CN116698980A - 一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无损检测领域，具体是一种相控阵全聚焦‑非线性融合成像方法，包括如下步骤：S1、确定检测对象的待检测点，通过超声相控阵检测设备在待检测点处进行全矩阵数据采集，对所采集的数据进行全聚焦成像；S2、在待检测点处，通过超声相控阵检测设备分两次分别实现并行发射和顺序发射，计算非线性图像指标；S3、将归一化的全聚焦成像以及非线性图像指标进行数据融合以获取融合图像。本发明可获得微缺陷准确的轮廓特征并量化分析，能对微缺陷裂纹尺寸进行有效的实际评估。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测领域，具体是一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法。
背景技术
工业中常见的机械结构如动设备和与动设备耦合的静设备，由于交变应力的作用，容易产生裂纹。微裂纹的扩展是一个由慢到快的过程，因此尽早通过无损检测手段检出设备内部的微裂纹，避免其快速扩展对设备运行安全造成隐患，是非常必要的。微裂纹作为材料早期损伤的表现形式，通过常规检测手段，易于出现漏检误检的情况，而声学非线性对材料早期损伤具有一定的敏感性，因此可以借助非线性超声检测技术对其进行分析。
超声相控阵全聚焦技术随着计算机图像处理能力的提升，在工业应用上获得了愈来愈多的关注。超声相控阵技术相对于传统超声采用多通道、多晶片发射和接收，检测范围更大，其单点位成像能力较强，对微缺陷的检测和轮廓识别具有一定优势。当采用超声相控阵技术对微缺陷轮廓检测时，由于裂纹扩展前段属于弱接触界面，其线性声学响应较弱，无法获得微缺陷准确的轮廓特征并量化分析，无法对微缺陷裂纹尺寸进行有效的实际评估，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，本发明提供了一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法。本发明可获得微缺陷准确的轮廓特征并量化分析，能对微缺陷裂纹尺寸进行有效的实际评估。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法，包括如下步骤：
S1、确定检测对象的待检测点，通过超声相控阵检测设备在待检测点处进行全矩阵数据采集，对所采集的数据进行全聚焦成像；
S2、在待检测点处，通过超声相控阵检测设备分两次分别实现并行发射和顺序发射，计算非线性图像指标；
S3、将归一化的全聚焦成像以及非线性图像指标进行数据融合以获取融合图像。
作为本发明进一步的方案：在步骤S2中，并行发射时各阵元按照延时法则集体激发信号，并同步接收信号，对得到的信号集依据延时法则进行匹配叠加以及高斯滤波，再进行傅里叶变换后得到频域并行发射信号P(x,y)；
顺序发射时超声相控阵检测设备的各阵元按顺序逐一发射，各阵元的发射信号被全部阵元接收从而得到全矩阵信号，对得到的信号集进行成像点合成聚焦以及高斯滤波，进行傅里叶变换后得到频域顺序发射信号Q(x,y)；
对频域并行发射信号P(x,y)和频域顺序发射信号Q(x,y)进行傅里叶逆变换从而得到并行时域合成信号集d(x,y)和顺序时域合成信号集q(x,y)；
非线性图像指标为：κ(x,y)＝|q(x,y)-d(x,y)|。
作为本发明再进一步的方案：频域并行发射信号可表示为：
其中，N为超声相控阵检测设备阵列探头的总阵元数；
ai(x,y)表示接收阵元i在点(x,y)处的声束相位；
Fi(ti(x,y))为经点(x,y)反射的声波被接收阵元i接收的解析信号；
ti(x,y)为声波从点(x,y)到接收阵元i所用的最短路径时间；
为Fi的傅里叶变换形式。
作为本发明再进一步的方案：频域顺序发射信号可表示为：
其中aij(x,y)表示发射阵元i和接收阵元j在点(x,y)处的声束相位；
Fij(tij(x,y))为发射阵元i发射的声波经点(x,y)反射，然后由接收阵元j接收的解析信号；
tij(x,y)表示声束从发射阵元i发射经点9x,y)反射，然后由接收阵元j接收的最短路径时间；
为Fij的傅里叶变换形式。
作为本发明再进一步的方案：在步骤S3中，数据融合后的全聚焦-非线性图像T(x,y)为：
T(x,y)＝κnorm(x,y)+Inorm(x,y)
其中，Inorm(x,y)为点(x,y)处全聚焦幅值I(x,y)的归一化值；
κnorm(x,y)为在点(x,y)处非线性图像指标κ(x,y)的归一化值。
作为本发明再进一步的方案：在步骤S1中，全聚焦成像公式为：
I(x,y)为成像点(x,y)的全聚焦幅值；
Fij(tij(x,y))表示发射阵元i发射的声波经点(x,y)反射，然后由接收阵元j接收的解析信号；
tij(x,y)表示声束从发射阵元i发射经点(x,y)反射，然后由接收阵元j接收的最短路径时间。
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，执行所述的一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法。
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相控阵全聚焦-非线性融合成像方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明针对材料内部早期微缺陷，分别采用线性成像和非线性成像进行量化和分析，全聚焦线性成像可以有效呈现缺陷轮廓和形貌特征，非线性图像指标则可以显示缺陷尖端弱连接处的特征，对线性成像和非线性成像进行融合成像，适用于微缺陷早期损伤的定量检测监测，对于闭合或半闭合缺陷检测精度达到微米级，可获得微缺陷准确的轮廓特征并量化分析，能对微缺陷裂纹尺寸进行有效的实际评估。
2、本发明的非线性图像指标考虑了硬件系统、材料及耦合等非线性噪声的影响，采用了相位与幅值补偿系数的降噪措施，提高了测量精度；通过融合成像方法结合了全聚焦及非线性两种成像方式的优势，相对于全聚焦及非线性成像，融合成像相对误差更小，对微缺陷尺寸的判断更加准确，对裂纹缺陷的轮廓成像更接近真实情况。
3、本发明的相控阵检测设备分别进行物理聚焦和合成聚焦，二者的差异能够反映检测对象的非线性指标。
附图说明
图1为本发明对微裂纹的全聚焦-非线性融合成像图。
图2为本发明对微裂纹的全聚焦-非线性融合成像长度测量图。
图3为本发明对微裂纹的线性相控阵全聚焦成像图。
图4为本发明对微裂纹的相控阵全聚焦成像长度测量图。
图5为本发明对微裂纹的非线性成像图。
图6为本发明对微裂纹的非线性成像长度测量图。
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，一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法，包括如下步骤：
S1、确定检测对象的待检测点，通过超声相控阵检测设备在待检测点处进行全矩阵数据采集，对所采集的数据进行全聚焦成像；
本发明中的检测对象，为某加氢反应器内部挂片萌生的一处微裂纹，通过对微裂纹显微成型，可测量得到微裂纹的实际长度为11.5mm，该数值可作为评价各个缺陷成像方法优劣的标准。
试验所用超声相控阵检测设备包括：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。
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。将阵列探头通过耦合剂与试样表面完全耦合。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。
全聚焦公式为：
其中，N为超声相控阵检测设备阵列探头的总阵元数；
I(x,y)为成像点(x,y)的全聚焦幅值；
Fij(tij(x,y))表示发射阵元i发射的声波经点(x,y)反射，然后由接收阵元j接收的解析信号；
tij(x,y)表示声束从发射阵元i发射经点(x,y)反射，然后由接收阵元j接收的最短路径时间。
S2、在待检测点处，通过超声相控阵检测设备分两次分别实现并行发射和顺序发射，计算非线性图像指标。相控阵检测设备分别进行物理聚焦和合成聚焦，二者的差异能够反映检测对象的非线性指标。
并行发射采用了物理聚焦方法，只考虑阵元接收到的信号，因此其信号只需要接收阵元表示；顺序发射采用了后处理合成聚焦，其信号同时考虑发射阵元和接收阵元。
并行发射时各阵元按照延时法则集体激发信号，并同步接收信号，对得到的信号集依据延时法则进行匹配叠加以及高斯滤波，再进行傅里叶变换后得到频域并行发射信号P(x,y)；
其中，N为超声相控阵检测设备阵列探头的总阵元数；
ai(x,y)表示接收阵元i在点(x,y)处的声束相位；
Fi(ti(x,y))为经点(x,y)反射的声波被接收阵元i接收的解析信号；
ti(x,y)为声波从点(x,y)到接收阵元i所用的最短路径时间；
为Fi的傅里叶变换形式。
顺序发射时超声相控阵检测设备的各阵元按顺序逐一发射，各阵元的发射信号被全部阵元接收从而得到全矩阵信号，对得到的信号集进行成像点合成聚焦以及高斯滤波，进行傅里叶变换后得到频域顺序发射信号Q(x,y)。
其中aij(x,y)表示发射阵元i和接收阵元j在点(x,y)处的声束相位；
Fij(tij(x,y))为发射阵元i发射的声波经点(x,y)反射，然后由接收阵元j接收的解析信号；
tij(x,y)表示声束从发射阵元i发射经点9x,y)反射，然后由接收阵元j接收的最短路径时间；
为Fij的傅里叶变换形式。
对频域并行发射信号P(x,y)和频域顺序发射信号Q(x,y)进行傅里叶逆变换从而得到并行时域合成信号集d(x,y)和顺序时域合成信号集q(x,y)；
非线性图像指标为：κ(x,y)＝|q(x,y)-d(x,y)|。
针对一维信号集的高斯滤波表达式为：
其中，I'(t)表示经过高斯滤波后的信号在时间t处的取值；
G(t-k)表示高斯函数在位置t-k处的取值；
I(k)表示原始信号在位置k处的取值。
S3、将归一化的全聚焦成像以及非线性图像指标进行数据融合。
数据融合后的全聚焦-非线性图像T(x，y)为：
T(x,y)＝κnorm(x,y)+Inorm(x,y)
其中，Inorm(x,y)为点(x,y)处全聚焦幅值I(x,y)的归一化值；
κnorm(x,y)为在点(x,y)处非线性图像指标κ(x,y)的归一化值。
如图3所示，为针对加氢反应器挂片的微裂纹线性全聚焦成像I(x,y)，可以看出，缺陷轮廓可以清晰显示。
如图4所示，为针对加氢反应器挂片的微裂纹全聚焦成像的-6dB缺陷尺寸测量，测得微裂纹长度为10.0mm，和显微测量结果相对误差为
如图5所示，为通过非线性方法获得的微裂纹成像κ(x,y)，可以看出，裂纹尖端显示清晰，表明非线性成像对该部分更为敏感。
如图6所示，为针对加氢反应器挂片的微裂纹非线性成像的-6dB缺陷尺寸测量，测得微裂纹长度为11.8mm，和显微测量结果相对误差为
如图1所示，为通过融合方法获得的微裂纹全聚焦-非线性成像T(x,y)，可以看出，裂纹整体轮廓和尖端均显示清晰，表明融合成像方法结合了全聚焦及非线性两种成像方式的优势。
如图2所示，为针对加氢反应器挂片的微裂纹全聚焦-非线性成像的-6dB缺陷尺寸测量，测得微裂纹长度为11.7mm，和显微测量结果相对误差为相对于全聚焦及非线性成像，融合成像相对误差更小，对微缺陷尺寸的判断更加准确，对裂纹缺陷的轮廓成像更接近真实情况。
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全聚焦-非线性融合成像方法。
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全聚焦-非线性融合成像方法部分中描述的根据本申请各种实施例的全聚焦-非线性融合成像方法步骤。
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全聚焦-非线性融合成像方法。
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)
1.一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确定检测对象的待检测点，通过超声相控阵检测设备在待检测点处进行全矩阵数据采集，对所采集的数据进行全聚焦成像；
S2、在待检测点处，通过超声相控阵检测设备分两次分别实现并行发射和顺序发射，计算非线性图像指标；
S3、将归一化的全聚焦成像以及非线性图像指标进行数据融合以获取融合图像。
2.根据权利要求1所述的一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法，其特征在于，在步骤S2中，并行发射时各阵元按照延时法则集体激发信号，并同步接收信号，对得到的信号集依据延时法则进行匹配叠加以及高斯滤波，再进行傅里叶变换后得到频域并行发射信号Px,y；
顺序发射时超声相控阵检测设备的各阵元按顺序逐一发射，各阵元的发射信号被全部阵元接收从而得到全矩阵信号，对得到的信号集进行成像点合成聚焦以及高斯滤波，进行傅里叶变换后得到频域顺序发射信号Qx,y；
对频域并行发射信号Px,y和频域顺序发射信号Qx,y进行傅里叶逆变换从而得到并行时域合成信号集dx,y和顺序时域合成信号集qx,y；
非线性图像指标为：κx,y＝qx,y-dx,y。
3.根据权利要求2所述的一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法，其特征在于，频域并行发射信号可表示为：
其中，N为超声相控阵检测设备阵列探头的总阵元数；
ai(x,y)表示接收阵元i在点(x,y)处的声束相位；
Fi(ti(x,y))为经点x,y反射的声波被接收阵元i接收的解析信号；
ti(x,y)为声波从点x,y到接收阵元i所用的最短路径时间；
为Fi的傅里叶变换形式。
4.根据权利要求2所述的一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法，其特征在于，频域顺序发射信号可表示为：
其中aij(x,y)表示发射阵元i和接收阵元j在点(x,y)处的声束相位；
Fij(tij(x,y))为发射阵元i发射的声波经点x,y反射，然后由接收阵元j接收的解析信号；
tij(x,y)表示声束从发射阵元i发射经点x,y反射，然后由接收阵元j接收的最短路径时间；
为Fij的傅里叶变换形式。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法，其特征在于，在步骤S3中，数据融合后的全聚焦-非线性图像Tx,y为：
Tx,y＝κnormx,y+Inorm(x,y)
其中，Inorm(x,y)为点x,y处全聚焦幅值Ix,y的归一化值；
κnormx,y为在点x,y处非线性图像指标κx,y的归一化值。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法，其特征在于，在步骤S1中，全聚焦成像公式为：
Ix,y为成像点x,y的全聚焦幅值；
Fij(tij(x,y))表示发射阵元i发射的声波经点x,y反射，然后由接收阵元j接收的解析信号；
tij(x,y)表示声束从发射阵元i发射经点x,y反射，然后由接收阵元j接收的最短路径时间。
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相控阵全聚焦-非线性融合成像方法。
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相控阵全聚焦-非线性融合成像方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310687007.4A CN116698980A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310687007.4A CN116698980A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN116698980A true CN116698980A (zh) | 2023-09-05 |
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Family Applications (1)
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| CN202310687007.4A Pending CN116698980A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 一种相控阵全聚焦-非线性融合成像方法 |
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2023
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