CN118655222A - 一种改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像方法及系统，涉及超声相控阵无损检测技术领域；方法包括：通过多阵元超声换能器激发超声波信号到双层试件中，并在待检测区域进行全矩阵数据采集，并对采集到的信号进行转换，得到回波数字信号矩阵；根据费马原理和斯涅尔定理构建优化全聚焦算法，根据折反射定律推导折射补偿表达式，并对优化全聚焦算法进行改进，得到改进全聚焦算法；通过改进全聚焦算法分别对多个像素点在回波数字信号矩阵中对应的信号进行计算，得到多个像素点对应的回波幅值，并根据多个像素点对应的回波幅值构建缺陷图像。通过对回波信号进行信号补偿，使回波信号能更精确的表征试件的缺陷，生成清晰可见的缺陷图像。
Description
技术领域
本发明主要涉及超声相控阵无损检测技术领域，具体涉及一种改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像方法及系统。
背景技术
超声波检测是目前应用最为广泛且使用频率最高的一种无损检测技术，超声波检测的检测对象范围广泛、检测厚度大且灵敏度高，能够对缺陷进行定位和定量，尤其对裂纹或孔洞等缺陷非常敏感。
在化工设备的无损检测过程中，双层金属介质的内缺陷检测占有非常大的比重。然而，当超声波检测的检测对象为双层金属介质时，由于超声波从一种介质进入另一种介质时会发生折射和反射，造成接收到的回波信号能量损失；同时，由于介质的分界面也会反射超声，进而导致缺陷的回波信号被反射的界面波信号覆盖，造成缺陷的漏判。
因此，现需一种加强回波信号及减少界面波信号干扰的成像算法，以解决回波信号被界面波信号覆盖的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像方法及系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像方法，包括如下步骤：
设置探头晶片激发法则和探头晶片接收法则，按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，在所述双层试件设定的待检测区域中设置多个像素点，所述超声波信号在各个像素点处产生对应的回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则对多个像素点对应的回波声信号进行全矩阵数据采集，由多个像素点对应的多个回波声信号构成回波声信号矩阵；
分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵；
通过费马原理和斯涅尔定理推导声传播总时间表达式，通过所述声传播总时间表达式构建优化全聚焦算法，并根据折反射定律推导折射补偿表达式，通过所述折射补偿表达式对所述优化全聚焦算法进行优化，得到改进全聚焦算法；
通过所述改进全聚焦算法分别对所述待检测区域中多个像素点在所述数字信号矩阵中对应的回波数字信号进行计算，得到多个像素点对应的补偿回波幅值，并根据多个像素点对应的补偿回波幅值构建缺陷图像。
进一步地，所述相控阵检测组件包括超声相控阵检测仪和多阵元超声换能器；
所述按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，具体为：
按照所述探头晶片激发法则通过预置的所述超声相控阵检测仪将电信号传输到预置的多阵元超声换能器；
通过所述多阵元超声换能器将所述电信号转换为超声波信号，并激发所述超声波信号到预置的双层试件中。
进一步地，所述多阵元超声换能器包括多个阵元；
所述按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，在所述双层试件设定的待检测区域中设置多个像素点，所述超声波信号在各个像素点处产生对应的回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则对多个像素点对应的回波声信号进行全矩阵数据采集，由多个像素点对应的多个回波声信号构成回波声信号矩阵，具体为：
按照所述探头晶片激发法则中的激发顺序通过首个阵元激发首个超声波信号到预置的双层试件中，在所述双层试件设定的待检测区域中设置多个像素点，所述首个超声波信号在各个像素点处产生对应的首个回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则中的接收顺序通过所有阵元分别接收多个像素点对应的首个回波声信号，得到多个像素点在各个阵元中对应的首个回波声信号；
按照所述探头晶片激发法则中的激发顺序通过第二个阵元激发第二个超声波信号到所述双层试件中，所述第二个超声波信号在各个像素点处产生对应的第二个回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则中的接收顺序通过所有阵元分别接收多个像素点对应的第二个回波声信号，得到多个像素点在各个阵元中对应的第二个回波声信号；
以此类推，直至按照所述探头晶片激发法则中的激发顺序通过最后一个阵元激发最后一个超声波信号到所述双层试件中，所述最后一个超声波信号在各个像素点处产生对应的最后一个回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则中的接收顺序通过所有阵元分别接收多个像素点对应的最后一个回波声信号，得到多个像素点在各个阵元中对应的最后一个回波声信号，以此由多个像素点在各个阵元中对应的多个回波声信号构成回波声信号矩阵。
进一步地，所述分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵，具体为：
通过所述多阵元超声换能器分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个像素点对应的多个回波电信号，并将多个像素点对应的多个所述回波电信号传输到所述超声相控阵检测仪；
通过所述超声相控阵检测仪分别将多个像素点对应的多个所述回波电信号转换为多个像素点对应的多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵。
进一步地，所述通过费马原理和斯涅尔定理推导声传播总时间表达式，具体为：
根据费马原理推导声传播距离表达式，所述声传播距离表达式用于计算所述待检测区域中任意一像素点在数字信号矩阵中对应的任意一回波数字信号的声传播距离，并将所述双层试件的声速代入所述声传播距离表达式进行计算，得到声传播时间表达式，所述声传播时间表达式为：
x＝H tanθi+(z-H)tanθs，
xi＝[(N+1)/2-i]d，
其中，Ti为声传播时间，xi为激发超声波信号的阵元的横坐标，xit为超声波信号在分界面的折射点横坐标，x为像素点横坐标，z为像素点纵坐标，H为第一介质厚度，c1为第一介质声速，c2为第二介质声速，N为阵元数量，d为阵元间距，θi为超声波信号入射角，θs为超声波信号折射角；
根据斯涅尔定理推导声折射率表达式，所述声折射率表达式用于计算所述待检测区域中任意一像素点在数字信号矩阵中对应的任意一回波数字信号的声折射率，所述声折射率表达式为：
其中，n12为声折射率；
联立所述声传播时间表达式和所述声折射率表达式，通过联立后的表达式推导声传播总时间表达式，所述声传播总时间表达式用于计算所述待检测区域中任意一像素点在数字信号矩阵中对应的任意一回波数字信号的声传播总时间，所述声传播总时间表达式为：
其中，tij(x,z)为声传播总时间，xj为采集回波声信号的阵元的横坐标，xjr为回波声信号在分界面的折射点横坐标。
进一步地，所述通过所述声传播总时间表达式构建优化全聚焦算法，具体为：
通过延时叠加法则对所述声传播总时间表达式进行融合，构建出回波幅值表达式，所述回波幅值表达式用于计算所述待检测区域中每个像素点对应的回波幅值，所述回波幅值表达式即为优化全聚焦算法，所述回波幅值表达式为：
其中，I(x,z)为回波幅值，tij(x,z)为声传播总时间。
进一步地，所述通过所述折射补偿表达式对所述优化全聚焦算法进行优化，得到改进全聚焦算法，具体为：
将所述折射补偿表达式和所述回波幅值表达式进行合并，得到补偿回波幅值表达式，所述补偿回波幅值表达式用于计算所述待检测区域中每个像素点对应的补偿回波幅值，所述补偿回波幅值表达式即为改进全聚焦算法，所述补偿回波幅值表达式为：
其中，I'(x,z)为补偿回波幅值，tij(x,z)为声传播总时间，所述折射补偿表达式为：
其中，TL(θ1,θL,θs)为折射补偿系数，ρ1为第一介质密度，ρ2为第二介质密度，cL为横波声速，cs为纵波声速，θs为纵波入射角，θL为横波入射角，c1为第一介质声速，θ1为第一介质临界角，·为相乘。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：
一种改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像系统，包括：
信号采集模块，用于设置探头晶片激发法则和探头晶片接收法则，按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，在所述双层试件设定的待检测区域中设置多个像素点，所述超声波信号在各个像素点处产生对应的回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则对多个像素点对应的回波声信号进行全矩阵数据采集，由多个像素点对应的多个回波声信号构成回波声信号矩阵；
信号转换模块，用于分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵；
算法改进模块，用于通过费马原理和斯涅尔定理推导声传播总时间表达式，通过所述声传播总时间表达式构建优化全聚焦算法，并根据折反射定律推导折射补偿表达式，通过所述折射补偿表达式对所述优化全聚焦算法进行优化，得到改进全聚焦算法；
图像构建模块，用于通过所述改进全聚焦算法分别对所述待检测区域中多个像素点在所述数字信号矩阵中对应的回波数字信号进行计算，得到多个像素点对应的补偿回波幅值，并根据多个像素点对应的补偿回波幅值构建缺陷图像。
本发明的有益效果是：根据设置的探头晶片激发法则和探头晶片接收法则对每个探头晶片进行控制；利用超声相控阵检测仪与多阵元超声换能器完成超声波信号的激励处理和回波信号的收集处理。根据费马原理和斯涅尔定理对全聚焦算法进行优化，使优化全聚焦算法能够计算出声波在双层介质中的传播时间，进而计算声波在待检测区域各个像素点的回波幅值。由于声波在双层介质中传播时会在介质界面上产生折射衰减，因此推导出折射补偿表达式对优化全聚焦算法进行改进，以计算各个像素点的回波幅值的衰减系数，使回波信号能更精确的表征试件的缺陷，生成清晰可见的缺陷图像，有效的提高了成像质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的超声检测信号采集试验的设备连接示意图；
图3为本发明实施例提供的双层介质全聚焦成像的原理图；
图4为本发明实施例提供的改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像系统的模块框图。
附图中，各标记所代表的部件名称如下：
1、计算机；2、超声相控阵检测仪；3、多阵元超声换能器；4、双层试件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
由于现有技术的全聚焦算法在面对回波信号弱且界面波信号过强的情况时，成像效果并不理想。因此，现需要一种能够增强回波信号且减少界面波信号干扰的成像算法，以解决缺陷成像不清晰且缺陷信号被界面波信号覆盖的问题。
如图1-图2所示，本发明实施例提供的一种改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像方法，包括如下步骤：
选取两块长300毫米，宽30毫米，厚30毫米的45号钢作双层试件4，其中一块为完好试件作为双层金属介质(即双层试件)的第一层，另一块为缺陷块作为双层金属介质的第二层。在第二层试件的厚度面的正中心人为的制造三个槽形缺陷，其中，槽形缺陷的长度为30毫米、宽度为2毫米、深度为4毫米，且三个槽形缺陷的间距为2毫米。
将多阵元超声换能器3与超声相控阵检测仪2连接，将超声相控阵检测仪与计算机1连接。超声相控阵检测仪2为Vantage-64超声相控阵检测仪，由Vantage-64阵元主控机和Vantage-64相控阵信号采集单元组成；多阵元超声换能器3为64阵元超声换能器，64阵元超声换能器包括超声探头，超声探头由64个晶片阵元组成(即相控阵阵元数量为64个)。
记录试件参数，包括双层试件的尺寸、双层试件第一层深度和双层试件各层声速等。记录64阵元超声换能器参数，包括几何尺寸为40mm×20mm×40mm、有效长度为32mm、阵元宽度0.4mm和阵元间距0.5mm，并根据试件参数确定超声探头的最高保护电压和采样频率。
将试件参数和64阵元超声换能器参数输入Vantage-64超声相控阵检测仪的Vantage-64相控阵信号采集单元，再设置探头晶片激发数量、探头晶片激发法则和探头晶片接收法则；其中，超声探头的晶片被切割成多个小型的独立单元，每个单元即为一个阵元，故设置组成每个阵元的晶片激发数量，在阵元激发超声波信号时，根据每个阵元设置的探头晶片激发对应的超声波信号。
按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，在所述双层试件设定的待检测区域中设置多个像素点，所述超声波信号在各个像素点处产生对应的回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则对多个像素点对应的回波声信号进行全矩阵数据采集，由多个像素点对应的多个回波声信号构成回波声信号矩阵；
分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵；
通过费马原理和斯涅尔定理推导声传播总时间表达式，通过所述声传播总时间表达式构建优化全聚焦算法，并根据折反射定律推导折射补偿表达式，通过所述折射补偿表达式对所述优化全聚焦算法进行优化，得到改进全聚焦算法；
通过所述改进全聚焦算法分别对所述待检测区域中多个像素点在所述数字信号矩阵中对应的回波数字信号进行计算，得到多个像素点对应的补偿回波幅值，并根据多个像素点对应的补偿回波幅值构建缺陷图像。
应理解地，还需要准备耦合剂，64阵元超声换能器通过耦合剂与试件表面接触，耦合剂为超声换能器和被检测试件提供良好的声学耦合，减少超声波在界面处的反射和散射。
Vantage-64阵元主控机包括发射功率控制器、编码器、信号转换单元、I/O面板和PCI快速光缆等组件。发射功率控制器用于调节发射超声波的阵元的功率。编码器用于计算超声探头各个晶片阵元的位置。I/O面板用于将采集到的回波信号(即回波声信号)传输到计算机。Vantage-64相控阵信号采集单元用于根据探头晶片激发法则发射相应的电信号到64阵元超声换能器，并使64阵元超声换能器发射(即激发)对应的超声波信号；根据探头晶片接收法则使64阵元超声换能器采集(即接收)对应的回波声信号，并通过64阵元超声换能器将回波声信号转换为回波电信号，接收64阵元超声换能器转换的回波电信号。
64阵元超声换能器用于将声信号和电信号相互转化的传感器，通过专用的电缆与Vantage-64超声相控阵检测仪连接。由64阵元超声换能器将采集的回波声信号转换为回波电信号，通过信号转换单元将模拟信号(即回波电信号)转为数字信号(即回波数字信号)，通过PCI快速光缆将数字信号传输到计算机，通过计算机中的改进全聚焦算法对数字信号进行聚焦成像。其中，还包括将试件参数、64阵元超声换能器参数、探头晶片激发数量、探头晶片激发法则和探头晶片接收法则导入改进全聚焦算法，以便于改进全聚焦算法对数字信号进行计算，进而聚焦成像。
本发明实施例中，超声波检测成本较低，对人体无害以及便于现场实地使用。根据设置的探头晶片激发法则和探头晶片接收法则对每个探头晶片进行控制，还可以分析多阵元超声换能器的每个探头晶片的发射延时；利用超声相控阵检测仪与多阵元超声换能器完成超声波信号的激励处理和回波信号的收集处理。根据费马原理和斯涅尔定理对全聚焦算法进行优化，使优化全聚焦算法能够计算出声波在双层介质中的传播时间，进而计算声波在待检测区域各个像素点的回波幅值。由于声波在双层介质中传播时会在介质界面上产生折射衰减，因此推导出折射补偿表达式对优化全聚焦算法进行改进，以计算各个像素点的回波幅值的衰减系数，使回波信号能更精确的表征试件的缺陷，生成清晰可见的缺陷图像，有效的提高了成像质量。
也就是通过对回波信号进行全矩阵数据采集，并对每个像素点对应的各个阵元采集到的回波信号的回波幅值进行延时叠加，以增强回波信号。通过对回波信号进行信号补偿，减少界面波信号干扰，使回波信号能更精确的表征试件的缺陷，生成清晰可见的缺陷图像，解决了由于回波信号弱造成的缺陷成像不清晰，缺陷信号被界面波信号覆盖的问题。
优选地，所述相控阵检测组件包括超声相控阵检测仪和多阵元超声换能器；
所述按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，具体为：
按照所述探头晶片激发法则通过预置的所述超声相控阵检测仪将电信号传输到预置的多阵元超声换能器；
通过所述多阵元超声换能器将所述电信号转换为超声波信号，并激发所述超声波信号到预置的双层试件中。
本发明实施例中，通过探头晶片激发法则依次将用于激发超声波信号的电信号传输到超声换能器中，使超声探头对应的晶片阵元激发超声波信号到双层试件中进行传播，实现超声检测。
优选地，所述多阵元超声换能器包括多个阵元(即64个晶片阵元)；
所述按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，在所述双层试件设定的待检测区域中设置多个像素点，所述超声波信号在各个像素点处产生对应的回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则对多个像素点对应的回波声信号进行全矩阵数据采集，由多个像素点对应的多个回波声信号构成回波声信号矩阵，具体为：
按照所述探头晶片激发法则中的激发顺序通过首个阵元激发首个超声波信号到预置的双层试件中，在所述双层试件设定的待检测区域中设置多个像素点，所述首个超声波信号在各个像素点处产生对应的首个回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则中的接收顺序通过所有阵元分别接收多个像素点对应的首个回波声信号，得到多个像素点在各个阵元中对应的首个回波声信号；
按照所述探头晶片激发法则中的激发顺序通过第二个阵元激发第二个超声波信号到所述双层试件中，所述第二个超声波信号在各个像素点处产生对应的第二个回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则中的接收顺序通过所有阵元分别接收多个像素点对应的第二个回波声信号，得到多个像素点在各个阵元中对应的第二个回波声信号；
以此类推，直至按照所述探头晶片激发法则中的激发顺序通过最后一个阵元激发最后一个超声波信号到所述双层试件中，所述最后一个超声波信号在各个像素点处产生对应的最后一个回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则中的接收顺序通过所有阵元分别接收多个像素点对应的最后一个回波声信号，得到多个像素点在各个阵元中对应的最后一个回波声信号，以此由多个像素点在各个阵元中对应的多个回波声信号构成回波声信号矩阵。
应理解地，信号矩阵以二维数组形式组成，其中行数对应于阵元的数量，列数对应于时间采样点的数量。例如，有N个阵元，每个阵元按照采样频率在T个时间点上进行采样，则数据可以表示为一个N行T列的矩阵。探头晶片接收法则为：所有阵元同时接收来自同一阵元激发的超声波信号的回波声信号。64阵元超声换能器以阵元数为64的面阵探头(即8×8的面阵探头)激发超声波信号到双层试件中。
具体地，步骤1，按照所述探头晶片激发法则的激发顺序通过第i个阵元激发第i个超声波信号到双层试件中，通过所述双层试件反射所述第i个超声波信号，产生第i个回波声信号(即第i个超声波信号在双层试件设定的待检测区域中多个像素点出产生第i个回波声信号)，其中N个阵元为64个阵元(N＝1，…，i，j，…，64)；
步骤2，按照所述探头晶片接收法则的接收顺序通过64个阵元分别采集待检测区域中多个像素点对应的第i个回波声信号，得到在64个阵元中对应的第i个回波声信号，各个阵元保存所采集到的第i个回波声信号；
步骤3，重复步骤1-2，直至每个阵元都激发了超声波信号到双层试件中，并且每个阵元都采集了在多个像素点处各个阵元所激发的超声波信号对应的回波声信号。
进一步理解地，首先，按照所述探头晶片激发法则的激发顺序通过超声探头的第一个阵元(即首个阵元)激发超声波信号(即首个超声波信号)到双层试件中，通过双层试件反射超声波信号，按照所述探头晶片接收法则的接收顺序通过所有阵元都接收反射超声波信号的回波信号(即首个回波声信号)并保存；然后，依次通过剩余阵元激发对应的超声波信号，直至最后一个阵元激发对应的超声波信号(即最后一个超声波信号)，所有阵元接收对应的回波信号(即最后一个回波声信号)并保存，得到一个含64×64＝4096个回波声信号的信号矩阵。
其中，待检测区域的多个像素点通过采样频率和阵元数量计算得到，并得到对应的像素点坐标，且每个超声波信号和回波声信号均经过待检测区域的多个像素点。
本发明实施例中，通过全矩阵数据采集遍历超声换能器阵列中的每个阵元，从而生成一个完整的信号矩阵。将每组发射阵元和接收阵元所对应的信号数据作为信号矩阵的一个元素，提供了丰富的数据信息。采集经过待检测区域内目标像素点处的多个回波信号，以根据回波信号传播到所有阵元的时间以及计算对应像素点处的回波幅值来判断对应像素点处是否存在缺陷。
优选地，所述分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵，具体为：
通过所述多阵元超声换能器分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个像素点对应的多个回波电信号，并将多个像素点对应的多个所述回波电信号传输到所述超声相控阵检测仪；
通过所述超声相控阵检测仪分别将多个像素点对应的多个所述回波电信号转换为多个像素点对应的多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵。
应理解地，通过超声相控阵检测仪的信号转换单元将多个像素点分别对应的多个回波电信号转换为多个像素点分别对应的多个回波数字信号，通过I/O面板将多个像素点分别对应的多个回波数字信号输出到PCI快速接口，通过PCI快速光缆从PCI快速接口接收多个像素点分别对应的多个回波数字信号并传输到计算机，通过计算机中的改进全聚焦算法对多个像素点分别对应的多个回波数字信号进行计算处理。
本发明实施例中，通过超声换能器采集由双层试件反射的回波信号，并转换为回波电信号传输到超声相控阵检测仪，经超声相控阵检测仪将电信号转换为改进全聚焦算法能够计算处理的数字信号。
优选地，如图3所示，所述双层试件由第一介质和第二介质组成，第一介质和第二介质之间为分界面，当激发超声波信号到双层试件中，超声波信号在所述分界面产生折射，并传播到所述待检测区域中的每个像素点，在每个像素点处产生回波信号，回波信号在所述分界面产生折射。
所述通过费马原理和斯涅尔定理推导声传播总时间表达式，具体为：
根据费马原理推导声传播距离表达式，所述声传播距离表达式用于计算所述待检测区域中任意一像素点在数字信号矩阵中对应的任意一回波数字信号的声传播距离，并将所述双层试件的声速代入所述声传播距离表达式进行计算，得到声传播时间表达式，所述声传播时间表达式为：
x＝H tanθi+(z-H)tanθs，
xi＝[(N+1)/2-i]d，
其中，Ti为声传播时间，xi为激发超声波信号的阵元的横坐标，xit为超声波信号在分界面的折射点横坐标，x为像素点横坐标，z为像素点纵坐标，H为第一介质厚度，c1为第一介质声速，c2为第二介质声速，N为阵元数量，d为阵元间距，θi为超声波信号入射角，θs为超声波信号折射角；
根据斯涅尔定理推导声折射率表达式，所述声折射率表达式用于计算所述待检测区域中任意一像素点在数字信号矩阵中对应的任意一回波数字信号的声折射率，所述声折射率表达式为：
其中，n12为声折射率；
联立所述声传播时间表达式和所述声折射率表达式，通过联立后的表达式推导声传播总时间表达式，所述声传播总时间表达式用于计算所述待检测区域中任意一像素点在数字信号矩阵中对应的任意一回波数字信号的声传播总时间，所述声传播总时间表达式为：
其中，tij(x,z)为声传播总时间，xj为采集回波声信号的阵元的横坐标，xjr为回波声信号在分界面的折射点横坐标。
优选地，所述通过所述声传播总时间表达式构建优化全聚焦算法，具体为：
通过延时叠加法则对所述声传播总时间表达式进行融合，构建出回波幅值表达式，所述回波幅值表达式用于计算所述待检测区域中每个像素点对应的回波幅值，所述回波幅值表达式即为优化全聚焦算法，所述回波幅值表达式为：
其中，I(x,z)为回波幅值，tij(x,z)为声传播总时间。
应理解地，通过声传播总时间表达式构建优化全聚焦算法的步骤，是在全聚焦算法的基础上，通过声传播总时间表达式对全聚焦算法进行优化。
具体地，超声波信号穿过第一层介质时发生一次反射和折射，折射后透过第一层介质继续传播，到达像素点处产生回波声信号，回波声信号从第二层介质穿过第一层介质又发生一次折射和反射。传播过程包括多个计算参数，分别为：相控阵阵元数为N，阵元宽度为a，阵元间距为d，超声波在第一层介质和第二层介质中的声速分别为c1，c2，第一层介质的厚度为H，第i个阵元的坐标点为Yi，对于第i个阵元发射的超声波信号在双层试件中从第一层介质进入第二层介质的折射点为Si，入射角为θi，折射角为θs，第二层介质内的任意像素点为F(x,z)，x为像素点F的横坐标，z为像素点F的纵坐标，从第二层介质进入第一层介质的折射点为Sj,第j个阵元的坐标点为Yj。
根据费马原理(即Fermat原理)：声束总是沿所需时间最短的路径传播。可确定超声波信号从第i个阵元传播到折射点Si，再折射到像素点F的声束传播路径，并根据声束传播路径得到该传播过程的声传播时间表达式Ti。
根据斯涅尔定理(即shell定理)：折射波在入射面内时，入射角和折射角的正弦之比为一常数，即折射率，用表示n12，折射率n12为第一介质与第二介质的相对折射率，并且与对应介质的声速成正比，故得到声折射率表达式n12。
联立声传播时间表达式和声折射率表达式n12进行计算，得到第i个阵元发射的超声波信号到达像素点F的时间为Ti，同理可得到第i个阵元发射的超声波信号的回波声信号从像素点F经过反射点到达第j个阵元的时间为Tj。由此得到超声波信号从第i个阵元到像素点F，产生回波声信号，回波声信号由像素点F到达第j个阵元的时间,进而推导出超声波信号和回波声信号对应的声传播总时间表达式tij(x,z)。
通过声传播总时间表达式计算像素点F处64阵元对应接收的回波声信号的声传播总时间，通过延时叠加法则对64个回波声信号的声传播总时间进行计算，得到回波幅值表达式I(x,z)。
应理解地，阵元间距d是相邻两个阵元中心的距离，也就是阵元头对头的距离。由于通过采样频率和阵元数量可计算得到各个像素点坐标，故各个阵元的坐标与待检测区域中各个像素点的坐标为已知量。回波声信号的声传播总时间为超声波信号的声传播时间与回波声信号的声传播时间之和。
根据互易原理：声波的发射和接收过程是可逆的，即tij(x,z)＝tji(x,z)。对于同一像素点F，当第i个阵元发射超声波信号传播到像素点F后，产生回波声信号并由第j个阵元接收所产生的声传播总时间，与第j个阵元发射超声波信号传播到像素点F后，产生回波声信号并由第i个阵元接收所产生的声传播总时间相等。故对同一像素点进行声传播总时间计算时，可以减少大量的计算量，提高计算速率。
延时叠加法则为：根据超声波在试件中的传播速度和回波信号的到达时间，将对应像素点处的所有回波信号按照一定的延时量进行叠加。
本发明实施例中，由于回波声信号到达不同接收阵元的距离不同，会存在时间延迟，所以要通过延时叠加法则对各个阵元接收到的同一像素点处的回波信号进行延时叠加，保证接收时间的一致性。根据费马原理和斯涅尔定理对全聚焦算法进行优化，使得优化全聚焦算法能够对双层介质的试件进行全聚焦成像。
优选地，所述根据折反射定律推导折射补偿表达式，具体为：
根据折反射定律推导折射补偿表达式，所述折射补偿表达式用于计算超声波信号在所述双层试件中的折射纵波能量(即折射补偿系数)，所述折射补偿表达式为：
其中，TL(θ1,θL,θs)为折射补偿系数，ρ1为第一介质密度，ρ2为第二介质密度，cL为横波声速，cs为纵波声速，θs为纵波入射角，θL为横波入射角，c1为第一介质声速，θ1为第一介质临界角，·为相乘。
具体地，根据折反射定律，当声束的入射角在第一临界角与第二临界角之间时，纵波在入射时会同时产生折射横波和折射纵波，其中折射纵波的能量分配满足初始投射补偿表达式，初始投射补偿表达式为：
其中，sinθL；0；-cosθ分别代表x，y，z三个方向上的分量。由于成像结果是二维平面，所以z方向上的-cosθ分量为0，故简化后的投射补偿表达式为：
应理解地，在超声波领域中，第一临界角和第二临界角通常指的是声束在不同介质之间传播时发生折射的情况，这些临界角对超声波的传播和成像有重要影响。第一临界角为：在超声波穿过一个介质，如水到空气或水到人体组织时，会发生折射；第一临界角是指当超声波入射角度达到一定值时，折射波沿界面上的介质以90度的角度传播，这时入射角被称为第一临界角；超过这个角度，超声波将无法穿透介质，而会发生全反射。第二临界角：当超声波从一个介质射向另一个介质时，如果入射角大于第一临界角，会发生全反射；当入射角增加到另一个临界值时，即第二临界角，折射波将能够穿过边界并传播到第二个介质中。
本发明实施例中，由于超声波信号在双层介质中传播时会在分界面发生折射和反射，导致回波信号的能量损失，故通过折反射定律推到出投射补偿表达式对优化全聚焦算法进行改进，以增强回波信号的能量，使缺陷图像更加清晰。
优选地，所述通过所述折射补偿表达式对所述优化全聚焦算法进行优化，得到改进全聚焦算法，具体为：
将所述折射补偿表达式和所述回波幅值表达式进行合并，得到补偿回波幅值表达式，所述补偿回波幅值表达式用于计算所述待检测区域中每个像素点对应的补偿回波幅值，所述补偿回波幅值表达式即为改进全聚焦算法，所述补偿回波幅值表达式为：
其中，I'(x,z)为补偿回波幅值，tij(x,z)为声传播总时间，TL(θ1,θL,θs)为折射补偿系数。
优选地，所述通过所述改进全聚焦算法分别对所述待检测区域中多个像素点在所述数字信号矩阵中对应的回波数字信号进行计算，得到多个像素点对应的补偿回波幅值，具体为：
通过所述改进全聚焦算法对所述待检测区域中任意一个像素点在所述数字信号矩阵中对应的回波数字信号进行计算，得到任意一个像素点的补偿回波幅值；
重复上述步骤直至对待检测区域的所有像素点在所述数字信号矩阵中对应的回波数字信号进行计算，得到多个像素点对应的补偿回波幅值。
应理解地，S1，计算由第1个阵元发射的超声波信号在第1个像素点处的回波声信号的回波幅值(即计算64个阵元中分别保存的第1个回波声信号的回波幅值)，包括，通过回波幅值表达式先计算各个阵元中第1个回波声信号的声传播总时间，得到第1个回波声信号的64个声传播总时间，再分别计算第1个回波声信号的64个声传播总时间在第1个像素点处的回波声信号的回波幅值，得到64个第一回波幅值，通过延时叠加法则对64个第一回波幅值进行计算，得到第1个像素点的第一总回波幅值；
S2，重复S1，依次计算第2个回波声信号至第64个回波声信号的总回波幅值，对64个总回波幅值进行均值计算，得到第1个像素点对应的回波幅值；
S3，通过投射补偿表达式对第1个像素点对应的回波幅值进行投射补偿，得到第1个像素点对应的补偿回波幅值；
S4，重复S1-S3对剩余像素点对应的补偿回波幅值进行计算，直至计算出待检测区域的所有像素点对应的补偿回波幅值，得到多个像素点对应的补偿回波幅值。
本发明实施例中，通过对待检测区域的所有像素点处的回波信号进行幅值计算，以得到能够表征双层试件缺陷的幅值图像。
优选地，根据多个像素点对应的回波幅值构建缺陷图像的步骤之后，还包括根据所述缺陷图像对双层试件进行缺陷判断，具体为：
当缺陷和正常结构回波的幅值不同时，判断为存在缺陷；由于缺陷部分引起了超声波的强反射或散射，那么在缺陷图像中，这些缺陷通常会呈现为明亮的区域，其幅值会明显高于周围正常无缺陷区域的幅值。
应理解地，界面回波的干扰会使双层试件所检测区域无缺陷的缺陷图像也存在明亮区域，进而造成缺陷误判，故对各个像素点的回波幅值进行折射补偿，减少界面回波对各个像素点处的回波信号的干扰。
本发明实施例中，将缺陷图像中幅值亮度高于附近幅值亮度的像素点处判断为缺陷。
如图4所示，本发明实施例提供的一种改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像系统，包括：
信号采集模块，用于设置探头晶片激发法则和探头晶片接收法则，按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，在所述双层试件设定的待检测区域中设置多个像素点，所述超声波信号在各个像素点处产生对应的回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则对多个像素点对应的回波声信号进行全矩阵数据采集，由多个像素点对应的多个回波声信号构成回波声信号矩阵；
信号转换模块，用于分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵；
算法改进模块，用于通过费马原理和斯涅尔定理推导声传播总时间表达式，通过所述声传播总时间表达式构建优化全聚焦算法，并根据折反射定律推导折射补偿表达式，通过所述折射补偿表达式对所述优化全聚焦算法进行优化，得到改进全聚焦算法；
图像构建模块，用于通过所述改进全聚焦算法分别对所述待检测区域中多个像素点在所述数字信号矩阵中对应的回波数字信号进行计算，得到多个像素点对应的补偿回波幅值，并根据多个像素点对应的补偿回波幅值构建缺陷图像。
上述一种改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像系统，可以参见如上对一种改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像方法进行具体描述的实施内容及其有益效果，在此不再赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
设置探头晶片激发法则和探头晶片接收法则，按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，在所述双层试件设定的待检测区域中设置多个像素点，所述超声波信号在各个像素点处产生对应的回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则对多个像素点对应的回波声信号进行全矩阵数据采集，由多个像素点对应的多个回波声信号构成回波声信号矩阵；
分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵；
通过费马原理和斯涅尔定理推导声传播总时间表达式，通过所述声传播总时间表达式构建优化全聚焦算法，并根据折反射定律推导折射补偿表达式，通过所述折射补偿表达式对所述优化全聚焦算法进行优化，得到改进全聚焦算法；
通过所述改进全聚焦算法分别对所述待检测区域中多个像素点在所述数字信号矩阵中对应的回波数字信号进行计算，得到多个像素点对应的补偿回波幅值，并根据多个像素点对应的补偿回波幅值构建缺陷图像。
2.根据权利要求1所述的双层介质缺陷成像方法，其特征在于，所述相控阵检测组件包括超声相控阵检测仪和多阵元超声换能器；
所述按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，具体为：
按照所述探头晶片激发法则通过预置的所述超声相控阵检测仪将电信号传输到预置的多阵元超声换能器；
通过所述多阵元超声换能器将所述电信号转换为超声波信号，并激发所述超声波信号到预置的双层试件中。
3.根据权利要求2所述的双层介质缺陷成像方法，其特征在于，所述多阵元超声换能器包括多个阵元；
所述按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，在所述双层试件设定的待检测区域中设置多个像素点，所述超声波信号在各个像素点处产生对应的回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则对多个像素点对应的回波声信号进行全矩阵数据采集，由多个像素点对应的多个回波声信号构成回波声信号矩阵，具体为：
按照所述探头晶片激发法则中的激发顺序通过首个阵元激发首个超声波信号到预置的双层试件中，在所述双层试件设定的待检测区域中设置多个像素点，所述首个超声波信号在各个像素点处产生对应的首个回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则中的接收顺序通过所有阵元分别接收多个像素点对应的首个回波声信号，得到多个像素点在各个阵元中对应的首个回波声信号；
按照所述探头晶片激发法则中的激发顺序通过第二个阵元激发第二个超声波信号到所述双层试件中，所述第二个超声波信号在各个像素点处产生对应的第二个回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则中的接收顺序通过所有阵元分别接收多个像素点对应的第二个回波声信号，得到多个像素点在各个阵元中对应的第二个回波声信号；
以此类推，直至按照所述探头晶片激发法则中的激发顺序通过最后一个阵元激发最后一个超声波信号到所述双层试件中，所述最后一个超声波信号在各个像素点处产生对应的最后一个回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则中的接收顺序通过所有阵元分别接收多个像素点对应的最后一个回波声信号，得到多个像素点在各个阵元中对应的最后一个回波声信号，以此由多个像素点在各个阵元中对应的多个回波声信号构成回波声信号矩阵。
4.根据权利要求2所述的双层介质缺陷成像方法，其特征在于，所述分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵，具体为：
通过所述多阵元超声换能器分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个像素点对应的多个回波电信号，并将多个像素点对应的多个所述回波电信号传输到所述超声相控阵检测仪；
通过所述超声相控阵检测仪分别将多个像素点对应的多个所述回波电信号转换为多个像素点对应的多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵。
5.根据权利要求1所述的双层介质缺陷成像方法，其特征在于，所述通过费马原理和斯涅尔定理推导声传播总时间表达式，具体为：
根据费马原理推导声传播距离表达式，所述声传播距离表达式用于计算所述待检测区域中任意一像素点在数字信号矩阵中对应的任意一回波数字信号的声传播距离，并将所述双层试件的声速代入所述声传播距离表达式进行计算，得到声传播时间表达式，所述声传播时间表达式为：
x＝H tanθi+(z-H)tanθs，
xi＝[(N+1)/2-i]d，
其中，Ti为声传播时间，xi为激发超声波信号的阵元的横坐标，xit为超声波信号在分界面的折射点横坐标，x为像素点横坐标，z为像素点纵坐标，H为第一介质厚度，c1为第一介质声速，c2为第二介质声速，N为阵元数量，d为阵元间距，θi为超声波信号入射角，θs为超声波信号折射角；
根据斯涅尔定理推导声折射率表达式，所述声折射率表达式用于计算所述待检测区域中任意一像素点在数字信号矩阵中对应的任意一回波数字信号的声折射率，所述声折射率表达式为：
其中，n12为声折射率；
联立所述声传播时间表达式和所述声折射率表达式，通过联立后的表达式推导声传播总时间表达式，所述声传播总时间表达式用于计算所述待检测区域中任意一像素点在数字信号矩阵中对应的任意一回波数字信号的声传播总时间，所述声传播总时间表达式为：
其中，tij(x,z)为声传播总时间，xj为采集回波声信号的阵元的横坐标，xjr为回波声信号在分界面的折射点横坐标。
6.根据权利要求1所述的双层介质缺陷成像方法，其特征在于，所述通过所述声传播总时间表达式构建优化全聚焦算法，具体为：
通过延时叠加法则对所述声传播总时间表达式进行融合，构建出回波幅值表达式，所述回波幅值表达式用于计算所述待检测区域中每个像素点对应的回波幅值，所述回波幅值表达式即为优化全聚焦算法，所述回波幅值表达式为：
其中，I(x,z)为回波幅值，tij(x,z)为声传播总时间。
7.根据权利要求6所述的双层介质缺陷成像方法，其特征在于，所述通过所述折射补偿表达式对所述优化全聚焦算法进行优化，得到改进全聚焦算法，具体为：
将所述折射补偿表达式和所述回波幅值表达式进行合并，得到补偿回波幅值表达式，所述补偿回波幅值表达式用于计算所述待检测区域中每个像素点对应的补偿回波幅值，所述补偿回波幅值表达式即为改进全聚焦算法，所述补偿回波幅值表达式为：
其中，I'(x,z)为补偿回波幅值，tij(x,z)为声传播总时间，所述折射补偿表达式为：
其中，TL(θ1,θL,θs)为折射补偿系数，ρ1为第一介质密度，ρ2为第二介质密度，cL为横波声速，cs为纵波声速，θs为纵波入射角，θl为横波入射角，c1为第一介质声速，θ1为第一介质临界角。
8.一种改进全聚焦算法的双层介质缺陷成像系统，其特征在于，包括：
信号采集模块，用于设置探头晶片激发法则和探头晶片接收法则，按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，在所述双层试件设定的待检测区域中设置多个像素点，所述超声波信号在各个像素点处产生对应的回波声信号，并按照所述探头晶片接收法则对多个像素点对应的回波声信号进行全矩阵数据采集，由多个像素点对应的多个回波声信号构成回波声信号矩阵；
信号转换模块，用于分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵；
算法改进模块，用于通过费马原理和斯涅尔定理推导声传播总时间表达式，通过所述声传播总时间表达式构建优化全聚焦算法，并根据折反射定律推导折射补偿表达式，通过所述折射补偿表达式对所述优化全聚焦算法进行优化，得到改进全聚焦算法；
图像构建模块，用于通过所述改进全聚焦算法分别对所述待检测区域中多个像素点在所述数字信号矩阵中对应的回波数字信号进行计算，得到多个像素点对应的补偿回波幅值，并根据多个像素点对应的补偿回波幅值构建缺陷图像。
9.根据权利要求8所述的双层介质缺陷成像系统，其特征在于，所述相控阵检测组件包括超声相控阵检测仪和多阵元超声换能器；
所述信号采集模块中，所述按照所述探头晶片激发法则通过预置的相控阵检测组件激发超声波信号到预置的双层试件中，具体为：
按照所述探头晶片激发法则通过预置的所述超声相控阵检测仪将电信号传输到预置的多阵元超声换能器；
通过所述多阵元超声换能器将所述电信号转换为超声波信号，并激发所述超声波信号到预置的双层试件中。
10.根据权利要求8所述的双层介质缺陷成像系统，其特征在于，所述信号转换模块，具体用于：
通过所述多阵元超声换能器分别将多个像素点在所述回波声信号矩阵中对应的多个回波声信号转换为多个像素点对应的多个回波电信号，并将多个像素点对应的多个所述回波电信号传输到所述超声相控阵检测仪；
通过所述超声相控阵检测仪分别将多个像素点对应的多个所述回波电信号转换为多个像素点对应的多个回波数字信号，由多个像素点对应的多个回波数字信号构成数字信号矩阵。
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- 2024-05-27 CN CN202410661659.5A patent/CN118655222B/zh active Active
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| CN118655222B (zh) | 2025-04-22 |
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