CN113552217B - 一种基于双自发自收相控阵探头的未知缺陷轮廓重建方法 - Google Patents

一种基于双自发自收相控阵探头的未知缺陷轮廓重建方法 Download PDF

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Abstract

一种基于双自发自收相控阵探头的未知缺陷轮廓重建方法，其属于无损检测技术领域。该方法采用由相控阵超声检测仪、两个相控阵探头和匹配楔块构成的检测系统，从待检测区域两侧分别采集全矩阵信号；针对各重建点，从两组全矩阵信号中分别选取具有最大声程的全跨模式进行不同模式波的扩散校正；最后实施延时叠加处理，并复合两侧具有最强响应的模式波，从而实现未知缺陷的轮廓重建与定量检测。该方法可重建先验未知的体积型缺陷，以及规则和不规则面积型缺陷轮廓，缺陷特征辨识直观，且定量检测精度较高，具有较好的工程应用前景。

Description

一种基于双自发自收相控阵探头的未知缺陷轮廓重建方法
技术领域
本发明涉及一种基于双自发自收相控阵探头的未知缺陷轮廓重建方法，其属于无损检测技术领域。
背景技术
结构缺陷主要包括面积型缺陷和体积型缺陷两类。其中，以裂纹为代表的面积型缺陷尖端应力集中，易发生扩展而造成构件断裂，是危害最大的缺陷。现有的无损检测方法中，射线检测对面积型缺陷不敏感，且难以给出缺陷深度信息。与之相比，超声检测灵敏度和穿透力较高，检测范围大，适合于面积型缺陷的检出和定量。
随着各类超声信号后处理技术的发展，可通过呈现缺陷轮廓特征，实现构件内部面积型缺陷和体积型缺陷的识别与定量。相比之下，面积型缺陷的轮廓特征较难以获得。目前，相控阵超声检测技术和常规全聚焦方法仅能给出取向与入射声束方向接近垂直的面积型缺陷轮廓。当缺陷取向不合适时，从图像中只能得到缺陷端点，有可能将其误判为多个体积型缺陷(Jin S J,et al.Simulation on qualitative detection of defects withmulti-mode total focusing method.Far East NDT New Technology&ApplicationForum 2018.Xiamen,China)。在此基础上，可结合不同声束路径下的模式波进行不同取向面积型缺陷的轮廓重建，但实际缺陷信息往往未知，难以确定最优模式波(Jin S J,etal.Comparison of morphology characterization for regular cracks with multi-mode total focusing method.Far East NDT New Technology&Application Forum2019.Qingdao,China)。因此，从不同模式波中选择能量最强信号实施复合处理，有助于获取先验未知面积型缺陷的轮廓特征(金士杰等.基于全模式全聚焦方法的裂纹超声成像定量检测.仪器仪表学报.2021,42(1):183-190)。需要指出的是，上述研究均是针对规则的面积型缺陷，而自然缺陷形态复杂，往往存在多面特征。利用一个相控阵探头进行全矩阵信号采集，并将不同模式波进行加和处理，可以大致判断缺陷分支特征和扩展趋势，但轮廓重建结果不完整(Han X L,et al.Combination of direct,half-skip and full-skip TFM tocharacterize multi-faceted crack.2015IEEE International Ultrasonics SymposiumProceedings)。同时，不同模式波的传播声程和扩散衰减不一致，导致合成图像中不同缺陷面的能量幅值一致性降低，不利于不同缺陷面轮廓的同时呈现。因此，有必要发展一种适合于先验未知缺陷的轮廓重建方法，以实现缺陷性质识别和准确定量、定位检测。
发明内容
本发明提供一种基于双自发自收相控阵探头的未知缺陷轮廓重建方法，其目的是针对先验未知缺陷轮廓重建困难的问题，利用两个对称布置的相控阵探头分别进行全矩阵数据采集，通过对被检区域逐点实施模式波扩散校正、延时叠加和复合成像，实现面积型和体积型缺陷的完整轮廓重建和定量检测。
本发明采用的技术方案是：采用由相控阵超声检测仪、两个相控阵探头和匹配楔块构成的检测系统，从待检测区域两侧分别采集全矩阵信号；针对各重建点，从两组全矩阵信号中分别选取具有最大声程的全跨模式进行不同模式波的扩散校正；最后实施延时叠加处理，并复合两侧具有最强响应的模式波，从而实现先验未知缺陷的轮廓重建与定量检测；所述方法采用下列步骤：
(a)检测参数确定
针对待测样品的材料、形状和尺寸信息，选择一对中心频率和阵元完全相同的相控阵探头，以及一对完全相同的角度楔块；
(b)两组全矩阵信号采集
连接步骤(a)中选择的相控阵探头、角度楔块和相控阵超声检测仪，其中两个相控阵探头相向对称放置于待检测区域正上方；当两个相控阵探头阵元数量均为n个时，共采集两组包含n2个A扫描信号的全矩阵信号，并将左侧相控阵探头第i个阵元发射且由第j个阵元接收的信号定义为Lij()，右侧相控阵探头第i个阵元发射且由第j个阵元接收的信号定义为Rij()，其中，1≤i≤n，1≤j≤n；
(c)重建区域网格划分
将待检测区域进行网格化，各网格节点定义为图像重建点，任意重建点P的坐标为(a,b)；
(d)模式波扩散校正
以待检测区域左侧的相控阵探头为例，在发射阵元i、接收阵元j和重建点P确定时，共产生包括3种直接、8种半跨和10种全跨模式在内的21种不同模式波；选择具有最长声程的全跨模式波作为基准，利用式(1)给出扩散校正系数cij-p(a,b)
cij-p(a,b)＝Dij(a,b)/Dij-p(a,b) (1)
式中，Dij-p(a,b)表示P点处第p种模式波对应声程，Dij(a,b)表示全跨模式波对应声程，其中，1≤p≤21；
在此基础上，对21种模式波分别进行扩散校正，得到校正后的信号CLij()
CLij(tij-p(a,b))＝cij-p(a,b)·Lij(tij-p(a,b)) (2)
式中，tij-p(a,b)为第i个阵元激励的第p种模式波传播至点P后，并被第j个阵元接收所用时间；
同理，可得到右侧相控阵探头的校正信号CRij()；
(e)延时叠加和复合成像
对扩散校正后的两组全矩阵信号分别实施延时叠加处理；对于第p种模式波，左右两个相控阵探头在P点处的成像幅值IL-p(a,b)和IR-p(a,b)分别由式(3)和式(4)给出
Figure BDA0003165656420000041
Figure BDA0003165656420000042
随后，从不同模式波对应的IL-p(a,b)和IR-p(a,b)中选取最强响应，即可得到P点的重建幅值I(a,b)
Figure BDA0003165656420000043
(f)缺陷定性和定量检测
重复步骤(d)-(e)过程，对重建区域逐点进行模式波扩散校正、延时叠加和复合成像，从而获得未知缺陷的轮廓重建图像并进行定性识别；最后，利用-6dB法对缺陷进行深度、尺寸与倾斜角度定量。
本发明的有益效果是：这种基于双自发自收相控阵探头的未知缺陷轮廓重建方法利用一对完全相同的相控阵探头与楔块组合，实现先验未知缺陷的轮廓重建与定量检测。该方法既可以呈现体积型缺陷特征，也可对规则和不规则面积型缺陷进行完整轮廓重建，适用性较广。同时，该方法可内置到相控阵超声检测仪中，并配合扫查器实施，极具应用前景和推广价值。
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2A至图2C是加工了相邻通孔(图2A)、规则裂纹(图2B)和不规则裂纹(图2C)的碳钢试块示意图。
图3A至图3F是相邻通孔(图3A和图3B)、规则裂纹(图3C和图3D)和不规则裂纹(图3E和图3F)的单侧相控阵探头全聚焦成像结果。
图4A至图4C是相邻通孔(图4A)、规则裂纹(图4B)和不规则裂纹(图4C)的双自发自收相控阵探头复合成像结果。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
基于双自发自收相控阵探头的未知缺陷轮廓重建方法，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)被检试块均为厚度40mm的碳钢试块。试块1中加工了直径1mm、中心深度分别为22.27mm和25.73mm、中心取向角度30°、边缘间距5mm的相邻通孔(竖直方向为0°，顺时针方向为正)；试块2中加工了中心深度24mm、长度5mm、取向角度30°的规则裂纹；试块3中加工了每段长度3mm、取向角度分别为-30°和30°的底面开口不规则裂纹，如图2所示。
(b)利用相控阵超声检测仪，采用两组中心频率5MHz、64阵元相控阵探头配合45°楔块对缺陷进行检测，其中采样频率100MHz，楔块纵波声速2330m/s，碳钢试块横波声速3230m/s，纵波声速5900m/s。
(c)利用相控阵超声检测仪的全矩阵捕捉功能从待检区域两侧分别进行信号采集，获得包含不同模式波的A扫描信号矩阵。
(d)建立直角坐标系，并将检测区域划分成80×80个矩形网格。针对待检区域内的每一个网格点，计算得到每一组发射和接收阵元之间21种不同模式波的传播路径与声程。
(e)图3给出了相控阵探头从单侧进行检测时，相邻通孔、规则裂纹和不规则裂纹的常规全聚焦成像结果。显然单一图像中均可以呈现相邻通孔，但裂纹轮廓特征呈现不完整，不利于缺陷性质的准确识别与定量检测。
(f)对21种模式波进行扩散校正、延时叠加和复合成像，得到如图4所示的相邻通孔、规则裂纹和不规则裂纹的双自发自收相控阵探头成像结果。由图可见，体积型缺陷和面积型缺陷的轮廓均被完整重建。同时，计算可得相邻通孔直径分别为1.11mm和1.16mm，中心深度分别为22.20mm和25.60mm，中心取向角度为30.47°；规则裂纹长度为5.38mm，取向角度为29.76°，中心深度为24.21mm；不规则裂纹上半部分长度为3.17mm，取向角度为30.70°，下半部分长度为2.58mm，取向角度为-29.72°，误差均在可接受范围之内。综上所述，该方法实现了体积型缺陷，以及规则和不规则面积型缺陷的轮廓重建，且定量和定位误差较小，满足工程需求。
以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (1)

1.基于双自发自收相控阵探头的未知缺陷轮廓重建方法，其特征在于，采用由相控阵超声检测仪、两个相控阵探头和匹配楔块构成的检测系统，从待检测区域两侧分别采集全矩阵信号；针对各重建点，从两组全矩阵信号中分别选取具有最大声程的全跨模式进行不同模式波的扩散校正；最后实施延时叠加处理，并复合两侧具有最强响应的模式波，从而实现先验未知缺陷的轮廓重建与定量检测；所述方法采用下列步骤：
(a)检测参数确定
针对待测样品的材料、形状和尺寸信息，选择一对中心频率和阵元完全相同的相控阵探头，以及一对完全相同的角度楔块；
(b)两组全矩阵信号采集
连接步骤(a)中选择的相控阵探头、角度楔块和相控阵超声检测仪，其中两个相控阵探头相向对称放置于待检测区域正上方；当两个相控阵探头阵元数量均为n个时，共采集两组包含n2个A扫描信号的全矩阵信号，并将左侧相控阵探头第i个阵元发射且由第j个阵元接收的信号定义为Lij()，右侧相控阵探头第i个阵元发射且由第j个阵元接收的信号定义为Rij()，其中，1≤i≤n，1≤j≤n；
(c)重建区域网格划分
将待检测区域进行网格化，各网格节点定义为图像重建点，任意重建点P的坐标为(a,b)；
(d)模式波扩散校正
以待检测区域左侧的相控阵探头为例，在发射阵元i、接收阵元j和重建点P确定时，共产生包括3种直接、8种半跨和10种全跨模式在内的21种不同模式波；选择具有最长声程的全跨模式波作为基准，利用式(1)给出扩散校正系数cij-p(a,b)
cij-p(a,b)＝Dij(a,b)/Dij-p(a,b) (1)
式中，Dij-p(a,b)表示P点处第p种模式波对应声程，Dij(a,b)表示全跨模式波对应声程，其中，1≤p≤21；
在此基础上，对21种模式波分别进行扩散校正，得到校正后的信号CLij()
CLij(tij-p(a,b))＝cij-p(a,b)·Lij(tij-p(a,b)) (2)
式中，tij-p(a,b)为第i个阵元激励的第p种模式波传播至点P后，并被第j个阵元接收所用时间；
同理，可得到右侧相控阵探头的校正信号CRij()；
(e)延时叠加和复合成像
对扩散校正后的两组全矩阵信号分别实施延时叠加处理；对于第p种模式波，左右两个相控阵探头在P点处的成像幅值IL-p(a,b)和IR-p(a,b)分别由式(3)和式(4)给出
Figure FDA0003165656410000021
Figure FDA0003165656410000022
随后，从不同模式波对应的IL-p(a,b)和IR-p(a,b)中选取最强响应，即可得到P点的重建幅值I(a,b)
Figure FDA0003165656410000023
(f)缺陷定性和定量检测
重复步骤(d)-(e)过程，对重建区域逐点进行模式波扩散校正、延时叠加和复合成像，从而获得未知缺陷的轮廓重建图像并进行定性识别；最后，利用-6dB法对缺陷进行深度、尺寸与倾斜角度定量。
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