CN115856087A - 基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像方法，选用纵波一发一收斜入射楔块，将相控阵探头安装在楔块上并放置于被检工件表面，建立直角坐标系确定计算阵元位置坐标和成像区域范围。随后将一个相控阵探头设置为发射探头，一个相控阵探头设置为接收探头进行全矩阵数据采集。数据采集结束后针对成像区域内的具体位置建立声传播模型，并根据楔块‑工件界面坐标求得楔块与工件交界面处的声传播入射点，随后根据入射点位置、阵元和成像区域位置坐标以及声速可求得声传播时间。最后对采集到的全矩阵数据在成像区域内做延时叠加操作，从而实现基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像。

Description

基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像方法

技术领域

本发明属于超声无损检测领域，主要涉及一种基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像方法。

背景技术

目前在超声检测中，存在使用纵波一发一收斜探头对缺陷进行检测。此纵波一发一收斜探头中的2个探头与分开它们的垂直面倾斜成一个角度，该角度的存在会导致2个探头的超声波的重叠，此声波重叠区域会产生声场聚焦区，在聚焦区域产生聚焦效果并增加其信噪比，且相比于普通超声探头其近表面盲区较小，不会受到表面回波信号的干扰。但目前较为常见的纵波一发一收斜探头其探头为单晶探头，尽管检测效果较好，但在检测时无法直观的对缺陷进行表征。

而基于全矩阵采集的全聚焦成像能够对缺陷进行直观重建，本文将纵波一发一收斜探头与全聚焦检测结合起来实现缺陷的高质量成像。此成像是通过将纵波一发一收斜探头中单晶探头替换为相控阵探头，对相控阵探头采集全矩阵数据进行延时叠加从而实现图像重建。由于纵波一发一收超声相控阵探头的使用同样会使声束发生偏转，在被检区域内声束会发生重叠存在聚焦区域。而且由于发射接收阵元不在同一平面，成像时会避免界面波对缺陷检出产生的影响。但纵波一发一收相控阵探头的使用，声在三维空间内传播且存在分层界面，使声传播路径的计算变得更加复杂，图像重建变得更加困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像方法，解决了纵波一发一收相控阵探头全矩阵数据采集的数据全聚焦重建问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像方法，包括以下步骤：

S1，建立纵波一发一收超声相控阵探头的三维坐标位置并确定成像区域；

将纵波一发一收超声相控阵探头与楔块组合放置于被检工件表面上，根据若干参数即楔块倾斜角

、楔块屋顶角/>

、相邻两阵元中心间距pitch、纵波一发一收超声相控阵探头阵元数N，相控阵探头一号阵元中心距楔块与工件界面的高度H，阵元中心至屋顶中心距离d，在三维空间建立x-y-z直角坐标系，确定成像区域为x-0-z平面及任意发射阵元i坐标(T_xi,T_yi,T_zi)和任意接收阵元j坐标(R_xj,R_yj,R_zj)，并利用纵波一发一收超声相控阵探头进行全矩阵数据采集，并将全矩阵数据记为S_ij；

S2，计算基于纵波一发一收超声相控阵探头全聚焦图像重建的声传播时间；

根据任意发射阵元i的坐标位置和任意接收阵元j的坐标位置及成像区域任意点P(x，0，z)坐标，计算任意发射阵元i至楔块-工件界面不同位置点再到成像区域任意点P的声传播时间，取声传播时间最小值即为任意发射阵元i至任意点P的声传播时间；

计算成像区域任意点P至楔块-工件界面不同位置点再到任意接收阵元j的声传播时间，取声传播时间最小值即为任意点P至任意接收阵元j的声传播时间；

S3，根据S2计算所得声传播时间对全矩阵数据S_ij进行延时叠加波束形成得到基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像结果。

进一步的，S1建立纵波一发一收超声相控阵探头的三维坐标位置并确定成像区域，具体步骤为：

S11，首先根据S1的若干参数在三维空间内建立x-y-z直角坐标系，其中从纵波一发一收超声相控阵探头一号阵元连线的中心位置向楔块-工件界面做垂线，与楔块-工件界面交点位置即为坐标原点O位置，x轴为楔块-工件界面与楔块中心截面相交线指向阵元数增大方向，y轴为楔块中心截面的法线指向内侧方向，z纵轴为楔块-工件交界面的法线指向下侧方向；

S12，计算求得任意发射阵元i坐标位置(T_xi,T_yi,T_zi), 求得任意接收阵元j坐标位置(R_xj,R_yj,R_zj)，任意发射阵元i坐标写为：

（1）

任意接收阵元j坐标写为：

（2）

式中，T_xi为任意发射阵元i的x轴坐标，T_yi为任意发射阵元i的y轴坐标，T_zi为任意发射阵元i的z轴坐标，R_xj为任意接收阵元j的x轴坐标，R_yj为任意接收阵元j的y轴坐标，R_zj为任意接收阵元j的z轴坐标，i为任意发射阵元，1≤i≤N，j为任意接收阵元，1≤j≤N；

S13，最后以一个线性阵列超声相控阵探头为发射探头，一个线性阵列超声相控阵探头为接收探头进行全矩阵数据采集得到全矩阵数据S_ij。

进一步的，S2计算基于纵波一发一收超声相控阵探头全聚焦图像重建的声传播时间，具体为：

S21，在全聚焦成像时，成像区域的y轴为零的二维平面x-0-z，将被检区域划分为m×n个成像网格点，其中m表示成像区域x轴坐标点数，两点间隔设为dxp,n为成像区域z轴坐标点数，两点间隔设为dzp；

S22，将楔块-工件界面划分为l×s个网格点，l表示楔块-工件界面x轴坐标点数,两点间隔设为dxs，s为楔块-工件界面y轴坐标点数,两点间隔设为dys；

S23，假设纵波一发一收超声相控阵探头发射声束和接收声束在楔块-工件界面处的入射点为(V_Txi,V_Tyi,V_Tzi),出射点为(V_Rxj,V_Ryj,V_Rzj)，对于成像区域任意点P(x，0，z)，将楔块-工件界面l×s个网格点均设为声传播入射点和声传播出射点，即点(V_Txi,V_Tyi,0)和点(V_Rxj,V_Ryj,0)为l×s的数组，根据任意发射阵元i所在的位置坐标为(T_xi,T_yi,T_zi)和任意接收阵元j所在的位置坐标为(R_xj,R_yj,R_zj)，对不同入射点循环计算声传播时间得到声传播时间数据集{t_ils}，对不同出射点循环计算声传播时间得到声传播时间数据集{t_jls}：

（3）/>

（4）

式中，V_Txi为第i个发射阵元发射的楔块-工件界面处入射点的x轴坐标，V_Tyi为第i个发射阵元发射的楔块-工件界面处入射点的y轴坐标，V_Rxj为第j个接收阵元的楔块-工件界面处出射点的x轴坐标，V_Ryj为第j个接收阵元的楔块-工件界面处出射点的x轴坐标,c₁为声波在楔块的声速，c₂为声波在介质中的声速，x为成像区域任意点P的x轴坐标，z为成像区域任意点P的z轴坐标；

取公式（3）中最小值t_imin=min{t_ils}为第i个发射阵元发射对于成像区域任意点P(x, 0,z)的实际声传播时间，取公式（4）中最小值t_jmin=min{t_jls}为第j个接收阵元接收对于成像区域任意点P(x, 0,z)的实际声传播时间；

S24，对N个阵元中每个阵元及成像区域内m×n个成像网格点循环计算延时，结果以三维矩阵m×n×N的形式保存为数据集{t_i(m,n)}和{t_j(m,n)}，成像区域内m×n个成像网格点的第i个阵元发射第j个阵元接收的声传播时间t_ij(x,z)为：

（5）

式中，t_i(m,n)表示第i个阵元发射的成像区域m×n个成像点网格的声传播时间；t_j(m,n)表示第j个阵元接收的成像区域m×n个成像点网格的声传播时间。

进一步的，S3中，根据S2计算所得声传播时间对全矩阵数据S_ij进行延时叠加波束形成得到基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像结果，具体为：

利用S2中设计计算出的声传播时间t_ij(x,z)对采集到的全矩阵数据S_ij进行延时叠加，可得到成像区域内所有网格点的幅值I(x,z)，实现基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明选用纵波一发一收相控阵探头，将相控阵探头及楔块放置在被检工件上，在三维空间内建立x-y-z直角坐标系，并计算各阵元坐标位置，以一侧相控阵探头为发射阵元，一侧相控阵探头为接收阵元进行全矩阵采集。

在对全矩阵数据成像时需分析声传播路径，由于相控阵探头放置在楔块上为双层介质，在分界面处会存在入射点，根据入射点坐标探头坐标和成像区域位置坐标可求得声传播距离，根据声速可求得声传播时间，最后对采集到的全矩阵数据进行延时叠加处理完成图像重建。

纵波一发一收超声相控阵全聚焦成像方法在成像区域内会存在聚焦区，在聚焦区内成像效果明显提高，能够一定程度上提高缺陷检测的信噪比，且两相控阵晶片不在同一截面上，在成像时会规避近场区和表面回波的影响。

本发明所提出的方法属于超声无损检测领域，非常适合于提高无损检测的缺陷检测能力，具有良好的推广及应用前景。

附图说明

图1为本发明中信号采集系统的示意图；

其中1为显示器，2为主机，3为超声信号采集系统，4为面板，5为超声相控阵探头，6为楔块，7为被检工件；

图2是本发明中探头及楔块摆放位置示意图；

图3为本发明中被检工件示意图；

图4为搭配5°屋顶角楔块检测铝制试块七孔缺陷纵波一发一收超声相控阵探头全聚焦成像图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供了一种基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像方法。选用纵波一发一收斜入射楔块，将探头安装在楔块上并放置于被检工件7表面，建立x-y-z直角坐标系确定计算阵元位置坐标和成像区域范围。采集的数据为全矩阵数据，即发射探头的单一阵元发射，接收探头全部阵元接收回波信号。并根据楔块的物理模型，确定对于每个成像位置的单一阵元发射，单一阵元接收的声传播路径，并计算声传播时间。通过对采集到的全矩阵数据进行延时叠加实现纵波一发一收相控阵探头的全聚焦成像。

本实施方案的被检工件是含边钻孔缺陷铝制试块，以下对本发明一种基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像方法的数据采集及成像流程作进一步详细描述。

如图1所示，实验信号采集装置包括显示器1、主机2、超声信号采集系统3、两个超声相控阵探头5及楔块6，信号采集系统3上设有面板4。其中，主机2与显示器1、超声信号采集系统3分别进行连接。面板4上存在上下两个接口，两个超声相控阵探头5与面板4上的两个超声波发射/接收32通道接口分别进行连接。并将两线性阵列超声相控阵探头固定在楔块6上。

具体的，超声相控阵探头5是型号为L5L64-0.6×10-C77的超声相控阵探头，中心频率fs=5MHz，阵元数为64，阵元中心间距为0.6mm，阵元长度为10mm，阵元宽度为0.55mm。选用两个楔块，如图2所示楔块的一号阵元高度为13.8mm，楔块的倾斜角

为18.5°，楔块的屋顶角/>

为5°。

如图3所示，铝制试块长100mm、宽50mm、高60mm。在铝块埋深为25mm、30mm、35mm、40mm、45mm处制作了直径大小为2mm的横孔，图3中

2表示直径为2mm的孔，分别编号为1-5。5个横孔孔中心的水平间距为12.5mm，开孔深度25mm。随后将一发一收超声相控阵探头5与楔块6固定放置在铝制试块上。对其边钻孔缺陷进行数据采集和后处理成像，具体步骤如下：

1)首先在显示器1的系统控制程序中设置检测参数：采样频率fs=62.5MHz，发射/接收阵元数均为32，发射电压为15V，信号采集模式为全矩阵采集，即控制一个相控阵探头为发射阵元，一个相控阵探头为接收阵元，首先激励发射阵元中的第1个阵元，另一个相控阵探头为接收探头，其上所有阵元均接收第1个阵元发射的超声波信号，随后依次激励发射探头晶片，直至所有发射探头晶片完成激励，确定好采集参数及采集模式后，将探头与楔块连接，其中1号阵元放置在下方位置，并涂上耦合剂保证完全贴合，随后在被检铝制试块上涂上耦合剂将探头及楔块放上，并移动探头将缺陷位置放置在探头声束偏转区范围内进行数据采集；

2)由步骤1)采集得到纵波一发一收相控阵全聚焦成像的原始数据，其中发射探头中的第一个阵元发射，接收探头32个阵元接收时，此时可得32条A扫数据，记录为S(10025, 32, 1)，其中10025为采样点数，32为接收阵元数，1为第1个阵元发射超声波，随后依次激励发射探头晶片，最终得到一组三维数据S(10025, 32, 32)；

3)随后进行成像坐标系建立和坐标位置计算。如图2所示，在二维平面x-y-z中原点O位置在分层界面与楔块中心截面相交一号阵元垂直位置处，x轴为楔块-工件界面与楔块中心截面相交线指向阵元数增大方向，y轴为楔块中心截面的法线指向内侧方向，z纵轴为楔块-工件交界面的法线指向下侧方向，成像区域为楔块中心平面，即y轴为零的二维平面，阵元数均为32的两个线性阵列相控阵探头，放置在倾斜角和屋顶角分别为18.5°和5°的楔块上，其中一号阵元放置于下端，假设阵元中心间距为0.6mm，一号阵元中心距楔块与工件分界面高度为13.8mm，一号阵元中心距楔块中间耦合层上斜边距离为8mm，声波在楔块和介质中的声速分别为2337m/s和6300m/s。以位于y轴正半区相控阵探头为发射探头，位于y轴负半区相控阵探头为接收探头。其中任意发射阵元i的x坐标T_xi=(i-1)×0.6×cos(18.5)、y轴坐标T_yi=13.8×cos(18.5)和z轴坐标T_zi=13.8+(i-1)×0.6×sin(18.5)。其中任意接收阵元j的x坐标R_xj=(i-1)×0.6×cos(18.5)、y轴坐标R_yj=-13.8×cos(18.5)和z轴坐标R_zj=13.8+(i-1)×0.6×sin(18.5)。变量i=1：32和j=1：32分别代表发射探头和接收探头中任意阵元的序号，当首先计算发射阵元的传播时间，对任意发射阵元i循环计算阵元坐标，得到三个一维数据集{xarray_i}、{yarray_i}和{zarray_i}，i=1, 2, …, 32，分别表示发射阵元的x轴坐标，y轴坐标和z轴坐标；

4)如图2所示，将被检区域划分为若干成像网格点分别记两个二维数据集为{X_mn}，{Z_mn}，分别表示被检测区域内网格的x轴和z轴坐标，变量m=64和n=701分别代表被检测区域的x轴方向的坐标点数和z轴方向的坐标点数，x轴间隔设为1mm，z轴间隔设为0.1mm，其中针对成像区域任意点P(x, 0,z)声传播路径如图2所示，将楔块-工件交界面划分若干网格点分别记为两个二维数据集为{XC_ls}，{YC_ls}，分别表示楔块-工件交界面网格的x轴和y轴坐标，变量l=64和s=150分别代表楔块-工件交界面的x轴方向的坐标点数和y轴方向的坐标点数，x轴间隔设为1mm，y轴间隔设为0.1mm，对于成像区域任意点P(x, 0,z)，第i个阵元发射对于所有楔块-工件交界面网格声传播时间数据集{t_ils}为：

（6）

式中，xarray_i表示发射阵元i的x轴坐标，yarray_i表示发射阵元i的y轴坐标，zarray_i表示发射阵元i的z轴坐标，i=1, 2, …, 32，XC_ls表示楔块-工件交界面网格的x轴坐标，YC_ls分别表示楔块-工件交界面网格的y轴坐标，变量l=64代表楔块-工件交界面的x轴方向的坐标点数，变量s=150代表楔块-工件交界面的y轴方向的坐标点数。

取其中最小值t_imin=min{t_ils}则为第i个阵元到成像区域点P(x，0，z)的声传播时间。随后对32个阵元及成像区域内64×701个网格点循环计算延时。结果以三维矩阵64×701×32的形式保存为数据集{t_i(m,n)}，数据集中t_i(m,n)表示第i个阵元的成像区域64×701个成像点网格的传播时间。

由于两阵元关于成像区域对称，对于成像区域任意点P，两探头传播时间相同。此时t_j=t_i所以目标区域成像任意点P的发射-接收阵元对声传播延迟时间t_ij=t_i+t_j。利用计算出的传播时间t_ij对采集到的全矩阵数据Sij进行延时叠加操作，得到所有成像区域点的幅值I(x,z)。

图4为重建后的纵波一发一收相控阵全聚焦检测图像。所有的图像均在0~-30dB的动态显示范围内。

其中图4是为使用倾斜角为18.5°，屋顶角为5°的楔块成像结果图。由图4可知，五个横通孔缺陷成像中缺陷成像幅值较大且聚焦效果较好。因此本发明的算法能够实现纵波一发一收相控阵全聚焦成像，且能够明显对工件内部缺陷的检测。

Claims (4)

1.基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建立纵波一发一收超声相控阵探头的三维坐标位置并确定成像区域；

将纵波一发一收超声相控阵探头与楔块组合放置于被检工件表面上，根据若干参数即楔块倾斜角

、楔块屋顶角/>

、相邻两阵元中心间距pitch、纵波一发一收超声相控阵探头阵元数N，相控阵探头一号阵元中心距楔块与工件界面的高度H，阵元中心至屋顶中心距离d，在三维空间建立x-y-z直角坐标系，确定成像区域为x-0-z平面及任意发射阵元i坐标(T_xi,T_yi,T_zi)和任意接收阵元j坐标(R_xj,R_yj,R_zj)，并利用纵波一发一收超声相控阵探头进行全矩阵数据采集，并将全矩阵数据记为S_ij；

S2，计算基于纵波一发一收超声相控阵探头全聚焦图像重建的声传播时间；

根据任意发射阵元i的坐标位置和任意接收阵元j的坐标位置及成像区域任意点P(x,0,z)坐标，计算任意发射阵元i至楔块-工件界面不同位置点再到成像区域任意点P的声传播时间，取声传播时间最小值即为任意发射阵元i至任意点P的声传播时间；

计算成像区域任意点P至楔块-工件界面不同位置点再到任意接收阵元j的声传播时间，取声传播时间最小值即为任意点P至任意接收阵元j的声传播时间；

S3，根据S2计算所得声传播时间对全矩阵数据S_ij进行延时叠加波束形成得到基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像结果。

2.根据权利要求1所述基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像方法，其特征在于，S1建立纵波一发一收超声相控阵探头的三维坐标位置并确定成像区域，具体步骤为：

S11，首先根据S1的若干参数在三维空间内建立x-y-z直角坐标系，其中从纵波一发一收超声相控阵探头一号阵元连线的中心位置向楔块-工件界面做垂线，与楔块-工件界面交点位置即为坐标原点O位置，x轴为楔块-工件界面与楔块中心截面相交线指向阵元数增大方向，y轴为楔块中心截面的法线指向内侧方向，z纵轴为楔块-工件交界面的法线指向下侧方向；

S12，计算求得任意发射阵元i坐标位置(T_xi,T_yi,T_zi), 求得任意接收阵元j坐标位置(R_xj,R_yj,R_zj)，任意发射阵元i坐标写为：

（1）

任意接收阵元j坐标写为：

（2）

式中，T_xi为任意发射阵元i的x轴坐标，T_yi为任意发射阵元i的y轴坐标，T_zi为任意发射阵元i的z轴坐标，R_xj为任意接收阵元j的x轴坐标，R_yj为任意接收阵元j的y轴坐标，R_zj为任意接收阵元j的z轴坐标，i为任意发射阵元，1≤i≤N ，j为任意接收阵元，1≤j≤N；

S13，最后以一个线性阵列超声相控阵探头为发射探头，一个线性阵列超声相控阵探头为接收探头进行全矩阵数据采集得到全矩阵数据S_ij。

3.根据权利要求1所述基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像方法，其特征在于，S2计算基于纵波一发一收超声相控阵探头全聚焦图像重建的声传播时间，具体为：

S21，在全聚焦成像时，成像区域的y轴为零的二维平面x-0-z，将被检区域划分为m×n个成像网格点，其中m表示成像区域x轴坐标点数，两点间隔设为dxp,n为成像区域z轴坐标点数，两点间隔设为dzp；

S22，将楔块-工件界面划分为l×s个网格点，l表示楔块-工件界面x轴坐标点数,两点间隔设为dxs，s为楔块-工件界面y轴坐标点数,两点间隔设为dys；

S23，假设纵波一发一收超声相控阵探头发射声束和接收声束在楔块-工件界面处的入射点为(V_Txi,V_Tyi,V_Tzi),出射点为(V_Rxj,V_Ryj,V_Rzj)，对于成像区域任意点P(x,0,z)，将楔块-工件界面l×s个网格点均设为声传播入射点和声传播出射点，即点(V_Txi,V_Tyi,0)和点(V_Rxj,V_Ryj,0)为l×s的数组，根据任意发射阵元i所在的位置坐标为(T_xi,T_yi,T_zi)和任意接收阵元j所在的位置坐标为(R_xj,R_yj,R_zj)，对不同入射点循环计算声传播时间得到声传播时间数据集{t_ils}，对不同出射点循环计算声传播时间得到声传播时间数据集{t_jls}：

（3）

（4）

式中，V_Txi为第i个发射阵元发射的楔块-工件界面处入射点的x轴坐标，V_Tyi为

第i个发射阵元发射的楔块-工件界面处入射点的y轴坐标，V_Rxj为第j个接收阵元的楔块-工件界面处出射点的x轴坐标，V_Ryj为第j个接收阵元的楔块-工件界面处出射点的x轴坐标,c₁为声波在楔块的声速，c₂为声波在介质中的声速，x为成像区域任意点P的x轴坐标，z为成像区域任意点P的z轴坐标；

取公式（3）中最小值t_imin=min{t_ils}为第i个发射阵元发射对于成像区域任意点P(x,0,z)的实际声传播时间，取公式（4）中最小值t_jmin=min{t_jls}为第j个接收阵元接收对于成像区域任意点P(x,0,z)的实际声传播时间；

S24，对N个阵元中每个阵元及成像区域内m×n个成像网格点循环计算延时，结果以三维矩阵m×n×N的形式保存为数据集{t_i(m,n)}和{t_j(m,n)}，成像区域内m×n个成像网格点的第i个阵元发射第j个阵元接收的声传播时间t_ij(x,z)为：

（5）

式中，t_i(m,n)表示第i个阵元发射的成像区域m×n个成像点网格的声传播时间；t_j(m,n)表示第j个阵元接收的成像区域m×n个成像点网格的声传播时间。

4.根据权利要求3所述基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像方法，其特征在于：S3中，根据S2计算所得声传播时间对全矩阵数据S_ij进行延时叠加波束形成得到基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像结果，具体为：

利用S2中设计计算出的声传播时间t_ij(x,z)对采集到的全矩阵数据S_ij进行延时叠加，可得到成像区域内所有网格点的幅值I(x,z)，实现基于纵波一发一收超声相控阵探头的全聚焦成像。

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