CN114778691A - 一种变阵列形式的超声导波定量化成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变阵列形式的超声导波定量化成像方法,属于超声无损检测技术领域,包括:通过矩量法将lippmann‑Schwinger方程非线性积分结果转换为线性求和的形式;根据测量散射场的数据,选择不同数量探头的采集阵列作为初始输入,根据不同数量探头的采集阵列选择不同的求解算法,并通过变born近似修正格林函数,不断迭代来逼近真实解,得到最终待求的目标函数Ok。本发明通过对阵列的调节,可根据检测精度选择探头数量,不同的阵列因为获得散射场数量的不同,当阵列稀疏时,方程欠定,当阵列密集时,方程超定,选择合适的算法进行求解,可实现无损检测的定量化评估,可以广泛应用于工业无损检测的实际导波检测应用中。
Description
技术领域
本发明涉及超声无损检测技术领域,尤其涉及一种变阵列形式的超声导波定量化成像方法。
背景技术
Lamb波在金属板状结构中具有传播距离远,频散的特点,对板厚度的变化相当的敏感。在化工行业储液罐检测、油气管道检测、飞机蒙皮检测等多个领域已经取得实际应用。因此,基于lamb波的超声导波无损检测技术已经成为无损检测领域的研究热点。
为了实现超声导波的定量化检测需求,近些年来,许多与导波相关的研究领域,如超声换能器设计、导波模态分离、频散补偿技术等等,都取得了许多重要的成果。自1985年以来,超声导波技术开始在无损检测和结构健康监测领域取得了快速应用,新的超声计算层析成像技术开始在工业领域取得发展并用于定性地表达缺陷特征。近些年来,众多科研工作者一直尝试提高成像精度并实现对缺陷的定量化描述,虽然已经取得了许多系统性的研究成果,但大多停留在数值计算或者仿真模拟的程度,在实际操作和可行性方面仍然存在一定的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点,提供了一种变阵列形式的超声导波定量化成像方法,能够在稀疏或密集采集阵列的情况下,利用超声换能器采集的散射场实验信号,进行检测区域的厚度成像,达到定量化评估的效果。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种变阵列形式的超声导波定量化成像方法,所述成像方法包括:
根据测量散射场的数据,选择不同数量探头的采集阵列作为初始输入,根据不同数量探头的采集阵列选择不同的求解算法,并通过变born近似修正格林函数,不断迭代来逼近真实解,得到最终待求的目标函数O k ;
通过频散曲线将最终待求的目标函数O k 转变为厚度d的形式d=f(O k ),并以板材上每点的厚度来进行成像,每一点的像素代表改点处板材的厚度。
所述根据测量散射场的数据,选择不同数量探头的采集阵列作为初始输入,根据不同数量探头的采集阵列选择不同的求解算法包括:
A1、将待检测区别划分为N个网格,在圆周边界上布置m个传感器探头;
A2、将其中任意一个传感器探头作为激励,剩下所有传感器探头作为接收点来捕捉实际的散射场信号,得到一组散射场信号;
A3、选择不同传感器探头作为激励,重复A2步骤,得到m(m-1)组散射场信号,利用散射场将待求目标函数转变为线性方程组的一般形式AX=b,A为系数矩阵,b为列向量,X为待求解未知向量;
A4、当m(m-1)<=N时,选择构建单层神经网络算法对待求解未知向量进行求解;
A5、当m(m-1)> N时,选择主成分分析算法对待求解未知向量进行求解。
所述选择构建单层神经网络算法对待求解未知向量进行求解包括:
所述选择主成分分析算法对待求解未知向量进行求解包括:
设置,将方程AX 2=b转换为求解,选择C和Y的前p列向量作为主成
分,分别记为C 1和Y 1,主成分分析的思想就是只选取前p列作为主要成分,除前p列之外的成
分不作考虑,p的选择通过观察特征值累计百分比来实现,C=(C 1,C 2),V=(V 1,V 2),其中C 1和V 1
由C和 V的前p列向量构成,C 2和V 2由除主成分之外的剩余列向量构成,求解C1Y1=b,得到,从而,其中+表示广义逆,当矩阵满秩时等价于逆矩阵,~表
示取最小二乘近似解,非绝对真实解;
利用传感器探头捕捉散射场信号包括:
B2、将传感器探头接收的所有入射场信号进行批量化快速傅里叶变换处理并提取中心频率处对应的值,得到m(m-1)组频域的全场信号,将这些信号全部与校准因子Q作比值进行校准;
B3、利用二维格林函数的理论解,分别计算m(m-1)组信号路径对应的格林函数;
B4、将步骤B2校准之后的全场信号减去步骤B3计算得到的格林函数,得到最终的散射场信号。
所述通过变born近似修正格林函数,不断迭代来逼近真实解包括:
在求得最终待求的目标函数之后,需要对目标函数作进一步处理来方便成像
和定量化评估,具体包括:根据目标函数的解析表达形式将目标函数对应到相速度,结合lamb波频散曲线可以得到实际铝板的厚度分布,并利用每一
个网格点的厚度值来进行成像和定量化评估,其中,为无缺陷铝板在选定中心频率下A0
模态lamb波的波数,为无缺陷铝板的相速度,为检测区域网格点处的相速度。
本发明具有以下优点:
1、将非线性的lippmann-Schwinger方程转化成了线性的矩阵求和的形式,求解方法是变born近似迭代,可不断修正格林函数逼近真实解,该方法可通过编程快速实现。
2、通过对阵列的调节,可根据检测精度选择探头数量,不同的阵列因为获得散射场数量的不同,当阵列稀疏时,方程欠定,当阵列密集时,方程超定,选择合适的算法进行求解。
3、区别于传统无损检测的定位算法,数学逻辑严密,推导严谨,可实验验证并实现无损检测的定量化评估,可以广泛应用于工业无损检测的实际导波检测应用中。
附图说明
图1 为本发明通过调控阵列探头数量,按一发多收形式来获得采集信号的阵列结构示意图;
图2 为本发明方法的流程示意图;
图3为本发明检测铝板的实际缺陷图;
图4为本发明按8探头,16探头,32探头,64探头阵列形式布置的实验成像效果图;
图5为本发明所提供的方法截取中心线段定量化评估的缺陷走势曲线图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
本发明涉及一种变阵列形式的超声导波定量化成像方法,其包括:搭建超声导波无损检测平台,设计包含不同探头数目的圆形传感器阵列;阵列采用一个探头激励,其余探头接收,变换激励位置重复操作的行为来采集导波散射场信号;将采集到的散射场信号利用线性求和形式的lippmann-Schwinger方程来进行反演,反演算法是变born近似迭代算法;反演算法在不同阵列中对应不同的求解方法,欠定形式对应神经网络算法,超定形式对应主成分分析算法;对反演算法最终结果得到的目标函数进行映射,得到成像区域每个网格点的厚度值,利用厚度值进行成像,达到定量化评估的效果。
进一步,超声导波无损检测平台包含PC机,信号发生器,功率放大器,导波探头,待检测铝板,前置放大器,采集卡。PC机上安装有labview,调制采集信号,将数字信号传递给信号发生器进行数电转换,电压信号经由功率放大器放大传递给导波探头来激励产生触发信号,再由采集探头进行接收,传递给前置放大器进行一次接收端放大传输给采集卡,由PC机显示采集信号并进行存储。
如图1所示,具体检测目标是一块包含未知缺陷的铝板,铝板厚度3mm,检测直径40cm,在检测圆周上布置一定数量的换能器(传感器探头),阵列为圆形阵列一发多收的形式,可任意布置探头数量。本发明设计共布置了4种阵列,分别是8探头,16探头,32探头和64探头阵列。这4种阵列分别可采集信号数量为56组,240组,992组和4032组。按照阵列要求,布置m个探头,可获得m(m-1)组采集信号。
进一步,阵列中的采集探头可选用空耦导波探头,对应铝板厚度3mm,激励频率200k,斜入射角度利用snell定律计算为9.74度,激励模态为lamb波A0模态。
进一步,如图2所示,阵列采集信号需要进行相应处理以得到散射场。其方法包括以下步骤:
A.先利用传感器获取一组无缺陷的入射场信号,即传感器实际接收信号。将这组信号进行快速傅里叶变换提取中心频率处应的值,该值为复数,并将该值与理论的格林函数作比值得到一组校准因子;
B.之后将传感器接收的所有信号进行批量化快速傅里叶变换处理并提取中心频率对应的值,得到m(m-1)组频域的全场,将这些信号全部与Q作比值进行校准;
C.利用二维格林函数的理论解,分别计算m(m-1)组信号路径对应的格林函数;
D.将B步骤校准之后的全场减去C步骤计算的格林函数,即为最终的散射场信号。
进一步,本发明核心在于线性的lippmann-Schwinger方程,其形式为:
式中是全场,是入射场,是散射场,是无缺陷铝板的格林函数,
是待求目标函数,是包含缺陷的铝板格林函数。为了获得足够的成像精度,该方程的求
解算法选择变born近似迭代求解算法,不断修正格林函数来得到真实的目标函数。每一步
迭代过程依据阵列形式选择求解方法。
进一步,变born近似迭代算法是用来求解线性的lippmann-Schwinger方程中的目标函数,其特征在于包含以下步骤:
进一步,变born近似迭代算法是在不断修正格林函数,循环迭代求得目标函数。在
每一次迭代中,都有相应的求解方法,并可将所有待求解矩阵方程写成
AX=b的形式。该求解方法和探头数量直接相关,将待检测区域划分N个网格,布置m个探头,
可以获得m(m-1)组散射场信号。当m(m-1)<=N,矩阵方程欠定,构建单层神经网络算法进行
求解;当m(m-1)> N时,矩阵方程超定,选择主成分分析算法进行求解。
进一步地,选择构建单层神经网络算法对待求解未知向量进行求解包括:
求解AX 1 =b,设置函数f(X 1)=AX 1 -b,输出得到,其中,k=1,2,…,n为样
本训练迭代次数,误差为,性能指标为,其中表示的2-范数的平方,X 1表示神经网络训练权值,表示第k次神经网络训练权值;计算权
值调整量,其中表示A的转置矩阵,表示学习速率,;
进一步地,选择主成分分析算法对待求解未知向量进行求解包括:
求解AX 2 =b,对A进行奇异值分解得到; V是特征向量构成的矩
阵,C是主成分矩阵,是主对角线包含A的奇异值的对角矩阵,与A维度一致,也是的
特征值,U的列向量是的标准正交特征向量。表示矩阵*的转置,表示转置共轭。
设置,将方程AX 2=b转换为求解,选择C和Y的前p列向量作为主成
分,分别记为C 1和Y 1,主成分分析的思想就是只选取前p列作为主要成分,除前p列之外的成
分不作考虑,p的选择通过观察特征值累计百分比来实现。C=(C 1,C 2),V=(V 1,V 2),其中C 1和V 1
由C和 V的前p列向量构成,C 2和V 2由除主成分之外的剩余列向量构成,求解C 1 Y 1=b,得到,从而,其中+表示广义逆,当矩阵满秩时等价于逆矩阵,~表示
取最小二乘近似解,非绝对真实解;
进一步,在求得最终目标函数之后,需要对目标函数作进一步处理来方便成像
和定量化评估,其特征在于:目标函数的解析表达形式为,其中为
无缺陷铝板,选定中心频率下A0模态lamb波的波数,为无缺陷铝板的相速度,为检
测区域网格点处的相速度。利用该式可以将目标函数对应到相速度,结合
lamb波频散曲线可以得到实际铝板的厚度分布,并利用每一个网格点的厚度值来进行成像
和定量化评估。
对这8-16-32-64阵列的实施例具体来讲,成像区域共划分1793个网格,8-16-32阵列取得的散射场数据小于输出数据的数量,选择单层神经网格求解算法;64阵列取得的散射场数据大于1793,选择主成分分析算法。
图3是这4种实施例检测的实际铝板缺陷,缺陷为三角形和椭圆的形式,其中三角形缺陷剩余厚度1mm,椭圆缺陷剩余厚度2mm。按照本发明提供的方法进行成像,最终得到图4所示的成像效果图,云图物理指标是厚度。阵列探头数量越多,成像越精确,8阵列成像云图周围伪影较多,但也达到了缺陷定位识别的效果;16-32-64阵列对形状的重构也达到了一定的精度。
截取过缺陷中心的线段,观察其厚度分布,如图5所示。8阵列形式本身采集数据量较少,难以做到定量化评估,16-32-64阵列对厚度的重构达到了较为理想的效果。因此可凭借本方法应用于工业无损检测领域,达到定量化评估的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种变阵列形式的超声导波定量化成像方法,其特征在于:所述成像方法包括:
根据测量散射场的数据,选择不同数量探头的采集阵列作为初始输入,根据不同数量探头的采集阵列选择不同的求解算法,并通过变born近似修正格林函数,不断迭代来逼近真实解,得到最终待求的目标函数O k ;
通过频散曲线将最终待求的目标函数O k 转变为厚度d的形式d=f(O k ),并以板材上每点的厚度来进行成像,每一点的像素代表改点处板材的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种变阵列形式的超声导波定量化成像方法,其特征在于:所述根据测量散射场的数据,选择不同数量探头的采集阵列作为初始输入,根据不同数量探头的采集阵列选择不同的求解算法包括:
A1、将待检测区别划分为N个网格,在圆周边界上布置m个传感器探头;
A2、将其中任意一个传感器探头作为激励,剩下所有传感器探头作为接收点来捕捉实际的散射场信号,得到一组散射场信号;
A3、选择不同传感器探头作为激励,重复A2步骤,得到m(m-1)组散射场信号,利用散射场将待求目标函数转变为线性方程组的一般形式AX=b,A为系数矩阵,b为列向量,X为待求解未知向量;
A4、当m(m-1)<=N时,选择构建单层神经网络算法对待求解未知向量进行求解;
A5、当m(m-1)> N时,选择主成分分析算法对待求解未知向量进行求解。
4.根据权利要求2所述的一种变阵列形式的超声导波定量化成像方法,其特征在于:所述选择主成分分析算法对待求解未知向量进行求解包括:
设置,将方程AX 2=b转换为求解,选择C和Y的前p列向量作为主成分,分
别记为C 1和Y 1,C=(C 1,C 2),V=(V 1,V 2),其中C 1和V 1由C和 V的前p列向量构成,C 2和V 2由除主成
分之外的剩余列向量构成,求解C1Y1=b,得到,从而,其中+表
示广义逆,当矩阵满秩时等价于逆矩阵,~表示取最小二乘近似解,非绝对真实解;
5.根据权利要求2所述的一种变阵列形式的超声导波定量化成像方法,其特征在于:利用传感器探头捕捉散射场信号包括:
B2、将传感器探头接收的所有入射场信号进行批量化快速傅里叶变换处理并提取中心频率处对应的值,得到m(m-1)组频域的全场信号,将这些信号全部与校准因子Q作比值进行校准;
B3、利用二维格林函数的理论解,分别计算m(m-1)组信号路径对应的格林函数;
B4、将步骤B2校准之后的全场信号减去步骤B3计算得到的格林函数,得到最终的散射场信号。
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