CN113777612A - 用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统及方法 - Google Patents

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周昌智
黄财良
卢志鹏
赵德斌
朱若凡
黄斐
林坚
黄凯华
刘思明
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Abstract

本发明提供了用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统及方法，包括双频信号发射单元、数据采集系统、空间信息重构单元、相控阵数据处理单元和空间成像单元；双频信号发射单元包括空间定位源与超声成像检测发射源，空间定位源包括一个以上超声换能器，超声换能器以恒定频率向空间中发射周向或半周向超声波信号；超声成像检测单元包括相控阵超声检测探头，数据采集系统包括空间定位信号采集单元与超声成像检测信号接收传感器，空间定位信号采集单元与接收电路连接；突破传统相控阵数据采集端子仅用于结构数据采集的使用范围，解决便携式相控阵超声检测系统在使用时编码复杂、误差大等实际问题，实现信标节点位置自动捕获与数据采集端子的追踪。

Description

用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统及方法
技术领域
本发明涉及相控阵超声领域，尤其涉及一种用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统及方法。
背景技术
相控阵超声在现场应用时以接触式采集数据的检测方式为主。探头通过耦合介质进行扫查检测时，需要对缺陷进行定位，故需对扫查路径进行位置编码记录。目前较为常见的有拉线式和磁性滚轮式编码器。前者编码时无法与探头紧密配合且对弧度信息测量误差较大；后者在编码时需使用较大、较复杂的辅助工装和必要的滚轮传感器实现编码。编码装置普遍存在携带困难、组装拆卸复杂、保养繁琐等问题，在现场实际检测中，经常出现大量灰尘或铁屑粘连在编码装置滚轮表面上使其推动困难，导致滚轮打滑，编码误差极大，间接导致检测周期延长，影响船舶建造总体效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统及方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统，其特征在于，包括双频信号发射单元、数据采集系统、空间信息重构单元、相控阵数据处理单元和空间成像单元；
所述双频信号发射单元包括空间定位源与超声成像检测发射源，所述空间定位源包括一个以上超声换能器，所述超声换能器以恒定频率向空间中发射周向或半周向超声波信号；
所述超声成像检测单元包括相控阵超声检测探头，所述相控阵超声检测探头持续激励形成用于对工件内部进行缺陷检测的超声波；
所述数据采集系统包括空间定位信号采集单元与超声成像检测信号接收传感器，所述空间定位信号采集单元与接收电路连接；
所述空间信息重构单元包括定位源重构单元和传感器空间信息重构单元，所述定位源重构单元与超声扫查探头通讯连接，所述传感器空间信息重构单元发射信号至超声接收传感器；
所述相控阵数据处理单元对超声成像检测信号接收传感器获得的工件内部超声信号处理分析，所述空间成像单元将空间信息重构单元与相控阵数据处理单元中获得的空间信息位置原始超声波数据作映射，并转化为三维体数据。
进一步地，所述空间定位源以恒定的低频信号向空间中发射周向或半周向超声波信号。
进一步地，所述超声成像检测单元采用高频信号。
进一步地，所述空间定位信号采集单元包括三个以上的超声信号接收传感器，所述超声信号接收传感器与接收电路连接，所述超声信号接收传感器布置于空间中非直线分布的位置。
进一步地，所述空间信息重构单元还包括环境温度传感器，通过环境温度传感器对声速校准。
进一步地，所述定位信号采集单元布置在待检测工件的边缘突变点处。
用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）确定被检工件检测复杂程度后，启动数据采集系统，选择数据匹配模式；
步骤2）选择无线传输模式，判断被检工件是规则平面或是复杂曲面；
步骤3）双频信号发射单元沿着被检工件表面运动；
步骤4）启动空间定位源，选定参考点为原点，取若干点建立轮廓信息，进行定位源位置校准；
步骤5）启述超声成像检测单元的相控阵超声检测探头，进行扫查；
步骤6）传感器空间信息重构单元记录超声信号接收传感器接收到信号的时间，定位源重构单元获取步骤4中各点坐标；
步骤7）定位源重构单元和相控阵数据处理单元同时工作，将处理数据传输给空间成像单元，相控阵数据处理单元对传输的数据作信号优化。
进一步地，若被检对象为规则平面，取超声信号接收传感器数量为四，布置于轮廓端点处，将所述空间定位源置于校准零点，取长度方向为X轴，宽为Y轴，以1号点(0，0)、2号点（0，n）、3号点（m，0）、4号点（m，n）建立轮廓信息，实现超声信号接收传感器位置自动捕获。
进一步地，若被检对象为不规则面，取超声信号接收传感器数量为三，以不共线的位置布置，在三个方向上取长度为L的三点，令参考点为原点，三个点坐标分别为a（L，0，0），b(0，L，0)，c(0，0，L)，并将此信息输入到定位源重构单元。
进一步地，所述空间成像单元将定位源追踪单元和相控阵数据处理单元获得的空间位置（X，Y，Z）数据进行差值拟合，对原始超声波数据进行降噪优化。。
综述所述，本发明突破了传统相控阵数据采集端子仅用于结构数据采集的使用范围，解决了便携式相控阵超声检测系统在使用时编码复杂、误差大等实际问题，实现信标节点位置自动捕获与数据采集端子的追踪。
附图说明
图1为本发明的系统流程图；
图2为本发明空间自由扫查成像系统构成图；
图3为本发明应用于规则平面的系统图；
图4为本发明应用于非规则柱形曲面的系统图。
附图标记：
1双频信号发射单元、2数据采集系统、3空间信息重构单元、
4相控阵数据处理单元、5空间成像单元、
11空间定位源、12超声成像检测单元、21空间定位信号采集单元、
22超声成像检测信号接收传感器、31定位源重构单元、
32传感器空间信息重构单元、33环境温度传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统，包括双频信号发射单元1、数据采集系统2、空间信息重构单元3、相控阵数据处理单元4和空间成像单元5。
双频信号发射单元1包括空间定位源11与超声成像检测发射源，空间定位源11包括一个以上超声换能器，超声换能器以恒定频率向空间中发射周向或半周向超声波信号。
超声成像检测单元12包括相控阵超声检测探头，相控阵超声检测探头持续激励形成用于对工件内部进行缺陷检测的超声波。
数据采集系统2包括空间定位信号采集单元21与超声成像检测信号接收传感器22，空间定位信号采集单元21与接收电路连接。
空间信息重构单元3包括定位源重构单元31和传感器空间信息重构单元32，定位源重构单元31与超声扫查探头通讯连接，传感器空间信息重构单元32发射信号至超声接收传感器。
相控阵数据处理单元4对超声成像检测信号接收传感器22获得的工件内部超声信号处理分析，空间成像单元5将空间信息重构单元3与相控阵数据处理单元4中获得的空间信息位置原始超声波数据作映射，并转化为三维体数据。
实施例1
确定被检工件检测复杂程度后，启动数据采集系统2，并选择数据匹配模式。
为了超声信号接收传感器布置不受限制，选择无线传输模式，为防止与超声信号接收传感器信号干扰，和大数据传输的稳定快捷，超声成像检测单元12与空间定位源11所共同组成的双频信号发射单元1采用有线连接。
为防止其他信号干扰到超声信号接收传感器，保证该模块工作的独立性，可设置仅接收f1频率信号。
若被检对象为规则平面，如图3所示，为提高成像的质量降低系统复杂度，可将超声信号接收传感器布置于轮廓端点处，可将成像数据的重构缩小到（x，y）平面，将限定于此轮廓范围内，提升成像数据重构的准确性。
设被检对象为mxn规则平整矩形面，选择简单匹配模式。取超声信号接收传感器数量为4，布置于轮廓端点处，将空间定位源11置于典型位置视为校准零点，本次实施取1号超声信号接收传感器位置处。
启动空间定位源11，同时传感器空间信息重构单元32计时开始，空间定位源11以恒定的频率f1(40kMz)向空间中发射持续的周向或半周向超声波信号，4个超声信号接收传感器从计时开始到接收到信号的时间分别为t1、t2、t3、t4被传感器空间信息重构单元32分别记录，与超声波传播声速v匹配后即可获得对应距离，取长度方向为X轴，宽为Y轴，以1号点(0，0)、2号点（0，n）、3号点（m，0）、4号点（m，n）建立轮廓信息，实现超声信号接收传感器位置自动捕获。
启动超声成像检测单元12的相控阵超声检测探头，进行扫查，其所用频率常为高频信号，并以固定的频率f2（2.25HMz）进行激励，通过耦合，该信号进入工件内部，形成对工件内部进行缺陷检测的超声波，超声成像检测单元12与空间定位源11所共同组成的双频信号发射单元1沿着被检测工件表面进行运动，运动轨迹可为规则轨迹或自由轨迹。
此时空间定位源11的追踪单元和相控阵数据处理单元4同时工作，将处理数据同时传输给空间成像单元5，该单元仅需做简单优化，即可以位置数据进行衔接，不需做深度拟合，实现实时成像。
实施例2
若被检对象为不规则面，如图4所示，设被检对象为大径D柱曲面，选择体重建模式。
超声信号接收传感器数量为三，不共线的布置于空间合适位置，避免被遮挡或处于信号接收盲区，本次实施采用三角架支撑至一定高度h。
选定参考点，将空间定位源11在参考点处的三个正交方向上的已知距离处，每个方向分别发射至少一次信号至超声接收传感器Ri，可进行信息综合自相关计算，自动捕获超声信号接收传感器的位置。本次实施在三个方向上取长度为L的三点，令参考点为原点，三个点坐标分别为a（L，0，0），b(0，L，0)，c(0，0，L)，并将此信息输入到定位源重构单元31，此处正交校准可借助设计的机械支架辅助完成。
将空间定位源11先后置于a、b、c三点处启动，传感器空间信息重构单元32计时开始，三个超声信号接收传感器从计时开始接收到信号的时间分别为T1、T2、T3被传感器空间信息重构单元32分别记录，与超声波传播声速匹配，即可获得对应距离，进一步地，传感器空间信息重构单元32将接收器的a、b、c三点空间定位源11数据各自综合匹配，即满足了基于多点的时间信息ti（i≥3），以及超声传播声速c0，对接收点即超声信号接收传感器的位置进行三维重构，实现超声信号接收传感器位置校准捕获。
启动超声成像检测单元12相控阵超声检测探头，进行扫查，其所用频率常为高频信号，并以固定的频率f2（2.25HMz）进行激励，从而形成用于对工件内部进行缺陷检测的超声波。超声成像检测单元12与空间定位源11所共同组成的双频信号发射单元1沿着被检测工件表面进行运动，运动轨迹可为规则轨迹或自由轨迹。
此时，空间定位源11内置的追踪单元和相控阵数据处理单元4同时工作，将处理数据同时传输给空间成像单元5，空间成像单元5将以上二者获得的空间位置（X，Y，Z）数据进行差值拟合，对原始超声波数据进行降噪优化，并通过来自环境温度传感器33的参数对数据进行修正，将数据进行映射，转化为三维体数据，实现被检测工件内部质量信息的重构与直观显示。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统，其特征在于，包括双频信号发射单元、数据采集系统、空间信息重构单元、相控阵数据处理单元和空间成像单元；
所述双频信号发射单元包括空间定位源与超声成像检测发射源，所述空间定位源包括一个以上超声换能器，所述超声换能器以恒定频率向空间中发射周向或半周向超声波信号；
所述超声成像检测单元包括相控阵超声检测探头，所述相控阵超声检测探头持续激励形成用于对工件内部进行缺陷检测的超声波；
所述数据采集系统包括空间定位信号采集单元与超声成像检测信号接收传感器，所述空间定位信号采集单元与接收电路连接；
所述空间信息重构单元包括定位源重构单元和传感器空间信息重构单元，所述定位源重构单元与超声扫查探头通讯连接，所述传感器空间信息重构单元发射信号至超声接收传感器；
所述相控阵数据处理单元对超声成像检测信号接收传感器获得的工件内部超声信号处理分析，所述空间成像单元将空间信息重构单元与相控阵数据处理单元中获得的空间信息位置原始超声波数据作映射，并转化为三维体数据。
2.根据权利要求1所述的用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统，其特征在于，所述空间定位源以恒定的低频信号向空间中发射周向或半周向超声波信号。
3.根据权利要求1所述的用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统，其特征在于，所述超声成像检测单元采用高频信号。
4.根据权利要求1所述的用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统，其特征在于，所述空间定位信号采集单元包括三个以上的超声信号接收传感器，所述超声信号接收传感器与接收电路连接，所述超声信号接收传感器布置于空间中非直线分布的位置。
5.根据权利要求1所述的一种用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统，其特征在于，所述空间信息重构单元还包括环境温度传感器，通过环境温度传感器对声速校准。
6.根据权利要求1所述的用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像系统，其特征在于，所述定位信号采集单元布置在待检测工件的边缘突变点处。
7.用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）确定被检工件检测复杂程度后，启动数据采集系统，选择数据匹配模式；
步骤2）选择无线传输模式，判断被检工件是规则平面或是复杂曲面；
步骤3）双频信号发射单元沿着被检工件表面运动；
步骤4）启动空间定位源，选定参考点为原点，取若干点建立轮廓信息，进行定位源位置校准；
步骤5）启述超声成像检测单元的相控阵超声检测探头，进行扫查；
步骤6）传感器空间信息重构单元记录超声信号接收传感器接收到信号的时间，定位源重构单元获取步骤4中各点坐标；
步骤7）定位源重构单元和相控阵数据处理单元同时工作，将处理数据传输给空间成像单元，相控阵数据处理单元对传输的数据作信号优化。
8.根据权利要求7所述的用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像方法，其特征在于，若被检对象为规则平面，取超声信号接收传感器数量为四，布置于轮廓端点处，将所述空间定位源置于校准零点，取长度方向为X轴，宽为Y轴，以1号点(0，0)、2号点（0，n）、3号点（m，0）、4号点（m，n）建立轮廓信息，实现超声信号接收传感器位置自动捕获。
9.根据权利要求7所述的用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像方法，其特征在于，若被检对象为不规则面，取超声信号接收传感器数量为三，以不共线的位置布置，在三个方向上取长度为L的三点，令参考点为原点，三个点坐标分别为a（L，0，0），b(0，L，0)，c(0，0，L)，并将此信息输入到定位源重构单元。
10.根据权利要求9所述的用于相控阵超声检测的空间自由扫查成像方法，其特征在于，所述空间成像单元将定位源追踪单元和相控阵数据处理单元获得的空间位置（X，Y，Z）数据进行差值拟合，对原始超声波数据进行降噪优化。
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