CN111965257A - 一种空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法，包括：平面波数据采集；通过设定每个角度下的超声平面波有效作用区域，计算空间权重，并通过计算各像素点的延时得到每个角度下有效作用区域内的平面波成像；对单角度下的平面波成像结果和空间权重复合叠加得到多角度下平面波成像结果和成像空间上的总权重；使用成像区域内的总权重对超声多角度平面波复合成像结果进行优化，得到最后成像结果。本发明方法在保证缺陷检测空间分辨率的基础上，实现了快速的缺陷成像和较小的缺陷幅值衰减，在小有效孔径下，有效的增强了平面波成像的检测能力和成像帧率。

Description

一种空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法
技术领域
本发明属于超声成像和无损检测领域，涉及一种空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法。
背景技术
在工业无损检测中，相比于传统超声检测技术，超声相控阵成像技术在不需要移动探头的情况下即可实现高灵敏度的动态聚焦扫查，在航空航天、铁路、石油、船舶等领域有着越来越多应用。但成像速率慢的问题，拥有更高分辨率和检测能力的超声相控阵全聚焦等成像方法难以应用于工业中的实时检测。
超声平面波成像检测方法因为其更快的成像速度，近些年成为了国内外的研究热点。就目前的研究进展而言，主要是通过超声平面波成像方法实现缺陷的快速成像，提升成像的帧率。检测范围和缺陷成像能力的提升也非常重要，特别是在工业检测中，被检测体几何外形通常复杂，限制了探头的有效孔径，这通常会造成检测能力的下降。
发明内容
鉴于以上陈述的已有技术的不足，本发明旨在提供一种空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法，在小有效孔径下实现构件快速和大范围的成像检测，并对缺陷进行有效评价。
为了实现上述目的，本发明提供了一种空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法，包括：
步骤1：采用一个超声相控阵探头对一待测样品进行不同角度下平面波激发和回波信号的接收，得到平面波回波信号数据集；
步骤2：对成像算法中的参数进行预定义，包括所用探头阵列的参数、成像区域参数等；
步骤3：计算每个平面波角度下的超声波有效作用区域，采用DAS方法得到每个平面波角度下的有效作用区域内所有像素幅值，并得到每个平面波角度下成像区域的空间权重；
步骤4：对每个角度下的平面波成像结果进行叠加形成缺陷多平面波复合成像结果，对每个平面波角度下的空间权重进行叠加形成的成像区域总权重；
步骤5：通过成像区域内的总权重对超声多角度平面波复合成像结果进行优化，得到最后成像结果。
在所述步骤1中，所述平面波数据采集采用一多通道超声收发系统和超声相控阵探头来进行，对于具有m阵元的探头，发射n角度的平面波，得到的平面波数据集有m×n反射波信号。
在所述步骤2中，对成像算法中的参数进行预定义，具体包括：探头阵元个数、各阵元位置、试件中超声波波速、平面波角度个数、平面波角度、采样频率、成像区域位置、成像区域分辨率。
在所述步骤3中，采用DAS方法得到每个平面波角度下的成像区域所有像素的幅值，计算方法为：
Figure BSA0000216033320000021
其中，Fi是第i个阵元接收到的超声波回波信号，包含在步骤1平面波数据集中。τ(θ，xi，x，z)是散像素点(x，z)与阵元xi间的延时，通过平面波角度θ、阵元位置xi、离散像素点坐标(x，z)和超声波波速计算得到：
Figure BSA0000216033320000031
每个平面波角度下的超声波有效作用区域是指超声平面波在空间中有效的传播区域，其计算方法为：
E(x1，xn，z，θ)∈[x1+z·tan θ，xn+z·tan θ] (3)
式中，x1和xn是第一个和最后一个阵元的位置，z是成像深度，θ是平面波角度。注意式(1)中，只对有效区域内的像素进行计算，成像区域内的其他像素赋值为0。
每个平面波角度下的空间权重s(x，z，θ)通过计算在成像区域内所有像素上的值，超声波有效作用区域E(x1，xn，z，θ)内取值为1，其他区域取0。
在所述步骤4中，多平面波复合成像结果为步骤3中每个平面波角度下的成像结果的复合叠加，即n幅单角度平面波成像图像在成像区域所有像素值上对应加和。成像区域内的总权重为每个平面波角度下的空间权重s(x，z，θ)的线性叠加，即n个角度下的成像区域内空间权重的加和：
Figure BSA0000216033320000032
在所述步骤5中，最终成像结果中的像素点是步骤4中得到多平面波复合成像结果对应像素点与该点成像区域内空间权重的比值。
本发明的空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法，充分考虑了超声平面波能量指向性强的特性，通过设定平面波有效作用区域，排除了成像区域影响较小的像素，大幅度降低了单角度平面波成像的数据处理量，提升成像的时间分辨率。并通过每个角度平面波空间权重叠加得到成像空间的总权重，通过对多角度平面波复合图像的加权优化，在保持成像速度的同时有效降低缺陷幅值的衰减，特别增强了小有效孔径下的动态检测范围和缺陷成像质量，对被测试件的快速高精度超声平面波成像检测。
附图说明如下：
图1为根据本发明的一个实施例的空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法的流程图；
图2为空间加权优化的快速超声平面波成像系统的结构示意图；
图3为现有全聚焦成像方法与空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法的实验检测结果。
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空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法的流程图，该方法利用空间加权优化方法对超声平面波成像方法进行改进，该基于空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法所采用的超声平面波成像系统如图2所示，包括：被测试件1，在本例中此试件为钢材，包含12个2mm的横穿孔；超声相控阵探头2，其作用为平面波的激发和超声回波的接收；多通道超声收发系统3，其作用为设置平面波的激发延时和接收延时，控制超声相控阵探头2进行平面波信号的激励和接收，其中包含数据采集系统，对探头接收到的超声波回波信号进行采集和储存；数据处理计算机4，其作用为记录平面波数据集，并对数据进行成像处理。
如图1所示，所述空间加权优化方法对超声平面波成像方法包括以下步骤：
步骤1：采用图2所示的超声平面波成像系统进行平面波数据集的获取。与成像时间相比，数据硬件采集时间可以忽略。平面波数据集为32×31×1091三维矩阵阵列形式。
步骤2：对成像算法中的参数进行预定义，本例中，采用的超声相控阵探头2阵元数量为32，中心频率为5MHz，阵元间隔为0.6mm。激发平面波数量为31个，平面波角度为-60°到60°，间隔为4°。成像区域为图3所示区域，成像区域分辨率为0.1mm。
步骤3：通过式(3)对每个平面波角度下的有效作用区域E(x1，xn，z，θ)，通过式(1)和式(2)对每个平面波角度下的有效区域所有像素的幅值进行计算，成像区域其余像素值赋值为0，计算结果为31幅701×351单角度平面波图像，通过E(x1，xn，z，θ)得到31幅单角度平面波图像相对应的空间权重分布s(x，z，θ)，每个平面波角度下的权重分布在每个成像像素上都有幅值，也有701×351的数据量。
步骤4：将步骤3得到的31幅701×351单角度平面波图像进行复合叠加，生成701×351数据量的多平面波复合成像结果。通过式(4)对31幅单角度平面波图像相对应的空间权重分布s(x，z，θ)进行复合叠加，得到成像区域的总权重。
步骤5：最终成像结果是701×351数据量的图像，为步骤4中得到多平面波复合成像结果对应像素点与该点成像区域内总权重的比值。
为验证本发明方法的有效性，使用其与无损检测中的“黄金标准”全聚焦成像方法进行缺陷能力检测和成像速度方面的对比，结果图3为现有全聚焦成像方法与空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法的实验检测结果，其中材料中声速为5930m/s，以材料中的12个横穿孔作为检测目标。
缺陷检测能力方面，两者的背景噪声相当，均为-30dB左右。与全聚焦成像方法(右)相比，本发明提出的空间加权优化方法对超声平面波成像方法(左)在原理相控阵探头的位置有着更高的检测幅值(左上方和右下方缺陷处)。相较全聚焦成像方法，空间加权优化方法对超声平面波成像方法在12个缺陷上的缺陷幅值衰减均更小，衰减值平均减小3.1dB，最大减小6.7dB。本发明提出的空间加权优化方法对超声平面波成像方法有效的提升了缺陷的检测能力，特别在小有效孔径情况下，在不降低成像信噪比的情况下，实现了较大检测范围内缺陷幅值衰减的降低。
成像速度方面，本发明提出的空间加权优化超声平面波成像方法通过设置超声平面波有效作用区域大大降低了成像所需的计算量，在本例中，如果将成像区域内一个像素的计算看作一次计算，提出的方法在32阵元相控阵探头和31角度平面波激发的条件下需要进行1773197次计算，相比下32阵元的全聚焦成像方法的7918560次计算，计算量减少78％。实际检测中，合理的减少激发平面波的角度会在不明显降低缺陷成像质量的情况下进一步减少本发明方法的提升计算效率，在本例中，在相同的硬件条件下，使用16个角度平面波的空间加权优化的快速超声平面波成像时间为1.73s，32阵元的全聚焦成像为17.83s，成像速度提升10倍以上。成像时间分辨率的提升与所激发的平面波数量以及成像区域的范围和分辨率有关。
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钢材的横穿孔，还可以是其他金属，各向同性非金属材料等。此外，本发明所采用的超声相控阵探头也不局限于线阵超声相控阵探头，在对延时法则作相应调整的基础上即可应用于面阵超声相控阵探头。
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。应当指出，在不脱离本发明方法实质的前提下，在实际实施中所作的简单、等效变化与修饰(比如改变相控阵探头参数，改变被测试件材料，改变平面波激发参数)，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (4)

1.一种空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法，其特征在于，包括：
步骤1：采用一个超声相控阵探头对一待测样品进行不同角度下平面波激发和回波信号的接收，得到平面波回波信号数据集；
步骤2：对成像算法中的参数进行预定义，包括所用探头阵列的参数、成像区域参数等；
步骤3：计算每个平面波角度下的超声波有效作用区域，采用DAS方法得到每个平面波角度下的有效作用区域内所有像素幅值，并得到每个平面波角度下成像区域的空间权重；
步骤4：对每个角度下的平面波成像结果进行叠加形成缺陷多平面波复合成像结果，对每个平面波角度下的空间权重进行叠加形成的成像区域总权重；
步骤5：通过成像区域内的总权重对超声多角度平面波复合成像结果进行优化，得到最后成像结果。
2.根据权利要求1所述的一种空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法，其特征在于，在所述步骤3，设定每个角度下的超声平面波有效作用区域，通过有效区域约束各个角度下超声平面波成像中像素的幅值，并通过有效作用区域得到每个平面波角度下的空间权重。
3.根据权利要求1所述的一种空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法，其特征在于，在所述步骤4，所述成像区域内的总权重是由每个角度下的平面波空间权重的复合叠加。
4.根据权利要求1所述的一种空间加权优化的快速超声平面波成像检测方法，其特征在于，在所述步骤5，最终成像结果是步骤4多平面波复合成像结果对应像素点与该点成像区域内空间权重的比值。
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