CN111175381B - 基于全矩阵数据的复合构件界面快速成像定量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于缺陷检测技术领域，具体涉及一种基于全矩阵数据的复合构件界面快速成像定量检测方法。包括以下步骤：1)全矩阵数据采集2)采用基于全矩阵数据的扇扫快速成像算法或全聚焦快速成像算法，实现构件快速的扇扫或全聚焦成像；3)采用针对复合构件脱粘检测特点的定量法对成像结果进行阈值处理，确定有效脱粘区域；4)对经过阈值处理后的成像结果进行二值化处理，得出脱粘缺陷的位置、尺寸信息，实现基于全矩阵数据的复合构件界面粘接质量快速成像定量检测。本发明采用全矩阵数据采集的方式，对每个采样点采集时，所有阵元都进行采集，可以得到复合构件界面粘接状态更全面的回波信息。

Description

基于全矩阵数据的复合构件界面快速成像定量检测方法

技术领域

本发明属于缺陷检测技术领域，具体涉及一种基于全矩阵数据的复合构件界面快速成像定量检测方法。

背景技术

复合粘接构件广泛应用在国防和航天工业中，如固体火箭发动机中推进剂药柱与包覆层的粘接、绝热层与外壳的粘接、复合材料和多项材料的异质界面以及多晶体中的粘接等。由于粘接界面两侧材料的性能差异，界面处的应力作用以及施工过程中存在外界的干扰因素，会造成复合材料粘接构件在制造和使用过程中产生脱粘缺陷，对构件的安全性产生了极大的威胁，因此对粘接界面进行有效的脱粘缺陷检测就变得非常必要。

超声波探伤方法具有指向性好、高灵敏度、性能稳定的特点，是复合构件脱粘缺陷检测的常用方法，与传统检测方法相比，超声相控阵检测技术采用阵列换能器，可通过控制延时控制声束的偏转和聚焦，检测时不需要移动探头和被测构件便可以完成多角度大范围区域的扫查，检测效率大大提高，近年来在缺陷检测领域得到越来越多的应用。

目前超声相控阵检测系统在实现脱粘缺陷检测时存在的问题是，一方面，常用的成像方法有A扫、B扫、C扫、S扫，上述成像方法在实现脱粘缺陷成像时，存在脱粘缺陷处与好粘处成像对比度低，检测精度不高的问题。另一方面，在实现超声缺陷的定量检测中，传统的-6dB定量法较为常用，但此种方法在被测量缺陷所存在的介质为单一均匀，且没有夹杂和通孔等缺陷，不存在折射和反射的干扰的情况下效果较好。而复合构件界面脱粘缺陷的检测是两种不同材质的物质粘接，当界面存在脱粘缺陷时，发射的超声波在遇到脱粘缺陷时几乎全部反射；而当界面好粘的情况下，超声波在遇到界面时一部分的超声波反射，另一部分波将被透射，因此单纯地将缺陷处最大的回波幅值下降6dB后的值作为阈值实现复合构件脱粘缺陷定量检测将影响检测精度。

发明内容

本发明针对上述问题提供了一种基于全矩阵数据的复合构件界面快速成像定量检测方法。

为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：

基于全矩阵数据的复合构件界面快速成像定量检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)全矩阵数据采集：发射超声波，采用全矩阵数据采集方式采集复合构件回波信号，并构成全矩阵数据；

2)采用基于全矩阵数据的扇扫快速成像算法或全聚焦快速成像算法，实现构件快速的扇扫或全聚焦成像；

3)采用针对复合构件脱粘检测特点的定量法对成像结果进行阈值处理，确定有效脱粘区域；

4)对经过阈值处理后的成像结果进行二值化处理，得出脱粘缺陷的位置、尺寸信息，实现基于全矩阵数据的复合构件界面粘接质量快速成像定量检测。

进一步，所述步骤1)发射超声波，采用全矩阵数据采集方式采集复合构件回波信号的具体步骤为：假设发射超声波的相控阵列换能器一共有N个阵元，每次激励一个阵元发射超声波，阵列中所有的阵元均接收其反射回波信号，并定义所接收的回波信号为h_1j，然后依次是第二个，第三个……第N个阵元发射超声波，得到N*N组回波信号，构成N×N组全矩阵数据，其中h_ij表示第i个阵元发射超声波，第j个阵元接收，其中i＝1,2……N；j＝1,2……N。

再进一步，所述步骤2)采用基于全矩阵数据的扇扫快速成像算法，实现构件快速的扇扫成像，具体步骤为：

步骤1，划分成像区域：针对复合构件粘接检测的特点，即脱粘缺陷只出现在粘接界面位置处，在成像前设置构件的全矩阵数据成像区，即取包含界面处两侧厚度值为H3的区域为全矩阵数据成像区，从而大幅减少全矩阵数据成像的计算量，提高检测速度；

步骤2，具体成像：假设扇扫成像角度范围为(θ₁,θ₂)，依次步进Δθ度确定一条扫描线，则一共需合成1+(θ₂-θ₁)/Δθ条扫描线，对于每一条扫描线的合成，以θ₁角度扫描线为例，将N*N组全矩阵数据依次加延迟，可得到θ₁角度扫描线的合成数据；重复上述步骤，可得到1+(θ₂-θ₁)/Δθ条扫描线数据，即得到的是未经过坐标矫正的扇扫数据；设每条扫描线的采样点为M，则合成的未矫正扇扫的矩阵大小为(1+(θ₂-θ₁)/Δθ)*M；将得到的扇扫数据矫正为扇形成像，即将每一条扫描线上的M个数据的坐标分别根据该扫描线对应的角度进行角度的偏转及相应的坐标矫正，得到矫正后的扇扫成像图；

扇扫的矫正原理为，以成像角度θ扫描线中的采样点K(x,y)为例，该点对应的矫正后的实际坐标的计算和采样深度和成像角度θ有关：

x＝Ssinθ

y＝Scosθ

其中：θ—成像角度，S—采样深度；

根据x,y的值可计算得到成像角度θ扫描线中的采样点K(x,y)矫正后的坐标，再将采样点K处的声压幅值数据赋给K(x,y)矫正后的坐标位置处，即完成了扇扫的矫正。

更进一步，所述步骤2)采用基于全矩阵数据的全聚焦快速成像算法，实现构件快速的全聚焦成像，具体步骤为：

步骤1，划分成像区域：针对复合构件粘接检测的特点，即脱粘缺陷只出现在粘接界面位置处，在成像前设置构件的全矩阵数据成像区，即取包含界面处两侧厚度值为H3的区域为全矩阵数据成像区，从而大幅减少全矩阵数据成像的计算量，提高检测速度；

步骤2，具体成像：

2.1对N*N组一维全矩阵数据进行希尔伯特变换；

2.2建立成像坐标系，对被检测区域进行网格划分，获得每个聚焦点的横纵坐标(x_m,y_n)(m,n＝1,2,3...K)；

2.3根据发射阵元(x_i,0)激发的超声波到聚焦点(x_m,y_n)及聚焦点(x_m,y_n)到接收阵元(x_j,0)的声波传播时间，计算全矩阵数据h_ij(i,j＝1,2……N)在聚焦点(x_m,y_n)的声压幅值I(x_m,y_n)，

2.4重复操作步骤2.2，计算被检测区域划分的网格中每个聚焦点的声压幅值；

2.5对每个聚焦点的声压幅值进行归一化处理，得到被检测区域的全聚焦成像图。

更进一步，所述步骤3)采用针对复合构件脱粘检测特点的定量法对成像结果进行阈值处理，确定有效脱粘区域的具体步骤为：取完全脱粘处的回波幅值大小为I₁，好粘处的回波幅值大小为I₂，则界面脱粘缺陷边界处的回波幅值大小I为：

以此作为阈值判定脱粘缺陷的边界，可检出有效脱粘区域

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1、本发明采用全矩阵数据采集的方式，对每个采样点采集时，所有阵元都进行采集，可以得到金属/非金属复合构件界面粘接状态更全面的回波信息；

2、本发明针对脱粘缺陷只出现在粘接界面位置处的特点，通过在成像前设置复合构件的全矩阵数据成像区，可大幅减少全矩阵数据成像的计算量，提高检测速度；

3、本发明采用基于全矩阵数据的扇扫快速成像方法，由于对检测区域采用了每一阵元获取的回波信息的叠加，较普通扇扫成像方式可显著增强复合构件界面处脱粘回波信号幅值和好粘信号幅值的对比度；

4、本发明采用基于全矩阵数据的全聚焦快速成像方法，首先对全矩阵数据进行希尔伯特变换，对于复合构件界面脱粘缺陷，通过此变换可提取特征信号的包络，在接下来对信号的叠加可使得脱粘缺陷处的幅值逐渐增大，无脱粘缺陷处因为幅值叠加的随机性而越来越小，甚至相互抵消，从而提高全聚焦成像图中脱粘缺陷的成像对比度，提高检测精度；

5、本发明结合完全脱粘处的回波幅值和好粘处的回波幅值来确定界面脱粘缺陷边界处的阈值，可提高脱粘检测精度；

6、基于全矩阵数据的扇扫成像的数据都是以二维矩阵的形式保存，定量计算时经过矫正后得到的输出矩阵的各点为信号的幅值，而坐标与实际的坐标对应，则可方便找到脱粘缺陷的位置以便确定缺陷的尺寸大小。

附图说明

图1为本发明基于全矩阵数据的复合构件超声相控阵脱粘检测系统组成示意图；

图2为本发明全矩阵数据采集原理图；

图3为本发明基于全矩阵数据合成扇扫扫描线原理图；

图4为本发明扇扫矩阵矫正原理示意图；

图5为本发明扇扫坐标矫正原理示意图；

图6为本发明全聚焦成像原理图；

图7为本发明基于全矩阵数据快速成像原理图；

图8为本发明定量检测阈值设定原理图；

图9为本发明含脱粘缺陷扇扫快速成像二值化后的结果；

图10为本发明含脱粘缺陷全聚焦快速成像二值化后的结果；

图中：探头支架立柱1、检测平台底座2、超声二维运动检测平台3、检测试件4、超声探头移动导轨5、相控阵探头6、超声相控阵发射接收系统7、工控机8、电机控制卡9、控制柜10。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明采用基于全矩阵数据的复合构件超声相控阵脱粘检测系统，该系统包括一维线形相控阵列换能器、超声相控阵发射系统、超声相控阵接收系统，超声二维运动检测平台、电机控制卡、工控机、控制柜及缺陷检测与处理软件。超声相控阵探头6安装于超声探头移动导轨5上，位于待检复合构件4上方；超声相控阵发射系统、超声相控阵数据采集系统与超声相控阵探头相连，电机控制卡9和工控机8放置于控制柜10内，缺陷检测与成像软件安装在工控机8上。工控机8通过电机控制卡9发出指令控制二维运动检测平台3和超声探头移动导轨5位于检测位置处；工控机8通过指令控制超声相控阵发射系统触发相控阵探头发射超声波，工控机8通过指令控制超声相控阵数据采集系统采集得到全矩阵数据，安装在工控机上的缺陷检测与成像处理软件将基于全矩阵数据对检测区域进行快速的扇扫或全聚焦成像，采用针对复合构件脱粘检测特点的定量法，对脱粘缺陷实现定量检测。

实施例1

基于全矩阵数据的复合构件界面快速成像定量检测方法，包括以下步骤：

1)如图2所示，全矩阵数据采集：发射超声波，采用全矩阵数据采集方式采集复合构件回波信号的具体步骤为：假设发射超声波的相控阵列换能器一共有N个阵元，每次激励一个阵元发射超声波，阵列中所有的阵元均接收其反射回波信号，并定义所接收的回波信号为h_1j，然后依次是第二个，第三个……第N个阵元发射超声波，得到N*N组回波信号，构成N×N组全矩阵数据，其中h_ij表示第i个阵元发射超声波，第j个阵元接收，其中i＝1,2……N；j＝1,2……N。；

2)采用基于全矩阵数据的扇扫快速成像算法，实现构件快速的扇扫成像，具体步骤为：

步骤1，划分成像区域：如图7所示，针对复合构件粘接检测的特点，即脱粘缺陷只出现在粘接界面位置处，在成像前设置复合构件的全矩阵数据成像区，即取包含界面处两侧厚度值为H3的区域为全矩阵数据成像区，从而大幅减少全矩阵数据成像的计算量，提高检测速度；

步骤2，具体成像：如图3所示，假设扇扫成像角度范围为(θ₁,θ₂)，依次步进Δθ度确定一条扫描线，则一共需合成1+(θ₂-θ₁)/Δθ条扫描线，对于每一条扫描线的合成，以θ₁角度扫描线为例，将N*N组全矩阵数据依次加延迟，可得到θ₁角度扫描线的合成数据；重复上述步骤，可得到1+(θ₂-θ₁)/Δθ条扫描线数据，即得到的是未经过坐标矫正的扇扫数据；设每条扫描线的采样点为M，则合成的未矫正扇扫的矩阵大小为(1+(θ₂-θ₁)/Δθ)*M；将得到的扇扫数据矫正为扇形成像，即将每一条扫描线上的M个数据的坐标分别根据该扫描线对应的角度进行角度的偏转及相应的坐标矫正，得到矫正后的扇扫成像图，如图4所示；

扇扫的矫正原理为，以成像角度θ扫描线中的采样点K(x,y)为例，该点对应的矫正后的实际坐标的计算和采样深度和成像角度θ有关：如图5所示，

x＝Ssinθ

y＝Scosθ

其中：θ—成像角度，S—采样深度；

根据x,y的值可计算得到成像角度θ扫描线中的采样点K(x,y)矫正后的坐标，再将采样点K处的声压幅值数据赋给K(x,y)矫正后的坐标位置处，即完成了扇扫的矫正；

3)采用针对复合构件脱粘检测特点的定量法对成像结果进行阈值处理，确定有效脱粘区域的具体步骤为：取完全脱粘处的回波幅值大小为I₁，好粘处的回波幅值大小为I₂，则界面脱粘缺陷边界处的回波幅值大小I为：

该定量法示意图如图8所示，其中A点为金属非金属好粘处，B和D为脱粘缺陷的边界点，C为完全脱粘点。BD之间的距离为脱粘缺陷的长度，缺陷范围内的声压幅值大小范围为[(I₁+I₂)/2,I₁]，对于扇扫和全聚焦成像，缺陷的尺寸由此回波幅值范围所包含的大小来确定。以此作为阈值判定脱粘缺陷的边界，可检出有效脱粘区域。

4)对经过阈值处理后的成像结果进行二值化处理，得出脱粘缺陷的位置、尺寸信息，实现基于全矩阵数据的复合构件界面粘接质量快速成像定量检测，由于扇扫成像，成像是按角度进行的，缺陷呈弧形，定量计算脱粘缺陷大小时要将求取得到的左右边界点的横纵坐标按照扇扫成像时角度坐标校正的逆过程找到原始坐标，根据原始坐标计算缺陷的尺寸，实现扇扫脱粘缺陷的高精度定量计算。结果如图9所示。

实施例2

1)全矩阵数据采集：如图2所示，发射超声波，采用全矩阵数据采集方式采集复合构件回波信号的具体步骤为：假设发射超声波的相控阵列换能器一共有N个阵元，每次激励一个阵元发射超声波，阵列中所有的阵元均接收其反射回波信号，并定义所接收的回波信号为h_1j，然后依次是第二个，第三个……第N个阵元发射超声波，得到N*N组回波信号，构成N×N组全矩阵数据，其中h_ij表示第i个阵元发射超声波，第j个阵元接收，其中i＝1,2……N；j＝1,2……N。；

2)采用基于全矩阵数据的全聚焦快速成像算法，实现构件快速的全聚焦成像，具体步骤为：

步骤1，划分成像区域：如图7所示，针对复合构件粘接检测的特点，即脱粘缺陷只出现在粘接界面位置处，在成像前设置构件的全矩阵数据成像区，即取包含界面处两侧厚度值为H3的区域为全矩阵数据成像区，从而大幅减少全矩阵数据成像的计算量，提高检测速度；

步骤2，具体成像：

2.1对N*N组一维全矩阵数据进行希尔伯特变换

其中H(t)作为信号包络，θ(t)作为瞬时相位而f(t)作为瞬时频率；

2.2建立成像坐标系，对被检测区域进行网格划分，获得每个聚焦点的横纵坐标(x_m,y_n)(m,n＝1,2,3...K)；

2.3根据发射阵元(x_i,0)激发的超声波到聚焦点(x_m,y_n)及聚焦点(x_m,y_n)到接收阵元(x_j,0)的声波传播时间，计算全矩阵数据h_ij(i,j＝1,2……N)在聚焦点(x_m,y_n)的声压幅值I(x_m,y_n)，

如图6所示；

表示第i个发射阵元激发超声波到达目标点(x_m,y_n)，再被第j个阵元所接收需要的时间，h_(i,j)表示第i个发射阵元激发超声波到达目标点(x_m,y_n)，再被第j个阵元所接收的幅值信息，而I(x_m,y_n)表示全部阵元发射接收超声回波信号在聚焦点处的幅值叠加。

2.4重复操作步骤2.2，计算被检测区域划分的网格中每个聚焦点的声压幅值；

2.5对每个聚焦点的声压幅值进行归一化处理，得到被检测区域的全聚焦成像图。

3)采用针对复合构件脱粘检测特点的定量法对成像结果进行阈值处理，确定有效脱粘区域的具体步骤为：取完全脱粘处的回波幅值大小为I₁，好粘处的回波幅值大小为I₂，则界面脱粘缺陷边界处的回波幅值大小I为：

该定量法示意图如图8所示，其中A点为金属非金属好粘处，B和D为脱粘缺陷的边界点，C为完全脱粘点。BD之间的距离为脱粘缺陷的长度，缺陷范围内的声压幅值大小范围为[(I₁+I₂)/2,I₁]，对于扇扫和全聚焦成像，缺陷的尺寸由此回波幅值范围所包含的大小来确定。以此作为阈值判定脱粘缺陷的边界，可检出有效脱粘区域。

4)对经过阈值处理后的成像结果进行二值化处理，得出脱粘缺陷的位置、尺寸信息，实现基于全矩阵数据的复合构件界面粘接质量快速成像定量检测。结果如图10所示。

以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.基于全矩阵数据的复合构件界面快速成像定量检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)全矩阵数据采集：发射超声波，采用全矩阵数据采集方式采集复合构件回波信号，并构成全矩阵数据；具体步骤为：假设发射超声波的相控阵列换能器一共有N个阵元，每次激励一个阵元发射超声波，阵列中所有的阵元均接收其反射回波信号，并定义所接收的回波信号为h_1j，然后依次是第二个，第三个……第N个阵元发射超声波，得到N*N组回波信号，构成N*N组全矩阵数据，其中h_ij表示第i个阵元发射超声波，第j个阵元接收，其中i＝1,2……N；j＝1,2……N；

2)基于全矩阵数据的扇扫快速成像算法，实现构件快速的扇扫成像；具体步骤为：步骤1，划分成像区域：针对复合构件粘接检测的特点，即脱粘缺陷只出现在粘接界面位置处，在成像前设置复合构件的全矩阵数据成像区，即取包含界面处两侧厚度值为H3的区域为全矩阵数据成像区，从而大幅减少全矩阵数据成像的计算量，提高检测速度；

步骤2，具体成像：假设扇扫成像角度范围为(θ₁,θ₂)，依次步进Δθ度确定一条扫描线，则一共需合成1+(θ₂-θ₁)/Δθ条扫描线，对于每一条扫描线的合成，以θ₁角度扫描线为例，将N*N组全矩阵数据依次加延迟，可得到θ₁角度扫描线的合成数据；重复上述步骤，可得到1+(θ₂-θ₁)/Δθ条扫描线数据，即得到的是未经过坐标矫正的扇扫数据；设每条扫描线的采样点为M，则合成的未矫正扇扫的矩阵大小为(1+(θ₂-θ₁)/Δθ)*M；将得到的扇扫数据矫正为扇形成像，即将每一条扫描线上的M个数据的坐标分别根据该扫描线对应的角度进行角度的偏转及相应的坐标矫正，得到矫正后的扇扫成像图；

3)采用针对复合构件脱粘检测特点的定量法对成像结果进行阈值处理，确定有效脱粘区域；具体步骤为：取完全脱粘处的回波幅值大小为I₁，好粘处的回波幅值大小为I₂，则界面脱粘缺陷边界处的回波幅值大小I为：

以此作为阈值判定脱粘缺陷的边界，可检出有效脱粘区域；

4)对经过阈值处理后的成像结果进行二值化处理，得出脱粘缺陷的位置、尺寸信息，实现基于全矩阵数据的复合构件界面粘接质量快速成像定量检测。

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