CN115767265A - 一种多模全聚焦成像方法、电子设备及可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损检测领域，具体是一种多模全聚焦成像方法、电子设备及可读存储介质，包括如下步骤：S1、根据检测对象的缺陷位置，确定最佳声束入射点位；S2、采用检测设备在最佳声束入射点位对检测对象进行全矩阵数据采集；S3、对获得的全矩阵数据进行全聚焦后处理成像，并进行融合处理得到优化的多模全聚焦图像。本发明建立基于声束有效覆盖区域的多模图像融合方法，在已有基础上优化了成像效果，实现了对焊缝微小缺陷的形貌重构和定量检测；可以检出已有全聚焦成像方法无法检出的特殊位置缺陷，同时对噪声信号和伪影有良好的抑制效果，能够有效降低焊缝检测漏检率。

Description

一种多模全聚焦成像方法、电子设备及可读存储介质

技术领域

本发明涉及无损检测领域，具体是一种多模全聚焦成像方法、电子设备及可读存储介质。

背景技术

角焊缝是承压设备较为常见的焊缝形式之一，其中插入式接管角焊缝是角焊缝中的一大类，主要用于接管与壳体的连接，GB150.3-2011《压力容器》附录D对各类插入式接管角焊缝的结构尺寸和适用场合进行了详细的规定。相对于对接接头焊缝结构，承压设备插入式接管角焊缝区域应力集中较严重，且焊接质量也不易得到保证，焊缝内部更有可能出现如未焊透、未熔合、夹渣、气孔等制造缺陷；另一方面，角焊缝内部也可能产生危害性缺陷，如不同取向的裂纹等。因此，针对承压设备薄弱区域的定期检测非常重要，以防止危害性缺陷对设备的安全运行造成影响。相对于传统超声，超声相控阵技术采用多通道、多晶片，检测覆盖范围更大，同时可通过延时法则进行分区成像，并能进行精确定位与测量，具有检测效率高、漏检率低、灵活性好、成像方式多等优点。

已有的大部分相控阵检测技术基于扇形扫描等基础成像方式，对结构复杂的接管焊缝区域的缺陷检测存在局限性，尤其是当裂纹取向垂直于声束入射方向时难以直接检出。声束模态混叠也会影响检测结果，有研究发现，在接管角焊缝区域，接收的波形信号包含有一次波和二次波成分，声束模态出现混叠现象，对缺陷的定量和定位产生影响，检测后成像效果差，无法对焊缝微小缺陷进行形貌重构及定量检测，因此亟待解决。

发明内容

为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种多模全聚焦成像方法，检测后成像效果好，可对焊缝微小缺陷进行形貌重构及定量检测；本发明还提供了执行一种多模全聚焦成像方法的电子设备及可读存储介质。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多模全聚焦成像方法，包括如下步骤：

S1、根据检测对象的缺陷位置，确定最佳声束入射点位；

S2、采用检测设备在最佳声束入射点位对检测对象进行全矩阵数据采集；

S3、对获得的全矩阵数据进行全聚焦后处理成像，并进行融合处理得到优化的多模全聚焦图像。

作为本发明进一步的方案：在步骤S3中，融合后的多模全聚焦图像F(x，y)可表示为：

其中，I_i(x，y)为第i个视图的全聚焦公式；

p_i(x，y)为第i个视图在点(x，y)处的权值。

作为本发明再进一步的方案：在步骤S1中，根据声波是否经底面反射，波束传播模式存在直接式、半跨式以及全跨式三种传播模式，以横波为T、纵波为L，考虑到T和L的结合，可得到21个视图，以每个视图的有效检测区域为Q，则第m个视图在点(x,y)的权值为：

叠合每个视图的有效检测区域得到检测点位的声束有效覆盖范围：

其中，N为成像点(x,y)的有效视图个数；

P_i(x，y)为第i个视图在点(x，y)处的权值。

作为本发明再进一步的方案：在步骤S3中，对于第m个视图，其全聚焦公式为：

其中，S为探头的阵元数；

I_m(x,y)为成像点(x,y)第m个视图的合成聚焦信号幅值；

F_ij(t(x,y))表示第i个阵元发射的声波经点(x,y)反射，然后由第j个阵元接收的解析信号；

a_ij(x,y)为加权相；

t_ij-m(x,y)表示声束传播最短路径。

作为本发明再进一步的方案：在步骤S1中，根据检测对象的几何特征以及阵列探头及楔块的声学特征，以阵元激励面积、声束入射角、扩散角和前沿距的参数，结合多模成像路径算法获得缺陷位置的最佳声束入射点位。

作为本发明再进一步的方案：在步骤S2中，在检测对象进行全矩阵数据采集前，先对检测对象进行表面粗糙度处理，再通过超声相控阵检测平台对检测对象进行检测。

一种电子设备，包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器依次连接，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行所述的一种多模全聚焦成像方法。

一种可读存储介质，其特征在于，该存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使处理器执行所述的一种多模全聚焦成像方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明针对焊缝结构特点，优化超声相控阵检测工艺，计算多模成像声束有效覆盖区域，通过调整相关检测参数实现焊缝区域声束全覆盖，提供了一种智能选择目标区域全覆盖条件下检测点位的方法；本发明通过制定考虑成像角度范围和缺陷位置的多视图选择策略，大幅减少多模成像算法计算量，建立基于声束有效覆盖区域的多模图像融合方法，在已有基础上优化了成像效果，实现了对焊缝微小缺陷的形貌重构和定量检测；可以检出已有全聚焦成像方法无法检出的特殊位置缺陷，同时对噪声信号和伪影有良好的抑制效果，能够有效降低焊缝检测漏检率。

附图说明

图1a为本发明中多模相控阵斜入射声束第一种传播模式的路径示意图。

图1b为本发明中多模相控阵斜入射声束第二种传播模式的路径示意图。

图1c为本发明中多模相控阵斜入射声束第三种传播模式的路径示意图。

图2为本发明中9个有效视图的有效检测区域。

图3为本发明中根据各视图有效区域叠加得到的声束有效覆盖范围。

图4为本发明中TT模式全聚焦成像。

图5为本发明中TTTT模式全聚焦成像。

图6为本发明中采用多模式全聚焦图像融合技术获得的多模融合图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。

请参阅图1～6，本发明实施例中，一种多模全聚焦成像方法，本发明中的检测对象，为对接焊缝304不锈钢，厚度为12mm，焊缝位置存在一个平底孔，位于焊缝靠近融合区的位置，深度为10mm，孔径为1mm。

试验所用的超声检测设备包括：一个64阵元超声探头(阵元中心距：0.60mm；标称中心频率：5MHz)、一个横波楔块(声速2350m/s；入射角39.5°)、一台Micropulse FMC相控阵控制器、一台拥有相控阵检测平台运行环境的计算机等。

本发明包括如下步骤：

S1、根据检测对象的几何特征以及阵列探头及楔块的声学特征，以阵元激励面积、声束入射角、扩散角和前沿距等参数，结合多模成像路径算法获得缺陷位置的最佳声束入射点位。

利用声波模式转换和检测对象的界面反射，通过全聚焦算法可以产生多个超声成像。考虑到声波是否经底面反射，可以分为直接式、半跨式和全跨式三种波束传播模式。

再考虑到横波(T)和纵波(L)的结合，可以得到21个视图。

如图1a表示直接式声束在试样中的传播有两个路径，通过两个传播路径可以组合出3个视图：TT、TL和LL。

如图1b表示半跨式声束在试样中的传播有三个路径，通过三个传播路径可以组合出8个视图：TLT、LLT、TTT、LTT、LLL、TLL、TTL和LTL。

如图1c表示全跨式声束在试样中的传播有四个路径，通过四个传播路径可以组合出10个视图：LLLL、LLLT、LLTT、LLTL、LTLT、TLTT、TLTL、TTTT、LTTT和LTTL。

由于声波的互惠原理，即TL和LT是等价的，因此总的有效视图数量为21个。

当入射角大于第一临界角时，由于入射纵波完全消失，视图数量将减少到9个,即TT、TL、TLT、TTT、TLL、TTL、TLTT、TLTL、TTTT。

本发明的检测对象经计算后，得出探头与检测区域的横向距离为15mm至25mm之间时检测效果最好，但受检测对象焊缝余高影响，无法进行最优位置检测，通过测量可以得到探头与检测区域最短距离为30mm，此时对照每个视图的有效检测区域可发现直接式(TT和TL)以及半跨式(TTT、TLL、TTL和TLT)，无法实现检测，但通过全跨式(TTTT、TLLT和TLTT)预计能够完成对目标区域的检测。

在已知所采用的探头有效激发面积、声束入射角和扩散角、楔块和检测对象的纵波声速和横波声速以及检测对象厚度的情况下，可以计算出每个视图的有效检测区域，则第m个视图在点(x,y)的权值为：

叠合每个有效视图的有效检测区域得到检测点位的声束有效覆盖范围：

其中，N为成像点(x,y)的有效视图个数；

P_i(x，y)的含义为第i个视图在点(x，y)处的权值。

根据检测对象目标区域可以选择合适的检测点位。

图2代表声束的有效覆盖范围。

S2、在最佳检测点位，采用超声相控阵检测设备对经过表面粗糙度处理的检测对象进行全矩阵数据采集；

检测前调整好阵列探头的中心频率以及楔块的前沿距，检测时设定控制器的采样频率、脉冲宽度、脉冲电压、信号区间长度和起始点、增益等参数。将装载了楔块的阵列探头通过耦合剂与试样表面完全耦合，通过测量将探头对齐最佳检测点位。然后通过相控阵检测平台采集全矩阵数据用于全聚焦后处理。

S3、对获得的全矩阵数据进行全聚焦后处理成像，并进行融合处理得到优化的多模全聚焦图像。

对获得的全矩阵数据进行考虑声束路径的全聚焦后处理成像，对于第m个视图，其全聚焦公式为

其中，S为探头的阵元数；

I_m(x,y)为成像点(x,y)第m个视图的合成聚焦信号幅值；

F_ij(t(x,y))表示第i个阵元发射的声波经点(x,y)反射，然后由第j个阵元接收的解析信号；

a_ij(x,y)为加权相，本发明中取1；

t_ij-m(x,y)表示声束传播最短路径。

t_ij-m(x,y)如下计算可得：已知楔块纵波声速c，试块纵波声速c_L及横波声速c_T，试块厚度为H，发射阵元坐标为(x₁,y₁)，接收阵元坐标为(x₂,y₂)，试样中的某反射点坐标为(x,y)，则由费马定理，入射波和反射波在楔块-试块界面处的折射点坐标(x_i,0)及(x_j,0)可表示为

其中，t₁为声束由发射阵元到反射点的时间，t₂为声束由反射点到接收阵元的时间。通过上式同时结合几何相关等式可解出相应的折射点坐标并得到t₁和t₂。

融合后的多模全聚焦图像F(x，y)可表示为：

其中，I_i(x，y)为第i个视图的全聚焦公式；

p_i(x，y)为第i个视图在点(x，y)处的权值。

如图4所示，为最常用的TT模式全聚焦成像I_TT，可以看出，由于前沿距过长，声束无法经过缺陷位置并反射，因此无法检出缺陷。

图5为TTTT模式全聚焦成像I_TTTT，但出现大量伪影，在实际检测时会造成干扰。

图6为本发明采用多模式全聚焦图像融合技术获得的多模融合图像F，缺陷清晰检出，并且在一定程度上削弱了伪影成像。本发明在检测位置受限、缺陷位置特殊的情况下仍能实现缺陷的稳定检出，避免漏检发生。

本申请的另一实施例为电子设备。

该电子设备可以是可移动设备本身，或与其独立的单机设备，该单机设备可以与可移动设备进行通信，以从它们接收所采集到的输入信号，并向其发送所选择的目标决策行为。

电子设备包括一个或多个处理器和存储器。

处理器可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制电子设备中的其他组件以执行期望的功能。

存储器可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器可以运行所述程序指令，以实现上文所述的本申请的各个实施例的多模全聚焦成像方法。

在一个示例中，电子设备还可以包括：输入装置和输出装置，这些组件通过总线系统和/或其他形式的连接机构互连。例如，该输入设备可以包括例如车载诊断系统(OBD)、摄像头、工业相机等各种设备。该输入设备还可以包括例如键盘、鼠标等等。该输出装置可以包括例如显示器、扬声器、打印机、以及通信网络及其所连接的远程输出设备等等。

除此之外，根据具体应用情况，电子设备还可以包括任何其他适当的组件。

本申请的又一实施例为还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述多模全聚焦成像方法部分中描述的根据本申请各种实施例的多模全聚焦成像方法步骤。

所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。

此外，本申请的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书中的多模全聚焦成像方法。

所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (8)

1.一种多模全聚焦成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据检测对象的缺陷位置，确定最佳声束入射点位；

S2、采用检测设备在最佳声束入射点位对检测对象进行全矩阵数据采集；

S3、对获得的全矩阵数据进行全聚焦后处理成像，并进行融合处理得到优化的多模全聚焦图像。

2.根据权利要求1所述的一种多模全聚焦成像方法，其特征在于，在步骤S3中，融合后的多模全聚焦图像F(x，y)可表示为：

其中，I_i(x，y)为第i个视图的全聚焦公式；

p_i(x，y)为第i个视图在点(x，y)处的权值。

3.根据权利要求2所述的一种多模全聚焦成像方法，其特征在于，在步骤S1中，根据声波是否经底面反射，波束传播模式存在直接式、半跨式以及全跨式三种传播模式，以横波为T、纵波为L，考虑到T和L的结合，可得到21个视图，以每个视图的有效检测区域为Q，则第m个视图在点(x,y)的权值为：

叠合每个视图的有效检测区域得到检测点位的声束有效覆盖范围：

其中，N为成像点(x,y)的有效视图个数；

P_i(x，y)为第i个视图在点(x，y)处的权值。

4.根据权利要求2所述的一种多模全聚焦成像方法，其特征在于，在步骤S3中，对于第m个视图，其全聚焦公式为：

其中，S为探头的阵元数；

I_m(x,y)为成像点(x,y)第m个视图的合成聚焦信号幅值；

F_ij(t(x,y))表示第i个阵元发射的声波经点(x,y)反射，然后由第j个阵元接收的解析信号；

a_ij(x,y)为加权相；

t_ij-m(x,y)表示声束传播最短路径。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种多模全聚焦成像方法，其特征在于，在步骤S1中，根据检测对象的几何特征以及阵列探头及楔块的声学特征，以阵元激励面积、声束入射角、扩散角和前沿距的参数，结合多模成像路径算法获得缺陷位置的最佳声束入射点位。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种多模全聚焦成像方法，其特征在于，在步骤S2中，在检测对象进行全矩阵数据采集前，先对检测对象进行表面粗糙度处理，再通过超声相控阵检测平台对检测对象进行检测。

7.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器依次连接，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如权利要求1～4中任意一项所述的一种多模全聚焦成像方法。

8.一种可读存储介质，其特征在于，该存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使处理器执行如权利要求1～4中任意一项所述的一种多模全聚焦成像方法。

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