CN111610254B - 一种基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测装置及方法 - Google Patents

一种基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测装置及方法。本发明的检测装置包括对二维焦平面扫描的激光超声发射模块、与激光超声发射模块匹配的激光超声接收模块，同时连接并协同控制激光超声发射模块与激光超声接收模块的工控模块，所述激光超声发射模块由聚焦振镜和脉冲激光器构成，所述激光超声接收模块由聚焦振镜和激光干涉仪构成，所述工控模块由用于双聚焦振镜协同控制的控制卡1、控制卡2、与两张控制卡匹配的控制软件、超声数据采集卡和全聚焦成像软件构成。本发明可以实现工业部件内部缺陷的非接触式、高效率和高分辨率的超声三维全聚焦成像。

Description

一种基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测装置及 方法
技术领域
本发明属于属于无损检测领域，涉及一种激光超声无损检测技术，特别是一种基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测装置及方法。
背景技术
全矩阵相控阵超声成像技术是近十年发展起来的先进检测技术。其主要原理是，首先通过遍历所有的发射阵元和接收单元的方式，实现全矩阵数据的采集，然后通过虚拟聚焦技术实现全矩阵数据的成像，从而提高了检测分辨率和信噪比更高。但是由于该方法是基于压电超声传感器，检测时必须保证传感器与被检工件的表面良好耦合，所用仅限于接触式检测和离线检测，不适用于复杂形状工件及特殊环境的在线检测。亟待开发具有高分辨和高信噪比的非接触式检测技术。
激光超声以其宽频带、非接触和易于集成特点而成为零部件制造质量与使用安全的重要在线监测手段。但是，传统单激光超声因穿透能力有限，尚无法满足大型构件深埋型缺陷检测需求。利用阵列激光的相位调制来实现声束偏转和聚焦，有效提升了超声穿透能力。但是，目前所采用的相控阵激光超声方法是基于固定的光纤光程差，相位不能够实时调节，体波检测无法形成变角度的扫描声束，检测覆盖范围有限，而且当固定角度的声束与缺陷的取向不好时，易导致缺陷漏检和评定误差。
因此，开发兼具高速采集、高分辨成像和高穿透能力的非接触式激光超声全聚焦成像检测方法，具有对工业部件内部缺陷的在线检测重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于高速振镜协同扫描的激光超声全聚焦成像检测装置及方法，以实现工业部件内部缺陷的非接触、高效率和高分辨三维成像检测。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测方法，该检测方法采用的设备包括工控模块、对二维焦平面扫描的激光超声发射模块及与激光超声发射模块匹配的激光超声接收模块，所述激光超声接收模块为干涉仪型接收模块，所述工控模块用于同时连接并协同控制激光超声发射模块与激光超声接收模块，其特征在于，激光超声全聚焦成像检测方法具体包括以下步骤；
S1.设定激光超声发射模块和激光超声接收模块在被检测工件表面的M×N个二维扫查点和扫查点间隔p，二维扫查点为P(1,1)至P(M,N)；
S2.通过激光超声接收模块进行接收激光按照被检测工件表面P(1,1)至P(M,N)逐个扫描的动作；
S3.当接收激光扫描至任意P(m,n)点时，控制激光超声发射模块实现激励激光按照P(1,1)至P(M,N)所有二维扫查点的遍历扫描；
S4.利用工控模块接收并记录任意一对激励激光扫描点P(m1,n1)和接收激光扫描点P(m2,n2)，建立匹配的超声波波形S(m1,n1,m2,n2,t)，t为激光超声发射模块和激光超声接收模块与被测工件检测点之间的激光传播时间；
S5.设定工件内部的目标聚焦点F(x,y,z)，计算聚焦点至扫描点P(1,1)之间的距离d0，根据超声波在被检测对象中的传播声速c，设传播时间为t0，按公式t0＝d0/c计算得到传播时间，并以t0作为基准时间；
S6.按照S5所述方法，依次计算所有扫描点P与目标聚焦点F之间的距离及传播时间，构成传播时间矩阵t(M,N),利用传播时间矩阵减去基准时间得到时间延迟矩阵Δt(M,N)＝t(M,N)-t0；
S7.根据超声波形S(m1,n1,m2,n2,t)所携带的扫描位置信息，从延迟矩阵中提取激励时间延迟Δt(m1,n1)和接收时间延迟Δt(m2,n2)；
S8.将超声波形数据按照时间延迟进行平移得到修正的波形数据为：
S1(m1,n1,m2,n2,t+Δt(m1,n1)+Δt(m2,n2))；
S9.从修正的波形数据S1中提取所有位置点的数据进行叠加，得到聚焦点F(x,y,z)的聚焦信号
Figure BDA0002495644580000021
S10.依次对目标检测区域内三维空间的所有位置F(x,y,z)按照步骤S9所述方法进行数据处理，得到全范围聚焦信号；
S11.将三维空间内的全范围聚焦信号进行绘制，得到全聚焦超声三维图。
优选的，所述激光超声发射模块由聚焦振镜和脉冲激光器构成，所述激光超声接收模块由聚焦振镜和激光干涉仪构成。
优选的，所述工控模块包括控制卡1、控制卡2、超声数据采集卡和对应的控制分析软件。
优选的，所述的聚焦振镜为具有实现激励激光和接收激光的焦平面位于工件表面功能的高速振镜与场镜的组合、高速振镜与动态聚焦镜的组合或三维振镜。
优选的，所述步骤S2和步骤S3可以互换，即先通过激光超声发射模块对被检测工件表面的二维扫查点进行扫查，然后当激励激光扫描至任意一点时，通过工控模块控制激光超声接收模块发射接收激光将所有二维扫查点的遍历扫描。
优选的，步骤S11中绘制全聚焦超声三维图具体方法如下：
通过三个方向的投影视图分别获得的B扫描全聚焦图像、C扫描全聚焦图像和D扫描全聚焦图像，然后将三个扫描全聚焦图像相结合绘制而成。
一种基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测装置，其特征在于：包括工控模块、激光超声发射模块及与激光超声发射模块匹配的激光超声接收模块，所述激光超声发射模块包括聚焦振镜和脉冲激光器，用于在被检测工件表面发射二维扫查点的激励激光；所述激光超声接收模块包括聚焦振镜和激光干涉仪，用于在被检测工件表面发射接收激光进行激光干涉超声检测，所述工控模块用于控制激光超声发射模块和激光超声接收模块的协同动作和采集分析超声检测数据；所述工控模块包括控制卡1、控制卡2、超声数据采集卡和对应的控制分析软件。
优选的，所述全聚焦成像软件，再额外集成有根据超声传播的声速参数调整，计算纵波和横波两种波型全聚焦成像的软件算法。
优选的，步骤S1-S11，在所述的数据采集及全聚焦成像方法中，当设置二维扫描点的某一维度的扫描点数为1时，该方法即为一维线阵的数据采集及全聚焦成像方法。
本发明的有益效果在于：本发明首先通过激励和接收高速振镜的协同控制，实现了激励激光和接收激光在工件表面的高速扫描，相比于传统基于机械平台运动的扫描方式，大大提升了数据采集的效率和精度，以及激光超声设备的稳定性；其次本发明通过激光来实现超声数据的激励和接收，从而可以做到完全非接触式的超声检测，可以应用于高温部件、远距离检测等特殊工程场景；最后本发明的激光超声全聚焦成像方法，通过延迟叠加算法将工件内部任意位置处理为超声聚焦点，从而可以实现激光扫描所覆盖的范围内的埋藏型缺陷的高分辨三维成像，提高了缺陷的检测深度和检测精度。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中激光超声全聚焦成像检测装置的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中的激光二维扫描示意图；
图3为本发明具体实施方式中的超声三维成像示意图；
图4为本发明具体实施方式中的超声信号延时叠加修正示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测装置，包括对二维焦平面扫描的激光超声发射模块、与激光超声发射模块匹配的激光超声接收模块，同时连接并协同控制激光超声发射模块与激光超声接收模块的工控模块，其特征在于：所述激光超声发射模块由聚焦振镜和脉冲激光器构成，所述激光超声接收模块由聚焦振镜和激光干涉仪构成，所述工控模块由用于双聚焦振镜协同控制的控制卡1、控制卡2、与两张控制卡匹配的控制软件、超声数据采集卡和全聚焦成像软件构成。需要说明的是本发明控制软件和全聚焦成像软件均采用现有技术中常规控制软件即可，无需定制特殊算法的软件，本领域普通技术人员根据本发明公开记载的激光超声发射模块和激光超声接收模块扫描方式即可编写或者从公共渠道获取。
所述的聚焦振镜，具体为具有实现激励激光和接收激光的焦平面位于工件表面功能的高速振镜与场镜的组合。
激光二维扫描数据采集原理如图2所示，包括以下步骤：
S1.设定脉冲激光器高速振镜和激光干涉仪高速振镜的M×N个二维扫查点和扫查点间隔p，二维扫查点为P(1,1)至P(M,N)；
S2.激光干涉仪高速振镜实现接收激光按照P(1,1)至P(M,N)逐个扫描；
S3.当接收激光扫描至任意P(m,n)点时，控制激光超声发射模块的脉冲激光器和聚焦振镜实现激励激光按照被检测工件表面P(1,1)至P(M,N)所有扫描点的遍历扫描；
S4.对任意一对激励激光扫描点P(m1,n1)和接收激光扫描点P(m2,n2)，利用数据采集卡记录接收到的超声波波形S(m1,n1,m2,n2,t)；为激光超声发射模块和激光超声接收模块与被测工件检测点(即目标聚焦点F)之间的激光传播时间时间；
S5.设定工件内部的目标聚焦点F(x,y,z)，计算聚焦点至扫描点P(1,1)之间的距离d0，如图2所示，本实施例中，扫描点P(1,1)为空间三维坐标系内的原点，根据超声波在被检测对象中的传播声速c，设传播时间为t0，按公式t0＝d0/c计算得到传播时间，并以t0作为基准时间；
S6.按照S5所述方法，依次计算所有扫描点P与目标聚焦点F之间的距离及传播时间，构成传播时间矩阵t(M,N)，利用传播时间矩阵减去基准时间得到时间延迟矩阵Δt(M,N)＝t(M,N)-t0；
S7.根据超声波形S(m1,n1,m2,n2,t)所携带的扫描位置信息，从延迟矩阵中提取激励时间延迟Δt(m1,n1)和接收时间延迟Δt(m2,n2)；
S8.将超声波形数据按照时间延迟进行平移得到修正的波形数据为：
S1(m1,n1,m2,n2,t+Δt(m1,n1)+Δt(m2,n2))；
S9.从修正的波形数据S1中提取所有位置点的数据进行叠加，从而得到聚焦点F(x,y,z)的聚焦信号
Figure BDA0002495644580000051
如图4所示；
S10.依次对目标检测区域内三维空间的所有位置F(x,y,z)按照上述方法进行数据处理，从而得到全范围聚焦信号；
S11.将三维空间内的全范围聚焦信号进行绘制得到全聚焦超声三维图，通过三个方向的投影视图可以分别获得B扫描全聚焦图像、C扫描全聚焦图像和D扫描全聚焦图像，最终获得的全聚焦图像如图3所示。
本发明首先通过激励和接收高速振镜的协同控制，实现了激励激光和接收激光在工件表面的高速扫描，相比于传统基于机械平台运动的扫描方式，大大提升了数据采集的效率和精度，以及激光超声设备的稳定性；其次本发明通过激光来实现超声数据的激励和接收，从而可以做到完全非接触式的超声检测，可以应用于高温部件、远距离检测等特殊工程场景；最后本发明的激光超声全聚焦成像方法，通过延迟叠加算法将工件内部任意位置处理为超声聚焦点，从而可以实现激光扫描所覆盖的范围内的埋藏型缺陷的高分辨三维成像，提高了缺陷的检测深度和检测精度。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测方法，该检测方法采用的设备包括工控模块、对二维焦平面扫描的激光超声发射模块及与激光超声发射模块匹配的激光超声接收模块，所述激光超声接收模块为干涉仪型接收模块，所述工控模块用于同时连接并协同控制激光超声发射模块与激光超声接收模块，其特征在于，激光超声全聚焦成像检测方法具体包括以下步骤；
S1.设定激光超声发射模块和激光超声接收模块在被检测工件表面的M×N个二维扫查点和扫查点间隔p，二维扫查点为P(1,1)至P(M,N)；
S2.通过激光超声接收模块进行接收激光按照被检测工件表面P(1,1)至P(M,N)逐个扫描的动作；
S3.当接收激光扫描至任意P(m,n)点时，控制激光超声发射模块实现激励激光按照P(1,1)至P(M,N)所有二维扫查点的遍历扫描；
S4.利用工控模块接收并记录任意一对激励激光扫描点P(m1,n1)和接收激光扫描点P(m2,n2)，建立匹配的超声波波形S(m1,n1,m2,n2,t)，t为激光超声发射模块和激光超声接收模块与被测工件检测点之间的激光传播时间；
S5.设定工件内部的目标聚焦点F(x,y,z)，计算聚焦点至扫描点P(1,1)之间的距离d0，根据超声波在被检测对象中的传播声速c，设传播时间为t0，按公式t0＝d0/c计算得到传播时间，并以t0作为基准时间；
S6.按照S5所述方法，依次计算所有扫描点P与目标聚焦点F之间的距离及传播时间，构成传播时间矩阵t(M,N),利用传播时间矩阵减去基准时间得到时间延迟矩阵Δt(M,N)＝t(M,N)-t0；
S7.根据超声波形S(m1,n1,m2,n2,t)所携带的扫描位置信息，从延迟矩阵中提取激励时间延迟Δt(m1,n1)和接收时间延迟Δt(m2,n2)；
S8.将超声波形数据按照时间延迟进行平移得到修正的波形数据为：
S1(m1,n1,m2,n2,t+Δt(m1,n1)+Δt(m2,n2))；
S9.从修正的波形数据S1中提取所有位置点的数据进行叠加，得到聚焦点F(x,y,z)的聚焦信号
Figure FDA0003086329270000021
S10.依次对目标检测区域内三维空间的所有位置F(x,y,z)按照步骤S9所述方法进行数据处理，得到全范围聚焦信号；
S11.将三维空间内的全范围聚焦信号进行绘制，得到全聚焦超声三维图。
2.根据权利要求1所述的基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测方法，其特征在于：所述激光超声发射模块由聚焦振镜和脉冲激光器构成，所述激光超声接收模块由聚焦振镜和激光干涉仪构成。
3.根据权利要求2所述的基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测方法，其特征在于：所述工控模块包括控制卡1、控制卡2、超声数据采集卡和对应的控制分析软件。
4.根据权利要求2所述的基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测方法，其特征在于：所述的聚焦振镜为具有实现激励激光和接收激光的焦平面位于工件表面功能的高速振镜与场镜的组合、高速振镜与动态聚焦镜的组合或三维振镜。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测方法，其特征在于：所述步骤S2和步骤S3可以互换，即先通过激光超声发射模块对被检测工件表面的二维扫查点进行扫查，然后当激励激光扫描至任意一点时，通过工控模块控制激光超声接收模块发射接收激光将所有二维扫查点的遍历扫描。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的基于高速振镜协同的激光超声全聚焦成像检测方法，其特征在于：步骤S11中绘制全聚焦超声三维图具体方法如下：
通过三个方向的投影视图分别获得的B扫描全聚焦图像、C扫描全聚焦图像和D扫描全聚焦图像，然后将三个扫描全聚焦图像相结合绘制而成。
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