CN116202968B - 一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统及激光超声相位相干成像检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统及激光超声相位相干成像检测方法，涉及增材钛合金的超声检测领域。为了解决重构图像的过程中，出现的信号高衰减或较强结构噪声的情况，所导致的成像结果分辨率不高和检测准确度偏差较大的问题。检测系统包括固体激光器、激光高速振镜、步进扫查装置、数字示波器、工控机、接收探头以及由激光干涉仪、分光器、IPG光纤激光器和组成的双波混合干涉仪。制定光束的扫描路径，调整干涉仪中接收探头的角度，使其能够充分拾取钛合金试件中的声场信息，将干涉仪采集的超声回波数据输入示波器显示，对声场信号进行初步分析；最后将拾取到的矩阵数据传输至工控机，并将扫描矩阵数据导入相位相干成像算法的程序中，实现钛合金试块内部缺陷的成像检测。
Description
技术领域
本发明涉及增材钛合金的超声检测领域，特别涉及一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统及增材钛合金激光超声相位相干成像检测方法。
背景技术
钛合金以其强度高、质量轻、耐高温和耐腐蚀性强等特点已广泛用于航空航天、船舶潜艇、生物医疗等领域，结合增材制造这类高自由度的定制化加工技术，可小批量生产出个性化产品，满足特定场景下的装备需求。但是当沉积能量不稳定时，会导致增材钛合金内部的热应力水平发生变化，进而在试件体内出现裂纹等缺陷。目前，以超声检测为主要手段的无损检测技术已在增材金属领域展开丰富研究，具有非接触式特点的激光超声检测方式是当前的研究热点，其发射的高能光束具有窄脉宽的特点，使接收信号具有宽频带的特征，更加有利于信号特性的分析，为后期的数据二维成像提供良好的信息基础。但现阶段的后期处理普遍采用时域或频域的幅值信息对试件内部缺陷进行图像重构，这对于制造工艺不稳定的增材钛合金试件而言，单纯依靠幅值信息成像可能会导致目标域出现检测偏差。因此，有必要针对增材钛合金试件的超声检测技术，当检测信号表现为高衰减或较强结构噪声时，研究出充分利用数据中其他信息的分析手段，设计一种稳定性强、图像分辨率高的增材钛合金内部缺陷检测成像方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
本发明是针对增材钛合金试件的内部缺陷检测，面对因增材工艺的差异性而出现的各向异性粗晶粒介质，利用传统幅值信息来二次重构图像的过程中，出现的信号高衰减或较强结构噪声的情况，所导致的成像结果分辨率不高和检测准确度偏差较大的问题，从而提出了一种克服上述问题的增材钛合金激光超声缺陷检测系统及激光超声相位相干成像检测方法，所述激光超声相位相干成像检测方法是一种基于相位相干成像的激光超声检测方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
本发明所述增材钛合金激光超声缺陷检测系统包括固体激光器、激光高速振镜、步进扫查装置、双波混合干涉仪、数字示波器、工控机，所述固体激光器与工控机连接，用于控制光束的基本参数及振镜的双轴偏转；所述固体激光器发射的高能脉冲激光前端嵌入高速振镜，振镜镜头采用聚焦透镜，激光光束经过振镜的双轴面反射后聚焦，辐照至增材钛合金试件表面；双波混合干涉仪的出射探头整体架设在步进扫查装置中，接收装置的出射光束将采集到的超声振动信号传输至干涉仪内部；通过数字示波器对超声信号进行显示，之后将采集到的矩阵数据导入工控机的图像重构程序中，完成后期的成像处理。
针对本明一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统具体描述如下：缺陷检测系统包括固体激光器、激光高速振镜、步进扫查装置、数字示波器、工控机、接收探头(也称接收装置，通过发射激光光束作为载体，接收超声振动信号)以及由激光干涉仪、分光器、IPG光纤激光器和组成的双波混合干涉仪；所述工控机与固体激光器(通过光纤或光缆)连接，通过工控机制控固体激光器根据增材钛合金材料的物理属性预设的激光基本参数发出激光光束，预设激光基本参数包括光束波长、光束脉宽、出射的单脉冲激光功率密度、脉冲光束的出射频率；所述固体激光器发射的高能脉冲激光前端嵌入高速振镜，即固体激光器的出光口连接有激光高速振镜，高速振镜的出光镜头(含最后出光的镜片)的镜片为聚焦透镜，调整激光高速振镜与待测的增材钛合金试件上表面之间的距离，使激光高速振镜的出光镜头的焦点位于待测的增材钛合金试件上表面上；固体激光器及安装其下方的激光高速振镜一同搭载在所述步进扫查装置上，工控机控制步进扫查装置前后左右动作，使激光高速振镜发出的入射光束遍历待测的增材钛合金试件表面的指定区域；当激光高速振镜发出的作为入射的激光光束与接收探头发射的激光光束位于待测的增材钛合金试件的同一表面时，出射探头可固定；当激光高速振镜发出的作为入射的激光光束与接收探头发射的激光光束位于待测的增材钛合金试件的相对表面时，出射探头架设在所述步进扫查装置上，与激光高速振镜同步位移；IPG光纤激光器发出的一束激光通过分光器，分别送入接收探头和激光干涉仪；分光器送入至激光干涉仪的光束作为初始光束；接收探头的出射光束将采集到的超声振动信号(超声振动信号是入射的激光光束打到增材钛合金试件上产生的物理现象)传输至激光干涉仪内部，带有超声振动信号的反射光束作为参考光束；初始光束和参考光束在激光干涉仪内进行双波混合干涉外理后，通过数字示波器对超声信号进行显示，之后将采集到的矩阵数据(与光束对对应)导入工控机的图像重构程序中，完成后期的成像处理，从而获得增材钛合金试件内的缺陷分布的位置、形状及大小。
进一步地，固体激光器(超声激发装置)选用调Q型Nd：YAG脉冲激光器，光束的波长选用1064nm，光束脉宽选择10ns或20ns，根据增材钛合金材料的物理属性，出射的单脉冲激光功率密度控制在5×1010至5×1013W/m2之间，脉冲光束的出射频率设置为5Hz。
固体激光器、双波混合干涉仪可选择的型号如下：固体激光器型号：LD-JGQ调Q灯泵浦脉冲激光器，双波混合干涉仪型号：AIR-1550-TWM。
进一步的，所述激光高速振镜内设有用于调速光束入射角度的两个反射棱镜，激光光束经过振镜的两个反射棱镜(双轴面)反射后聚焦，通过出光镜头聚焦辐照至增材钛合金试件表面；通过工控机控制激光高速振镜内的两个反射棱镜进行转动，即双轴偏转，从而调整光高速振镜通过出光镜头出射光的角度。所述激光高速振镜设定的调节角度不宜过大，需满足出射光束的射点位移步长不超过声场信号的波长。
进一步的，扫查步长根据增材钛合金试件的大小来确定，先进行较大步长的粗描述，确定缺陷所在范围扣再进行较小步长的精描扫。
进一步的，双波混合干涉仪的探测光束应垂直辐照在钛合金介质表面的接收点域，以增强所接收声场数据的相位信息完整性。
进一步的，所述出射探测光路的探头架设在步进扫查装置(二维扫查架)中，并利用工控机设定的路径来调整探测光束的路径，保持探测光(接收探头发出)与激发光(激光高速振镜)束形成对应移动的光束对。
进一步的，双波混合干涉仪将拾取到的超声信号输入示波器中，对信号进行初步判别，避免因探测光束的移动延迟而产生的无效信号。
进一步的，针对增材钛合金试件的一个水平面检测后，获得增材钛合金试件的缺陷分布水平位置、形状及大小后，可再检测增材钛合金试件的另一个与该水平面垂直的平面，检测后可获得获得增材钛合金试件的缺陷分布位置。
本发明还提供了一种增材钛合金激光超声相位相干成像检测方法，将所制成的增材钛合金试件置于检测区域，调节工控机中的光束控制程序设定所需的激光参数，同时设置振镜在每次光路发射结束后的偏转方向，以制定光束的扫描路径；调整干涉仪中接收探头的角度，使其能够充分拾取钛合金试件中的声场信息，在单次脉冲激光辐照的结束后，通过工控机控制二维步进位移装置，以改变接收探头的出射光位置；将干涉仪采集的超声回波数据输入示波器显示，对声场信号进行初步分析；最后将拾取到的矩阵数据传输至工控机，并将扫描矩阵数据导入相位相干成像算法的程序中，实现钛合金试块内部缺陷的成像检测，其中所述相位相干成像方法具体包括如下步骤：
S1：调节工控机中激光控制系统中的光束能量和脉宽等基本参数，将激光出射频率设置为多次，完成脉冲激光的出射。相应地，探测光束通过扫查装置对准待测区域，用来拾取声场信号，同时将干涉仪的接收系统对信号取多次平均值作为单次采集信号。
S2：单组同点位的脉冲光束出射完毕后，根据所设定的振镜偏转角度改变出光位置，即发射光束与探测光束形成一组光束对，在入射激光改变点阵位置后，探测光束和入射光束同时发生移动，探测不同入射点域的声场信号。
S3：将干涉仪采集到的超声信号送入示波器中进行观察，筛出发射光束和探测光束的扫描时差产生的空信号，避免无效信号对后续成像结果带来的影响。
S4：将拾取到的矩阵数据导入工控机中的图像重构程序，由于所使用的方法为相位相干成像法，检测过程中产生的结构噪声和信号衰减对相位的影响不大，所以无需对信号进行滤波等预处理。
S5：所提出的相位相干成像程序包括以下步骤。首先将成像域离散为排布在网格中的像素点，将拾取的单点超声信号表示为s(ti)，将该信号做希尔伯特变换，对复包络解析信号取绝对值，提取包络信号，则像素点的总信号幅值可表示为经过循环算法叠加后的回波幅值总和：
式中，x和z分别为重构图的像素点横纵坐标，p和q分别表示发射光束和探测光束的几何坐标，N为光束对的总发射次数，S(p,q,t)表示经过希尔伯特变换后的声信号，若以表示信号的相位信息，则该信号可以描述为：
S6：由于得到的瞬时相位信息与原始信号是等价的，下面根据数据的相位信息来构建相位权重矩阵，其中，相位相干因子可描述为：
式中，和/>分别表示相位信息的实部和虚部的方差。
S7：将相位权重矩阵与像素点重构图像进行加权计算，减弱噪声的幅值权重，增强相位分布相近的缺陷回波的幅值权重，进一步得到经过相位相干处理后的图像：
IPCI(x,z)＝|C(x,z)I0(x,z)| (4)。
本发明具有以下有益技术效果：
总体而言，本发明通过激光超声检测技术，利用先进的相位相干成像方法，完成增材钛合金试件中缺陷的探测和成像。本发明所提出的技术方案与现有技术相比，主要有以下特点：
1.本发明所采用的高能量激光诱导超声波、双波混合干涉仪检测手段均为非接触形式，相比传统压电类的信号接收设备，该方法避免了因使用耦合剂造成的理化特性可能改变的影响。
2.本发明通过窄脉宽的高能脉冲激光束在试件中激发出超声波，声场具有能量高、频谱宽等特点，高振幅易于后期从含噪信号中提取有效信息，宽频带包含了更多关于超声波与内部缺陷相互作用的数据，便于后期的成像处理。
3.本发明所提出的利用相位相干算法实现图像的二次重构，这是一种自适应加权成像算法，可以在高衰减的低幅值和较强结构噪声信号的情况下通过评估信号的相干性区分有效频率和噪声频率。从整体看，该成像技术一方面能够放大信号中相位对像素点的贡献，另一方面可以通过相位信息对结构噪声进行区分，利用构造的相位权重矩阵对初图像进行相位加权，可以有效抑制噪声，增强图像的分辨率，提高重构图像的成像质量。
附图说明
图1所示为本增材钛合金激光超声检测装置的结构示意图；
图2所示为该检测方法的几何示意图；
图3所示为该检测方法得出的钛合金内部缺陷重构图像。
具体实施方式
为使本发明的上述技术方案、特征更加直观易懂，下面结合附图和具体实施方式进行详细解释说明。通过附图所描述的实施方式只代表示例性的，仅用于解释说明本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，在本发明的实施方式中，提供了一种增材钛合金激光超声缺陷检测系统，其特征在于，设备包括固体激光器、激光高速振镜、步进扫查装置、增材钛合金试件、双波混合干涉仪、数字示波器、工控机，其特征在于，所述固体激光器与工控机连接，用于控制光束的基本参数及振镜的双轴偏转；所述固体激光器发射的高能脉冲激光前端嵌入高速振镜，振镜镜头采用聚焦透镜，激光光束经过振镜的双轴面反射后聚焦，辐照至增材钛合金试件表面；双波混合干涉仪的出射探头整体架设在步进扫查装置中，接收装置的出射光束将采集到的超声振动信号传输至干涉仪内部；通过数字示波器对超声信号进行显示，之后将采集到的矩阵数据导入工控机的图像重构程序中，完成后期的成像处理。
所述固体激光器选用调Q型Nd：YAG脉冲激光器，光束的波长选用1064nm，光束脉宽选择10ns或20ns，根据增材钛合金材料的物理属性，出射的单脉冲激光功率密度控制在5×1010至5×1013W/m2之间，脉冲光束的出射频率设置为5Hz。
所述高速振镜设定的调节角度不宜过大，需满足出射光束的射点位移步长不超过声场信号的波长。
所述双波混合干涉仪的探测光束应垂直辐照在钛合金介质表面的接收点域，以增强所接收声场数据的相位信息完整度。
所述二维扫查装置由工控机操控其步进距离和方位，所设定的步进时长应与出射光路的激发时长保持一致，尽量使出射光束和探测光束同时完成移动。
所述相位相干成像程序通过MATLAB软件编写，将超声矩阵数据导入后，实现相位相干算法的图像重构。
如图2和图3所示为增材钛合金激光超声相位相干成像检测几何示意图和方法示意图，包括如下步骤：
S1：调节工控机中激光控制系统中的光束能量和脉宽等基本参数，将激光出射频率设置为多次，完成脉冲激光的出射。相应地，探测光束通过扫查装置对准待测区域，用来拾取声场信号，同时将干涉仪的接收系统对信号取多次平均值作为单次采集信号。
S2：单组同点位的脉冲光束出射完毕后，根据所设定的振镜偏转角度改变出光位置，即发射光束与探测光束形成一组光束对，在入射激光改变点阵位置后，探测光束和入射光束同时发生移动，探测不同入射点域的声场信号。
S3：将干涉仪采集到的超声信号送入示波器中进行观察，筛出发射光束和探测光束的扫描时差产生的空信号，避免无效信号对后续成像结果带来的影响。
S4：将拾取到的矩阵数据导入工控机中的图像重构程序，由于所使用的方法为相位相干成像法，检测过程中产生的结构噪声和信号衰减对相位的影响不大，所以无需对信号进行滤波等预处理。
S5：所提出的相位相干成像程序包括以下步骤。首先将成像域离散为排布在网格中的像素点，将拾取的单点超声信号表示为s(ti)，将该信号做希尔伯特变换，对复包络解析信号取绝对值，提取包络信号，则像素点的总信号幅值可表示为经过循环算法叠加后的回波幅值总和：
式中，x和z分别为重构图的像素点横纵坐标，p和q分别表示发射光束和探测光束的几何坐标，N为光束对的总发射次数，S(p,q,t)表示经过希尔伯特变换后的声信号，若以表示信号的相位信息，则该信号可以描述为：
S6：由于得到的瞬时相位信息与原始信号是等价的，下面根据数据的相位信息来构建相位权重矩阵，其中，相位相干因子可描述为：
式中，和/>分别表示相位信息的实部和虚部的方差。
S7：将相位权重矩阵与像素点重构图像进行加权计算，减弱噪声的幅值权重，增强相位分布相近的缺陷回波的幅值权重，进一步得到经过相位相干处理后的图像：
IPCI(x,z)＝|C(x,z)I0(x,z)| (4)
图3所示为该检测方法得出的钛合金内部缺陷重构图像，从图3中可看出，重构图像中钛合金内部缺陷轮廓清晰。
应当说明的是，附图说明仅用于阐述本发明的系统组成和技术方案，而非对其限制，尽管前述实施例对本发明进行了具体的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所描述的技术范围内进行修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例中技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种增材钛合金激光超声相位相干成像检测方法，其特征在于，所述方法是基于增材钛合金激光超声缺陷检测系统来实现的，所述增材钛合金激光超声缺陷检测系统包括固体激光器、激光高速振镜、步进扫查装置、数字示波器、工控机、接收探头以及由激光干涉仪、分光器、IPG光纤激光器和组成的双波混合干涉仪；
所述工控机与固体激光器连接，通过工控机制控固体激光器根据增材钛合金材料的物理属性预设的激光基本参数发出激光光束，预设激光基本参数包括光束波长、光束脉宽、出射的单脉冲激光功率密度、脉冲光束的出射频率；
所述固体激光器发射的高能脉冲激光前端嵌入高速振镜，即固体激光器的出光口连接有激光高速振镜，高速振镜的出光镜头的镜片为聚焦透镜，调整激光高速振镜与待测的增材钛合金试件上表面之间的距离，使激光高速振镜的出光镜头的焦点位于待测的增材钛合金试件上表面上；
固体激光器及安装其下方的激光高速振镜一同搭载在所述步进扫查装置上，工控机控制步进扫查装置前后左右动作，使激光高速振镜发出的入射光束遍历待测的增材钛合金试件表面的指定区域；
当激光高速振镜发出的作为入射的激光光束与接收探头发射的激光光束位于待测的增材钛合金试件的相对表面时，出射探头架设在所述步进扫查装置上，与激光高速振镜同步位移；
IPG光纤激光器发出的一束激光通过分光器，分别送入接收探头和激光干涉仪；分光器送入至激光干涉仪的光束作为初始光束；
接收探头的出射光束将采集到的超声振动信号传输至激光干涉仪内部，带有超声振动信号的反射光束作为参考光束；
初始光束和参考光束在激光干涉仪内进行双波混合干涉外理后，通过数字示波器对超声信号进行显示，之后将采集到的矩阵数据导入工控机的图像重构程序中，完成后期的成像处理，从而获得增材钛合金试件内的缺陷分布的位置、形状及大小；
固体激光器选用调Q型Nd：YAG脉冲激光器，光束的波长选用1064nm，光束脉宽选择10ns或20ns，根据增材钛合金材料的物理属性，出射的单脉冲激光功率密度控制在5×1010至5×1013W/m2之间，脉冲光束的出射频率设置为5Hz；
所述激光高速振镜内设有用于调速光束入射角度的两个反射棱镜，激光光束经过振镜的两个反射棱镜反射后聚焦，通过出光镜头聚焦辐照至增材钛合金试件表面；
通过工控机控制激光高速振镜内的两个反射棱镜进行转动，即双轴偏转，从而调整光高速振镜通过出光镜头出射光的角度；
扫查步长根据增材钛合金试件的大小来确定，先进行较大步长的粗描述，确定缺陷所在范围扣再进行较小步长的精描扫；
双波混合干涉仪的探测光束应垂直辐照在钛合金介质表面的接收点域，以增强所接收声场数据的相位信息完整性；
所述出射探头架设在步进扫查装置中，并利用工控机设定的路径来调整探测光束的路径，保持探测光与激发光束形成对应移动的光束对；
双波混合干涉仪将拾取到的超声信号输入示波器中，对信号进行初步判别，避免因探测光束的移动延迟而产生的无效信号；
针对增材钛合金试件的一个水平面检测后，获得增材钛合金试件的缺陷分布水平位置、形状及大小后，可再检测增材钛合金试件的另一个与该水平面垂直的平面，检测后可获得获得增材钛合金试件的缺陷分布位置；
所述方法包括如下步骤：
S1：调节工控机中激光控制系统中的光束能量和脉宽基本参数，将激光出射频率设置为多次，完成脉冲激光的出射；相应地，探测光束通过扫查装置对准待测区域，用来拾取声场信号，同时将干涉仪的接收系统对信号取多次平均值作为单次采集信号；
S2：单组同点位的脉冲光束出射完毕后，根据预设的扫查路径改变振镜的出光位置，使发射光束与探测光束形成一组新的光束对，在入射激光改变点阵位置后，探测不同入射点域的声场信号；
S3：当将干涉仪采集到的超声信号送入示波器中进行观察，筛出发射光束和探测光束的扫描时差产生的空信号，避免无效信号对后续成像结果带来的影响；
S4：将拾取到的矩阵数据导入工控机中的图像重构程序，采用相位相干成像法进行图像重构；
S5：所提出的相位相干成像程序包括以下步骤：首先将成像域离散为排布在网格中的像素点，将拾取的单点超声信号表示为s(ti)，将该信号做希尔伯特变换，对复包络解析信号取绝对值，提取包络信号，则像素点的总信号幅值可表示为经过循环算法叠加后的回波幅值总和：
式中，x和z分别为重构图的像素点横纵坐标，p和q分别表示发射光束和探测光束的几何坐标，N为光束对的总发射次数，S(p,q,t)表示经过希尔伯特变换后的声信号，若以表示信号的相位信息，则该信号可以描述为：
S6：由于得到的瞬时相位信息与原始信号是等价的，根据数据的相位信息来构建相位权重矩阵，其中，相位相干因子可描述为：
式中，和/>分别表示相位信息的实部和虚部的方差；
S7：将相位权重矩阵与像素点重构图像进行加权计算，减弱噪声的幅值权重，增强相位分布相近的缺陷回波的幅值权重，进一步得到经过相位相干处理后的图像：
IPCI(x,z)＝|C(x,z)I0(x,z)| (4)。
2.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序配置为由处理器调用时实现权利要求1中所述的一种增材钛合金激光超声相位相干成像检测方法的步骤。
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