CN111521683A

CN111521683A - 一种基于多阵元等幅同步激励的材料缺陷超声三维成像方法

Info

Publication number: CN111521683A
Application number: CN202010369732.3A
Authority: CN
Inventors: 吴斌; 刘萧冰; 焦敬品; 刘秀成; 何存富
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-05-06
Filing date: 2020-05-06
Publication date: 2020-08-11

Abstract

本发明公开一种基于多阵元等幅同步激励的材料缺陷超声三维成像方法，首先，在各扫查位置处，一维线性阵列超声换能器只进行若干次多阵元等幅同步激励，所有阵元接收回波信号，以得到少量的超声回波数据。其次，利用压缩感知技术，从超声回波数据中重构全矩阵数据，并对重构的全矩阵数据进行全聚焦处理，获取不同扫查位置处的材料断面超声成像结果。最后，将不同位置处的切片超声成像结果根据空间扫查位置排列，并以三维体图像进行展示，确定出材料内部的缺陷位置及外轮廓信息。相比全矩阵数据全聚焦方法，本发明的优势在于提出了一种新的阵列信号采集方式，可以利用更少的数据完成超声三维成像，节省扫查时间，提高了检测效率。

Description

一种基于多阵元等幅同步激励的材料缺陷超声三维成像方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，更具体地，涉及一种基于一维线性阵列超声换能器的缺陷三维成像方法。

背景技术

因为灵敏度高、成本低等优点，超声检测技术被广泛应用于工业无损检测领域。与传统的二维超声成像相比，近几年来发展起来的三维超声成像技术可以更加直观的展示缺陷检测的结果，解决了空间表征能力不强的缺点。

超声三维成像的实现从使用的传感器角度来看主要分为两种，一种借助二维传感器阵列采集超声信号，利用延时叠加等方法直接生成三维体数据，但二维阵列工艺复杂，成本较高；另一种为利用一维阵列的切片成像方式。通过沿垂直切片的方向移动阵列换能器，在切片位置上采集全矩阵数据，对全聚焦处理后的切片图像数据再排列，就可利用图像处理的方式实现三维成像。这种方法比较简单，但一组全矩阵数据的采集就需要多次激励和接收，在三维成像中更需要在多个位置分别进行全矩阵数据采集，采集信号数据量较大且耗时长的问题更加明显。

针对利用一维阵列切片成像方式存在的数据量大、检测速度慢的技术不足，本发明提出了一种新的超声三维成像方法，主要体现在一种多阵元等幅同步激励下的阵列信号采集方式及缺陷三维成像算法。

发明内容

本发明内容在于提出一种基于多阵元等幅同步激励的材料缺陷超声三维成像方法。该方法利用一维线性阵列超声换能器对含缺陷金属材料进行扫查检测。首先，在各扫查位置处，一维线性阵列超声换能器只进行若干次多阵元等幅同步激励，所有阵元接收回波信号，以得到少量的超声回波数据。其次，利用压缩感知技术，从超声回波数据中重构全矩阵数据，并对重构的全矩阵数据进行全聚焦处理，获取不同扫查位置处的材料断面(切片)超声成像结果。最后，将不同位置处的切片超声成像结果根据空间扫查位置排列，并以三维体图像进行展示，确定出材料内部的缺陷位置及外轮廓信息。

本发明提出的适用于超声一维阵列三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)将一维线性阵列超声换能器(阵元数量为N)置于检测材料表面，进行M(M<N)次多阵元等幅同步激励、所有阵元接收回波信号的操作，其中第i(i＝1,2,3,…M)次激励时第k(k＝1,2,3,…N)个阵元是否激励(0表示不激励，1表示激励)的结果对应测量矩阵Φ的第i行第k列元素的值，所有阵元接收的信号构成N×n的二维矩阵，其中n为超声回波信号的采样点数；

(b)在单一位置z处完成M次多阵元等幅同步激励、所有阵元接收回波信号的操作后，获得M×N×n的三维超声回波数据P_z，并记录M×N的二维测量矩阵Φ_z，重复步骤(a)，直至扫描路径上所有位置z的测量矩阵Φ_z和超声回波数据P_z采集完成；

(c)针对单一位置处获得的回波信号，将测量矩阵Φ_z、优选的稀疏基矩阵Ψ_z和超声信号数据P_z输入正交匹配追踪、L1范数优化等重构算法，恢复得到全矩阵数据m_z；

(d)对全矩阵数据m_z进行全聚焦处理，得到位置z处的切片平面成像数据I_z，将I_z根据空间位置z依序排列得到三维体成像数据，利用图像显示技术生成缺陷检测的三维图像。

有限次多阵元等幅同步激励方式如图1所示，填充为斜条纹的矩形框为激励阵元，填充为网格的矩形框为接收阵元。对于阵元个数为N的超声阵列，每次选择S(S≤N)个阵元进行激励，所有阵元接收并存储回波信号。激励阵元的个数与位置为随机的，激励幅值与激励时刻相同。激励次数不同时，激励阵元的个数和位置不同。

根据线性声学理论可知，多阵元等幅同步激励方式下采集的超声数据可以利用全矩阵数据的线性组合表示，其表达式为

其中i≤N,j≤M (1)

式中，N表示超声相控阵阵元总的个数；M表示多阵元等幅同步激励的总的次数；i表示全矩阵数据采集中激励阵元的序号；j表示多阵元激励方式下激励次数的序号；k表示接收模式下接收阵元的序号；a_tx(j,i)为激励系数，由第j次多阵元等幅同步激励时，第i个阵元是否激励超声信号决定；m(i,k,t)为全矩阵数据中第i个阵元激励、第k个阵元接收到的超声信号，P(j,k,t)为第j次多阵元等幅同步激励方式下第k个阵元接收到的超声信号。

当M≤N时，有限次多阵元等幅同步激励方式下捕获的超声信号即为对全矩阵数据的压缩采样。选定某一接收阵元K及采样时刻T，则式(1)可转换为

y＝Φx (2)

其中x＝[m(1,K,T)，m(2,K,T)…，m(N,K,T)]

y＝[P(1,K,T),P(2,K,T),…,P(M,K,T)]

式中，x∈R^N表示原始信号，Φ∈R^M*N为测量矩阵，y∈R^M表示测量值。

根据压缩感知理论，结合全矩阵数据的特性，可利用小波基等作为稀疏基，利用正交匹配追踪等求解方式可从测量值y重构出原始信号x。，利用。遍历每一个接收阵元，每一个采样时刻，即可从有限次多阵元等幅同步激励方式下采集的超声信号中重构出全矩阵数据。

针对多阵元等幅同步激励方式下位置z处获得的回波信号P_z进行数据重构，对重构出的全矩阵数据m_z进行全聚焦处理，得到位置z处的切片平面成像数据I_z，将I_z根据空间位置z依序排列得到三维体成像数据，利用图像显示技术生成缺陷检测的三维图像，即可确定出材料内部的缺陷位置及外轮廓信息。

附图说明

图1多阵元等幅同步激励方式下的信号采集示意图

图2超声三维成像检测系统示意图

图3基于多阵元等幅同步激励的三维成像方法流程图

图4切片全聚焦成像结果图

图5三维体数据多个切片成像结果图

图6超声三维成像展示图

图中：1-阵元2-夹具3-一维线性阵列超声换能器4-待检试件5-内部缺陷

具体实施方式

以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了具体的实施方案和操作过程，但本发明保护的范围不限于下述的实施例。

如图2所示，一种基于超声一维阵列的三维成像装置，包括：超声阵列换能器，用于控制换能器激励和接收的超声相控阵系统，夹持换能器进行移动的扫描架，控制扫描架及进行信号处理的上位机。被检测对象为30mm*30mm*60mm的铝块试件，波速为6300m/s，内部含有两个直径约为2mm的类球状缺陷。所用换能器为32阵元的超声阵列探头，中心频率为5MHz。激励信号为中心频率5MHz的5周期的汉宁窗调制的正弦信号。采样频率设置为50MHz，采样点数设置为5000。阵列位于检测试件的上表面，其方向与x轴一致，阵列换能器沿y轴进行移动扫查30mm,步进间隔为1mm。

如图3所示，多阵元等幅同步激励方式下的三维成像步骤如下：

(1)将一维阵列超声换能器置于试件上方，在第1个检测位置进行16次多阵元等幅同步激励,获得16×32×5000的三维超声回波数据矩阵P₁。其中第1次激励时激励阵元的序号分别为1、3、4、7、15、21、25、30，第2次激励时激励阵元的序号分别是1、5、9、10、12、13、18、21、24、26，……。此时，测量矩阵Φ₁为16×32的二维数组，其中第1行为[10110010000000100000100010000100]，第2行为[10001000110110000100100101000000]。

(2)采集完位置1处的数据后，沿y轴移动一维阵列至下一个位置，重复步骤1，直至30个位置的超声回波数据P_z(z＝[1,2,……30],z为检测位置序号)采集完成，得到30组16×32×5000的三维超声回波数据,同时记录每次对应的测量矩阵Φ_z。为快速实现三维成像，本实施例中每个位置的多阵元等幅同步激励方式均与第1个位置相同，

(3)对第1个位置处采集得到的信号进行处理。根据激励方式设置矩阵Φ₁以及优选出的稀疏基矩阵Ψ₁，利用采集到的信号重构全矩阵数据，进行全聚焦处理。本发明的实施例中采用Haar-1小波基作为稀疏基构建稀疏基矩阵Ψ₁。提取信号P₁中第1个接收阵元，第1个采样时刻的数据，y＝[P₁(1,1,1),P₁(2,1,1),…,P₁(16,1,1)]，根据测量矩阵Φ₁及构建的稀疏基矩阵Ψ₁，利用正交匹配追踪法，重构全矩阵数据中第1个接收阵元，第1个采样时刻的数据x＝[m₁(1,1,1),m₁(2,1,1),…,m₁(32,1,1)]。遍历每一个接收阵元，每一个采样时刻，即可从16次的多阵元等幅激励方式下采集信号P₁中恢复出32次单阵元依次激励方式下的全矩阵数据m₁。

(4)对位置1处重构的全矩阵数据m₁进行全聚焦处理，得到位置1处的切片平面成像数据I₁。本发明的实施例中以0.1mm为间距将检测区域离散成300*600个网格点，得到300*600的二维数组I₁，即检测位置1下切片(xz平面)的成像数据。

(5)对不同位置的多阵元激励方式下采集的信号进行处理，按照步骤3重构全矩阵数据，并利用全聚焦技术得到对应位置处的切片平面成像数据I₂、I₃…I₃₀。图4展示了第5个位置处的切片平面成像数据I₅。根据空间位置z将二维成像数据I_z依次排序得到三维体数据。图5展示了三维体数据中第5个位置及第25个位置对应的切片成像数据。利用表面轮廓法等三维显示技术生成三维图像，三维展示的效果如图6所示。

上述步骤只是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。

Claims

1.一种基于多阵元等幅同步激励的材料缺陷超声三维成像方法，其特征在于，利用一维线性阵列超声换能器对含缺陷金属材料进行检测，通过若干次多阵元等幅同步激励、所有阵元接收的操作获得超声回波数据，利用压缩感知技术对超声数据进行处理以重构出全矩阵数据并用于全聚焦成像，得到检测位置处材料断面的超声成像数据，再将不同位置处的切片超声成像数据根据空间扫查位置排列，得到材料缺陷的超声三维成像结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于多阵元等幅同步激励的材料缺陷超声三维成像方法，其特征在于，第一步，将一维线性阵列超声换能器置于检测材料表面，阵元数量为N，进行M次多阵元等幅同步激励、所有阵元接收回波信号的操作，其中第i次激励时第k个阵元是否激励的结果对应测量矩阵Φ的第i行第k列元素的值，所有阵元接收的信号构成N×n的二维矩阵，其中n为超声回波信号的采样点数。

3.根据权利要求2所述的一种基于多阵元等幅同步激励的材料缺陷超声三维成像方法，其特征在于，第二步，在单一位置z处完成M次多阵元等幅同步激励、所有阵元接收回波信号的操作后，获得M×N×n的三维超声回波数据P_z，并记录M×N的二维测量矩阵Φ_z，重复第一步，直至扫描路径上所有位置z的测量矩阵Φ_z和超声回波数据P_z采集完成。

4.根据权利要求3所述的一种基于多阵元等幅同步激励的材料缺陷超声三维成像方法，其特征在于，第三步，针对单一位置处获得的回波信号，将测量矩阵Φ_z、优选的稀疏基矩阵Ψ_z和超声信号数据P_z输入正交匹配追踪、L1范数优化等重构算法，恢复得到全矩阵数据m_z。

5.根据权利要求4所述的一种基于多阵元等幅同步激励的材料缺陷超声三维成像方法，其特征在于，第四步，对全矩阵数据m_z进行全聚焦处理，得到位置z处的切片平面成像数据I_z，将I_z根据空间位置z依序排列得到三维体成像数据，利用图像显示技术生成缺陷检测的三维图像。

6.根据权利要求1所述的多阵元等幅同步激励方法，其特征在于，多阵元的数量S大于N/2且小于N，激励次数M大于N/4，每次检测时激励阵元数量、位置及总的激励次数随机改变。