CN111007151A - 基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法，包括：对目标成像区域进行平面波和全矩阵捕获数据采集；对成像目标成像区域粗离散化处理，对平面波回波信号数据集移相处理，获得平面波成像结果，对其进行像素值分析处理；通过阈值处理对平面波成像结果进行缺陷定位分析，对含缺陷的像素点精细离散化处理，对全矩阵回波信号数据集移相处理，获得含缺陷的像素点的像素值；对平面波成像结果中未选中像素点作插值和放大系数处理，填充至对应网格；得到最终成像结果。本发明的方法将超声相控阵平面波算法与全聚焦算法进行结合，在保持空间分辨率的同时提高了时间分辨率，对构件进行快速的超声相控阵成像检测，并对缺陷有效评价。
Description
技术领域
本发明属于无损检测领域，涉及一种基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法。
背景技术
超声相控阵成像检测技术因其检测灵敏度与方法灵活性，被广泛应用于航空航天、铁路、汽车、船舶、石油、化工、电力等领域。其中，超声相控阵全聚焦成像算法具有较高精度和较大的动态范围，具有比当前常规相控阵超声检测技术更高的缺陷成像能力，被称为超声成像的黄金标准，然而全聚焦成像算法需处理大量阵列信号，对进行成像处理的硬件要求较高，导致成像的时间分辨率较低。
近年来，全聚焦成像算法成为国内外研究热点，为解决全聚焦成像算法信号处理量庞大的问题，国内外学者提出较多卓有成效的研究和工作。在期刊IEEE-UFFC中，Moreau发表了《Ultrasonic imaging algorithms with limited transmission cycles forrapid nondestructive evaluation》，讨论了基于稀疏矩阵的全聚焦成像算法，但该算法对时间分辨率的提升极为有限。在期刊NDT&EInternational中，Sutcliffe发表了《Real-time Full matrix capture for ultrasonic non-destructive testing withacceleration of post-processing through graphic hardware》，利用基于GPU构架的CUDA并行计算技术进行全聚焦检测，处理成像的速率可以达到40FPS以上，但该方法仅能基于高性能图形处理硬件实现。Cruza发表了《Plane-wave phase-coherence imaging forNDE》，使用平面波结合相位相干算法进行成像，但该成像方法空间分辨率远低于全聚焦成像算法。平面波成像算法精度较低，但其超快速成像的特点为改进全聚焦成像算法时间分辨率提供了有效途径。
发明内容
本发明旨在提供一种基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法，以对构件进行快速和高空间分辨率的成像检测，并对其缺陷进行有效评价。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法，包括：
步骤S1：采用一超声换能器对一检测目标的目标成像区域进行平面波数据采集和全矩阵捕获数据采集，得到平面波回波信号数据集和全矩阵回波信号数据集；
步骤S2：对所述成像目标成像区域进行粗离散化处理，对所述步骤S1中的平面波回波信号数据集进行移相处理，作平面波快速缺陷定位，获得目标成像区域的平面波成像结果；
步骤S3：对所述步骤S2中的平面波成像结果进行像素值分析处理，得到平面波成像结果的阈值；
步骤S4：通过阈值处理对所述步骤S2中的平面波成像结果进行自动缺陷定位分析，选中含缺陷的目标像素点，随后，对目标像素点进行进一步精细离散化处理，并对所述步骤S1中的全矩阵回波信号数据集进行移相处理，作针对性全聚焦成像处理，获得含缺陷的目标像素点的像素值；
步骤S5：得到目标成像区域的最终成像结果。
在所述步骤S1中，所述平面波数据采集和全矩阵捕获数据采集采用一波束控制延时系统控制与其相连的一多通道超声收发系统和所述超声换能器来进行，所述超声换能器为多阵元线型阵列超声换能器、1.5D的弯曲线型阵列换能器或2D阵列换能器。
在所述步骤S1中，所述平面波回波信号数据集为1×128×1152的三维矩阵阵列形式，所述全矩阵回波信号数据集为128×128×1152的三维矩阵阵列形式。
在所述步骤S2和所述步骤S4中，所述移相处理采用一虚拟聚焦超声成像系统进行。
在所述步骤S2中，对所述成像目标成像区域进行粗离散化处理，包括：调整网格划分精度至较低水平，间距为1个波长，得到第一离散像素点及其相应坐标；且对所述步骤S1中的平面波回波信号数据集进行移相处理，包括：通过计算各第一离散像素点与所述超声换能器的阵元间的传播声程得到延时数据，根据该延时数据对平面波回波信号数据集所有收发组合进行移相叠加，获得目标成像区域的平面波成像结果。
所述第一离散像素点与所述超声换能器的阵元间的延时为：
其中，dtx和drcv分别为超声换能器的发射阵元到第一离散像素点和超声换能器的接收阵元到第一离散像素点的声程，xtx和xrcv为发射阵元和接收阵元的横坐标，(xP，zP)为第一离散像素点的坐标，c为检测目标的材料中的声速。
在所述步骤S3中，所述像素值分析处理采用一阈值处理模块进行；所述平面波成像结果的阈值在对平面波成像结果的图像进行对数压缩后，通过分析缺陷与底面回波分别所处的dB值范围得到。
在所述步骤S4中，对目标像素点进行进一步精细离散化处理，包括：调整网格划分精度至1/4波长水平，由目标像素点精细离散化得到第二离散像素点及其相应坐标；且在所述步骤S4中，对所述步骤S1中的全矩阵回波信号数据集进行移相处理，包括：通过计算各第二离散像素点与所述超声换能器的阵元间的传播声程得到延时数据，对全矩阵阵列回波数据集的所有的收发组合进行移相叠加，虚拟聚焦至新划分的像素点获取像素值并进行对应填充。
在所述步骤S5中，所述最终成像结果中的目标像素点由所述步骤S4中的目标像素点的像素值填充，所述最终成像结果中的其他像素点由所述步骤S2中的平面波成像结果进行填充。
所述步骤S5还包括：利用双线性插值法，对所述其他像素点的网格进行对应插值处理，并乘以放大系数。
本发明的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法。其全聚焦成像算法基于虚拟聚焦原理，充分利用阵列信号所包含的缺陷信息，聚焦至检测目标成像区域所有点，如能在不影响成像结果的前提下降低聚焦点数量，则可大量减少数据处理量，提高成像速度。
本发明的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法，能够通过将超声相控阵平面波成像算法与全聚焦成像算法进行有机结合，并通过对检测目标成像区域的离散化和快速缺陷预定位，排除无需进行高精度虚拟聚焦处理的目标成像区域网格，大大降低数据处理量，在计算机硬件水平相同的条件下，在保持原超声相控阵全聚焦成像空间分辨率的同时，提高成像的时间分辨率，实现对检测目标的快速高精度超声相控阵成像检测。本发明通过对成像结果进行有效评价，为构件安全服役提供更好的参考，在超声成像和工业无损检测方面具有较好的应用价值。
此外，本发明通过像素值分析处理和阈值处理对所述步骤S2中的平面波成像结果进行自动缺陷定位分析，因此不需设某一固定值，而是通过阈值分析程序对平面波缺陷定位成像结果进行分析后设定，能够尽量避免漏检及选中底面回波等非缺陷部分。
再者，本发明的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法将目标像素点以外的未选中的其他像素点由平面波缺陷定位成像结果乘以放大系数得出，使像素值与含缺陷区域像素值在同一幅值水平，令结果图像均匀。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法的流程图；
图2为如图1所示的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法所采用超声相控阵快速全聚焦成像系统的结构示意图；
图3为现有的全聚焦成像方法与基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法的实验检测结果对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图1所示为根据本发明的一个实施例的一种基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法，该方法利用超快速平面波成像算法对超声相控阵全聚焦成像方法进行改进，
该基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法所采用的超声相控阵快速全聚焦成像系统如图2所示，包括：波束控制延时系统1，其作用为建立不同的信号收发组合及波束形状；多通道超声收发系统2和超声换能器3，其作用为进行信号激励和接收；阈值处理模块4，其作用为识别含缺陷区域；和虚拟聚焦超声成像系统5，其作用为进行成像处理。其中，所述波束控制延时系统1、阈值处理模块4和虚拟聚焦超声成像系统5均集成在于一计算机上，保证信号从激励到接收整个数据采集过程的完整性。相对于现有的超声相控阵快速全聚焦成像系统，本发明的超声相控阵快速全聚焦成像系统增设了一个阈值处理模块4以识别含缺陷区域；该系统的虚拟聚焦超声成像系统5利用缺陷预定位来降低数据处理量；且该系统的波束控制延时系统1简化为具备独立通道开关信号收发系统，因此省略了使声波进行相位干涉的模块。
如图1所示，所述超声相控阵快速全聚焦成像方法包括以下步骤：
步骤S1：平面波数据采集和全矩阵捕获数据采集，包括：采用一波束控制延时系统1控制与其相连的一多通道超声收发系统2进而控制一超声换能器3对一检测目标的目标成像区域进行平面波数据采集和全矩阵捕获数据采集，得到平面波回波信号数据集和全矩阵回波信号数据集。
这两种数据采集均不需要进行物理聚焦与偏转，对精度要求较低，系统成本低廉。其中，平面波数据采集的过程中不需要进行阵元间延时，换能器128阵元同时激励使波束以平面为波阵面传播，换能器128阵元零延时同时接收，得到的平面波回波信号数据集为1×128×1152的三维矩阵阵列形式。全矩阵捕获数据采集基于各阵元单独激励与全阵元接收，由128次收发事件组合完成，得到的全矩阵回波信号数据集为128×128×1152的三维矩阵阵列形式。因此，与现有的仅需进行全矩阵捕获数据采集的全聚焦成像系统相比，尽管本发明还需要进行平面波数据采集，但本发明中采用的数据采集方式对数据采集效率基本无影响，与仅进行全矩阵捕获数据采集相比，采集时间仅增加了0.0078倍。
在本实施例中，所述超声换能器3为中心频率为5MHz，阵元数量为128，阵元间距为0.1mm的多阵元线型阵列超声换能器，用于同时进行激励与接收。所述超声换能器3通过耦合剂与所述检测目标进行耦合。所述超声换能器3的激励波形为5MHz的一个周期的正弦波，所述平面波数据采集和全矩阵捕获数据采集的采样方式采用奈奎斯特采样，由此使得采集到的三维矩阵阵列形式的平面波回波信号数据集和全矩阵回波信号数据集能够作为进行缺陷定位和全聚焦成像的数据集基础。
步骤S2：超声相控阵全聚焦成像技术的缺陷预定位，包括：对所述成像目标成像区域进行粗离散化处理，并以平面波成像的技术原理为基础，利用一虚拟聚焦超声成像系统5对所述步骤S1中的平面波回波信号数据集进行移相处理，作平面波快速缺陷定位，获得目标成像区域的平面波成像结果。
由此，对获得的数据进行成像处理，通过首先处理平面波回波信号数据集来实现对检测目标成像区域的快速缺陷预定位，排除无需进行高精度虚拟聚焦处理的目标成像区域网格，大量降低数据处理量，由于空间分辨率过低，无法对缺陷进行有效评价，但获得的平面波成像结果作为准确缺陷定位的参考。
其中，对所述成像目标成像区域进行粗离散化处理，包括：调整网格划分精度至较低水平，间距为1个波长，得数量为12474的第一离散像素点及其相应坐标，以在之后进行作平面波快速缺陷定位。
对所述步骤S1中的平面波回波信号数据集进行移相处理，包括：通过计算各第一离散像素点与超声换能器3的阵元间的传播声程得到延时数据，根据该延时数据对步骤S1中的平面波回波信号数据集所有收发组合进行移相叠加，获得目标成像区域的平面波成像结果。
其中，第一离散像素点与超声换能器3的阵元间的延时的计算公式如下式所示：
其中，dtx和drcv分别为超声换能器3的发射阵元到第一离散像素点和超声换能器3的接收阵元到第一离散像素点的声程，xtx和xrcv为发射阵元和接收阵元的横坐标，(xP，zP)为第一离散像素点的坐标，c为检测目标的材料中的声速。
步骤S3：采用一阈值处理模块4，对所述步骤S2中的平面波成像结果进行像素值分析处理，即在对平面波成像结果的图像进行对数压缩后，通过分析缺陷与底面回波分别所处的dB值范围，得到平面波成像结果的阈值。
由此，能够有效降低选中区域所包含的底面回波等非缺陷的高像素值区域，并避免漏选含缺陷区域，即在选择高像素值区域的同时，尽量去除实际上并不存在缺陷的高像素值区域。
步骤S4：通过阈值处理对所述步骤S2中的平面波成像结果进行自动缺陷定位分析，选中含缺陷的目标像素点，随后，对目标像素点进行进一步精细离散化处理，并以全聚焦成像技术原理为基础，利用所述虚拟聚焦超声成像系统5对所述步骤S1中的全矩阵回波信号数据集进行移相处理，作针对性全聚焦成像处理，聚焦至目标像素点，可获得含缺陷的目标像素点的像素值。
与现有的全聚焦成像方法相比，该方法所需虚拟聚焦的像素点大量减少，大大降低了数据处理量。
其中，所述含缺陷的目标像素点的数量为1049。
在所述步骤S4中，对目标像素点进行进一步精细离散化处理，包括：调整网格划分精度至1/4波长水平，由目标像素点精细离散化得到数量为4196的第二离散像素点及其相应坐标。
在所述步骤S4中，对所述步骤S1中的全矩阵回波信号数据集进行移相处理，包括：通过计算各第二离散像素点与超声换能器3的阵元间的传播声程得到延时数据，对全矩阵阵列回波数据集的所有的收发组合进行移相叠加，虚拟聚焦至新划分的像素点获取像素值并进行对应填充。由于每个像素点都需计算所有128*128的收发组合，但各点对应的各收发组合移相方式都是不同的，故仅计算目标像素点时只需省略掉一部分计算量即可；移相则是为聚焦至目标像素点，不会导致位置的改变。
由此，在所述步骤S2和所述步骤S4中，采用了平面波-全聚焦组合型检测方法，将平面波成像算法与全聚焦成像算法进行结合，通过快速缺陷预定位降低全聚焦成像数据处理量。
步骤S5：得到目标成像区域的最终成像结果，其中，最终成像结果中的目标像素点由所述步骤S4中的目标像素点的像素值填充；最终成像结果中的其他像素点由所述步骤S2中的平面波成像结果进行填充；
此外，所述步骤S5还包括：为匹配最终成像结果，利用双线性插值法，对所述其他像素点的网格进行对应插值处理，并乘以放大系数。
其中，所述放大系数为：
其中，N为超声换能器3的阵元数，Amp(n1，n2)(Signal)为第n1个阵元发射第n2个阵元接收得到的回波信号的幅值，Amp(n2)(SignalPW)为第n2个阵元接收得到的平面波回波信号幅值。
由此，使像素值与含缺陷区域像素值在同一幅值水平，令结果图像均匀。
在所述步骤S5中，检测目标成像区域的无缺陷部分像素值由平面波检测结果进行填充。首先进行插值处理以对应网格密度，由于平面波与全聚焦成像原理不同会导致像素点之间像素值数量级差距过大，导致图像不均匀，故引入放大系数对像素值进行处理，最后对目标成像区域进行填充，得到最终成像结果。
实验结果
如图3所示为以超声相控阵B型标准试块作为检测目标所得到的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法的实验结果。其中，材料内声速为6320m/s，以试块内两组弧形排列通孔部分作为检测目标的目标成像区域。
如图3所示，通过与普通超声相控阵全聚焦成像技术结果(左)的对比，本发明提出的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法(右)能够通过对缺陷的预定位，大幅度减少所需处理的像素点数量，从而提高成像时间分辨率。本例中普通超声相控阵全聚焦成像技术需虚拟聚焦至49896个像素点，即需处理9.41755×e11个采样点，而基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法需处理的采样点数量仅为8.1036×e10。由于虚拟聚焦基本原理并未发生改变，故成像空间分辨率不受影响，两种方法均清晰分辨直径2mm和1mm孔和间距0.61mm和0.53mm的相邻孔。时间分辨率的提升效率视实际检测对象中的含缺陷区域百分比而定。
以上仅仅是本发明的一个典型应用，本发明的检测目标不局限于铝合金材料的相控阵标准试块的横通孔，还可以是其他构件如不锈钢，各向同性非金属材料等。此外，本发明所采用的超声换能器3也不局限于多阵元线型阵列超声换能器，在对延时法则作相应调整的基础上即可应用于1.5D的弯曲线型阵列换能器或2D阵列换能器。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (7)
1.一种基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法，其特征在于，包括：
步骤S1：采用一超声换能器对一检测目标的目标成像区域进行平面波数据采集和全矩阵捕获数据采集，得到平面波回波信号数据集和全矩阵回波信号数据集；
步骤S2：对所述成像目标成像区域进行粗离散化处理，对所述步骤S1中的平面波回波信号数据集进行移相处理，作平面波快速缺陷定位，获得目标成像区域的平面波成像结果；
步骤S3：对所述步骤S2中的平面波成像结果进行像素值分析处理，得到平面波成像结果的阈值；
步骤S4：通过阈值处理对所述步骤S2中的平面波成像结果进行自动缺陷定位分析，选中含缺陷的目标像素点，随后，对目标像素点进行进一步精细离散化处理，并对所述步骤S1中的全矩阵回波信号数据集进行移相处理，作针对性全聚焦成像处理，获得含缺陷的目标像素点的像素值；
步骤S5：得到目标成像区域的最终成像结果。
2.根据权利要求1所述的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法，其特征在于，在所述步骤S2和所述步骤S4中，采用了平面波-全聚焦组合型检测方法，将平面波成像算法与全聚焦成像算法进行结合，通过快速缺陷预定位降低全聚焦成像数据处理量。
3.根据权利要求1所述的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述平面波回波信号数据集为1×128×1152的三维矩阵阵列形式，所述全矩阵回波信号数据集为128×128×1152的三维矩阵阵列形式。
4.根据权利要求1所述的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对所述成像目标成像区域进行粗离散化处理，包括：调整网格划分精度至较低水平，间距为1个波长，得到第一离散像素点及其相应坐标。
5.根据权利要求1所述的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述像素值分析处理采用一阈值处理模块进行；所述平面波成像结果的阈值在对平面波成像结果的图像进行对数压缩后，通过分析缺陷与底面回波分别所处的dB值范围得到。
6.根据权利要求1所述的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法，其特征在于，在所述步骤S4中，对目标像素点进行进一步精细离散化处理，包括：调整网格划分精度至1/4波长水平，由目标像素点精细离散化得到第二离散像素点及其相应坐标。
7.根据权利要求1所述的基于缺陷预定位的超声相控阵快速全聚焦成像检测方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述最终成像结果中的目标像素点由所述步骤S4中的目标像素点的像素值填充，所述最终成像结果中的其他像素点由所述步骤S2中的平面波成像结果进行填充；
且所述步骤S5还包括：对所述其他像素点的网格进行对应插值处理，并乘以放大系数。
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