sl,ω)的计算步骤如下所示：
Figure FDA0003416688440000033
S62、评估噪声所引起的幅值上的差异性，计算并行频域信号集Pw(sl,ω)和顺序频域信号集Qw(sl,ω)的振幅绝对值比χA(sl,ω)和相位角差
Figure FDA0003416688440000037
所述振幅绝对值比χA(sl,ω)计算公式如下：
Figure FDA0003416688440000034
所述相位角差
Figure FDA0003416688440000035
计算公式如下：
Figure FDA0003416688440000036
S63、分别对全部线性特征点sl的χA(sl,ω)进行拟合分别得到幅值补偿系数χA(ω)和相位补偿系数
Figure FDA0003416688440000041
S64、根据幅值补偿系数χA(ω)和相位补偿系数
Figure FDA0003416688440000042
对顺序发射信号集qa,b(t)经过频域转换后合成后滤波后获得的信号
Figure FDA0003416688440000043
进行噪声移除，得到优化后的顺序聚焦信号集
Figure FDA0003416688440000044
具体计算公式如下：
Figure FDA0003416688440000045
所述步骤S7具体如下：
S71、将优化后的顺序聚焦信号集
Figure FDA0003416688440000046
进行傅里叶逆变换，从而得到优化后的时域合成信号集
Figure FDA0003416688440000047
S72、计算优化后的时域合成信号集
Figure FDA0003416688440000048
与并行时域合成信号集p(s,t)之间的绝对差κ(s)、幅值分量差κA(s)和相位角分量之间的绝对差
Figure FDA0003416688440000049
作为三种非线性图像指标：
其中绝对差κ(s)的公式如下：
Figure FDA00034166884400000410
幅值分量差κA(s)的公式如下：
Figure FDA00034166884400000411
相位角分量之间的绝对差
Figure FDA00034166884400000412
公式如下：
Figure FDA00034166884400000413
所述步骤S8具体如下：
确定所述步骤S5获得的并行图像的线性指标A1(s)和顺序图像的线性指标A2(s)中线性特征的位置和指标的大小，观察绝对差κ(s)、幅值分量差κA(s)和相位角分量之间的绝对差
Figure FDA00034166884400000414
中非线性特征的位置和指标的大小，对比非线性特征与线性特征的位置和指标大小，对微缺陷进行定位与定量评价。
2.根据权利要求1所述的基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法，其特征在于，当所述相控阵换能器为压电超声相控阵换能器时，相控阵换能器的下方设置有坡度可调节、底面自适应式相控阵楔块。
3.根据权利要求1所述的基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法，其特征在于，所述相控阵控制器采用由16-256个通道组成。
4.根据权利要求1所述的基于多模式多模态超声相控阵检测系统的非线性成像方法，其特征在于，所述相控阵探头采用由32个或64个或128个阵元组成，所述相控阵探头包括发射阵元和接收阵元。
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