CN111855809B - 一种基于复合模式全聚焦的裂纹形貌重建方法 - Google Patents

一种基于复合模式全聚焦的裂纹形貌重建方法 Download PDF

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Abstract

一种基于复合模式全聚焦的裂纹形貌重建方法，其属于无损检测技术领域。该方法采用相控阵超声检测仪、相控阵超声探头和倾斜楔块构成的相控阵超声检测系统，利用相控阵全矩阵捕捉模块采集包括21种模式波的A扫描信号矩阵；基于费马定理，计算21种模式波在楔块与被检试块界面处的折射点位置，得到被检区域内每种模式波的幅值信号；针对每一个重建点从上述21种模式波中选择能量最强信号；最后，通过复合叠加实现不同取向裂纹的形貌重建。该方法能够利用一套探头楔块组合，通过一次信号采集实现不同取向裂纹形貌重建，进而对裂纹长度、深度和取向精确定量；该方法可嵌入到探伤仪中，实现未知取向裂纹检出与定量，具有较高工程应用前景。

Description

一种基于复合模式全聚焦的裂纹形貌重建方法
技术领域
本发明涉及一种基于复合模式全聚焦的裂纹形貌重建方法，其属于无损检测技术领域。
背景技术
裂纹定量、定位和定取向是无损检测领域始终关注的问题。常规相控阵超声检测技术具有对面积型缺陷敏感、成像检测结果显示直观、缺陷定量与定位准确等优点，被广泛用于裂纹检测。然而，常规相控阵超声技术仅能呈现裂纹端点特征，成像结果受裂纹取向影响，不能给出裂纹完整形貌信息，甚至可能引起缺陷性质误判，导致缺陷危害程度估计不足。
为解决上述问题，国内外学者结合成像处理技术改善图像质量，力求直观、全面和准确地呈现裂纹形貌特征信息。逆时偏移成像可以获得裂纹近似形貌，但方法适用性受噪声影响较大，且计算效率偏低。全聚焦方法利用相控阵超声各阵元依次激励声波，且所有阵元同时接收回波信号，以获得包含被检裂纹信息的全矩阵数据。该方法可以提升成像分辨力和信噪比，但不能完整表征裂纹形貌。在此基础上，考虑直接、半跨和全跨模式，共存在21种模式波。对于特定取向裂纹，可从上述21种模式波中选取指向性最好的一种进行延时叠加成像，从而给出该裂纹形貌特征。这种方法称为多模式全聚焦方法，其适用范围受楔块角度与裂纹取向的相对关系影响，每种模式波可表征的裂纹取向范围不超过20°。特别是待测缺陷取向未知时，难以明确成像所用模式波类型，检测效率和可靠性降低。
发明内容
本发明提供一种基于复合模式全聚焦的裂纹形貌重建方法，其目的是针对裂纹形貌完整表征困难、可能引起缺陷性质误判的问题，利用相控阵超声检测仪的全矩阵捕捉功能配合倾斜楔块采集A扫描信号矩阵，并对被检区域逐点进行21种模式波中能量最强信号的复合叠加，实现不同取向裂纹的完整形貌表征。
本发明采用的技术方案是：采用由相控阵超声检测仪、相控阵超声探头和倾斜楔块构成的检测系统，采集包括21种模式波的A扫描信号矩阵；基于费马定理，计算21种模式波在楔块与被检试块界面处的折射点位置，得到被检区域内每种模式波的幅值信号；针对每一个重建点，从上述21种模式波中选择能量最强信号；最后，通过复合叠加实现不同取向裂纹的形貌重建；所述方法采用下列步骤：
(a)相控阵超声检测参数选择
根据被检试块的材料、形状和尺寸信息选取相控阵超声检测参数，参数包括相控阵超声探头频率、阵元数量以及楔块型号；
(b)A扫描信号矩阵采集
基于选定的相控阵超声检测参数，利用相控阵超声检测仪全矩阵捕捉功能一次采集包括不同模式波的A扫描信号矩阵，并以txt格式保存；对于一个阵元数为n的相控阵探头，A扫描信号数量为n2；
(c)坐标系建立及图像重建区域网格划分
以楔块和被检试块界面为x轴，探头第一阵元中心位置到x轴的投影点为坐标原点，楔块前沿方向为x轴正向，试块深度方向为y轴正向建立坐标系，将被检区域划分成M×N个矩形网格，网格节点即为各图像重建点；
(d)模式波种类确定
根据声束传播路径不同，分为三类模式：直接模式中声束由阵元发射，与裂纹作用后直接返回阵元；半跨模式中声束由阵元发射经试块底部反射后，与裂纹作用并直接返回阵元；全跨模式中声束由阵元发射，经试块底部反射与裂纹作用后，又经底部反射返回至阵元；超声波在楔块与被检试块界面、试块底部和裂纹表面发生波型转换，故三类模式共分为21种波型组合；
(e)折射点位置求解
第p种模式波发射和接收时，在楔块和被检试块界面处的折射点横坐标分别为xpi与xpj，根据费马定理利用式(1)求出：
Figure BDA0002591009540000031
式中，1≤p≤21，tpi表示第i个阵元激励声束传播到重建点所用时间，tpj表示重建点散射回波到达第j个阵元所用时间；根据声束传播路径与波型，求得tpi与tpj；
(f)复合模式全聚焦图像重建
对于每一个图像重建点(a,b)，其中1≤a≤M，1≤b≤N，在第i个阵元发射，第j个阵元接收的信号Aij中筛选21种模式波中能量最强信号，得到该点对应幅值Iij(a,b):
Figure BDA0002591009540000032
式中，tp(a,b)为第p种模式波在点(a,b)处的传播时间；
重复以上步骤对被检区域逐点进行复合叠加，得到复合模式全聚焦重建图像，图像中点(a,b)的复合叠加幅值I(a,b)为：
Figure BDA0002591009540000033
(g)裂纹定量、定位和定取向
依据复合模式全聚焦成像结果，读取成像区域内的峰值坐标点，利用-6dB法即获得不同取向裂纹的深度、尺寸与倾斜角度。
本发明的有益效果是：这种基于复合模式全聚焦的裂纹形貌重建方法利用一套相控阵探头楔块组合，通过一次信号采集实现不同取向裂纹形貌重建，同时实现不同取向裂纹的形貌表征，为裂纹长度、深度和取向的精确定量提供了有效解决方法。同时，该方法涉及的算法可嵌入到探伤仪中，实现未知取向裂纹检出与定量，具有较高的工程应用和推广价值。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
图1是采用的超声检测系统示意图。
图2是加工不同取向裂纹的试块示意图。
图3是信号采集时建立的坐标系示意图。
图4是被检试块内部中心深度24mm、长度5mm、取向角度-60°裂纹的复合模式全聚焦重建图像。
图5是被检试块内部中心深度24mm、长度5mm、取向角度-30°裂纹的复合模式全聚焦重建图像。
图6是被检试块内部中心深度24mm、长度5mm、取向角度0°裂纹的复合模式全聚焦重建图像。
图7是被检试块内部中心深度24mm、长度5mm、取向角度30°裂纹的复合模式全聚焦重建图像。
图8是被检试块内部中心深度24mm、长度5mm、取向角度60°裂纹的复合模式全聚焦重建图像。
具体实施方式
基于复合模式全聚焦的裂纹形貌重建方法，采用的超声检测系统如图1所示，其中包括相控阵超声检测仪、相控阵超声探头、倾斜有机玻璃楔块。具体检测及处理步骤如下：
(a)被检试块为厚度40mm的碳钢试块，试块中加工了中心深度24mm、长度5mm，取向角度分别为0°、±30°和±60°裂纹(竖直方向为0°，顺时针方向为正)，如图2所示。
利用相控阵超声检测仪，采用中心频率5MHz、64阵元的相控阵探头配合45°楔块对试块进行检测，其中探头第一阵元高度18.82mm、采样频率100MHz，楔块纵波声速为2330m/s，试块横波声速3230m/s，纵波声速5900m/s。
(b)利用相控阵超声检测仪的全矩阵捕捉功能对被检试块进行信号采集，获得包含不同模式波的A扫描信号矩阵，以数据文本形式导出，A扫描信号数量为642＝4096。
(c)如图3所示，建立直角坐标系:以楔块和被检试块界面为x轴，探头第一阵元中心位置到x轴的投影点为坐标原点，楔块前沿方向为x轴正向，试块深度方向为y轴正向建立坐标系,并将检测区域划分成100×100个矩形网格。
(d)根据声束传播路径不同，分为三类模式：直接模式中声束由阵元发射，与裂纹作用后直接返回阵元；半跨模式中声束由阵元发射经试块底部反射后，与裂纹作用并直接返回阵元；全跨模式中声束由阵元发射，经试块底部反射与裂纹作用后，又经底部反射返回至阵元；超声波在楔块与被检试块界面、试块底部和裂纹表面发生波型转换，故三类模式共分为21种波型组合；
(e)折射点位置求解
第p种模式波发射和接收时，在楔块和被检试块界面处的折射点横坐标分别为xpi与xpj，根据费马定理利用式(1)求出：
Figure BDA0002591009540000061
式中，1≤p≤21，tpi表示第i个阵元激励声束传播到重建点所用时间，tpj表示重建点散射回波到达第j个阵元所用时间；根据声束传播路径与波型，求得tpi与tpj；
(f)复合模式全聚焦图像重建
对于每一个图像重建点(a,b)，其中1≤a≤M，1≤b≤N，在第i个阵元发射，第j个阵元接收的信号Aij中筛选21种模式波中能量最强信号，得到该点对应幅值Iij(a,b):
Figure BDA0002591009540000062
式中，tp(a,b)为第p种模式波在点(a,b)处的传播时间；
重复以上步骤对被检区域逐点进行复合叠加，得到复合模式全聚焦重建图像，图像中点(a,b)的复合叠加幅值I(a,b)为：
Figure BDA0002591009540000063
(g)针对21种模式波进行信号复合叠加，得到复合模式全聚焦图像。图4至图8依次给出取向角度-60°、-30°、0°、30°和60°裂纹的复合模式全聚焦图像。由图可见，裂纹成像质量好，检测分辨力较高，且整体形貌得到完整表征。计算可得，-60°、-30°、0°、30°和60°裂纹长度定量结果分别为5.11mm、5.38mm、5.15mm、5.38mm和5.20mm，中心深度定位结果分别为23.60mm、23.78mm、24.58mm、24.21mm和24.30mm，取向角度定量结果分别为-59.42°、-30.78°、-0.56°、29.76°和59.98°。与预设裂纹的长度、深度和取向角度相比，定量误差分别不超过0.38mm、0.58mm和0.78°。该方法实现了不同取向裂纹形貌重建，且定量和定位误差较小，满足工程需求。

Claims (1)

1.一种基于复合模式全聚焦的裂纹形貌重建方法，其特征在于：该方法采用由相控阵超声检测仪、相控阵超声探头和倾斜楔块构成的检测系统，采集包括21种模式波的A扫描信号矩阵；基于费马定理，计算21种模式波在楔块与被检试块界面处的折射点位置，得到被检区域内每种模式波的幅值信号；针对每一个重建点，从上述21种模式波中选择能量最强信号；最后，通过复合叠加实现不同取向裂纹的形貌重建；所述方法采用下列步骤：
(a)相控阵超声检测参数选择
根据被检试块的材料、形状和尺寸信息选取相控阵超声检测参数，参数包括相控阵超声探头频率、阵元数量以及楔块型号；
(b)A扫描信号矩阵采集
基于选定的相控阵超声检测参数，利用相控阵超声检测仪全矩阵捕捉功能一次采集包括不同模式波的A扫描信号矩阵，并以txt格式保存；对于一个阵元数为n的相控阵探头，A扫描信号数量为n2；
(c)坐标系建立及图像重建区域网格划分
以楔块和被检试块界面为x轴，探头第一阵元中心位置到x轴的投影点为坐标原点，楔块前沿方向为x轴正向，试块深度方向为y轴正向建立坐标系，将被检区域划分成M×N个矩形网格，网格节点即为各图像重建点；
(d)模式波种类确定
根据声束传播路径不同，分为三类模式：直接模式中声束由阵元发射，与裂纹作用后直接返回阵元；半跨模式中声束由阵元发射经试块底部反射后，与裂纹作用并直接返回阵元；全跨模式中声束由阵元发射，经试块底部反射与裂纹作用后，又经底部反射返回至阵元；超声波在楔块与被检试块界面、试块底部和裂纹表面发生波型转换，故三类模式共分为21种波型组合；
(e)折射点位置求解
第p种模式波发射和接收时，在楔块和被检试块界面处的折射点横坐标分别为xpi与xpj，根据费马定理利用式(1)求出：
Figure FDA0002591009530000021
式中，1≤p≤21，tpi表示第i个阵元激励声束传播到重建点所用时间，tpj表示重建点散射回波到达第j个阵元所用时间；根据声束传播路径与波型，求得tpi与tpj；
(f)复合模式全聚焦图像重建
对于每一个图像重建点(a,b)，其中1≤a≤M，1≤b≤N，在第i个阵元发射，第j个阵元接收的信号Aij中筛选21种模式波中能量最强信号，得到该点对应幅值Iij(a,b):
Figure FDA0002591009530000022
式中，tp(a,b)为第p种模式波在点(a,b)处的传播时间；
重复以上步骤对被检区域逐点进行复合叠加，得到复合模式全聚焦重建图像，图像中点(a,b)的复合叠加幅值I(a,b)为：
Figure FDA0002591009530000023
(g)裂纹定量、定位和定取向
依据复合模式全聚焦成像结果，读取成像区域内的峰值坐标点，利用-6dB法即获得不同取向裂纹的深度、尺寸与倾斜角度。
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