一種基于斜入射超聲合成孔徑聚焦的厚壁結(jié)構(gòu)缺陷檢測方法
【專利摘要】一種基于斜入射超聲合成孔徑聚焦的厚壁結(jié)構(gòu)缺陷檢測方法，屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。該方法采用一套包括相控陣超聲探傷儀、相控陣超聲探頭和傾斜有機玻璃楔塊的超聲檢測系統(tǒng)，利用相控陣電子掃查功能對厚壁結(jié)構(gòu)試塊進行檢測，獲得各相控陣陣元的A掃信號集合。利用費馬定理求解各相控陣陣元與圖像重建點在楔塊/試塊界面處的出射點位置，并對各A掃信號進行時間延遲和幅值疊加處理。對處理后的A掃信號進行希爾伯特變換，利用差值函數(shù)獲得重建后的超聲檢測B掃圖像。該方法的缺陷檢測分辨力高，檢測范圍大，可提高檢測效率，為厚壁結(jié)構(gòu)缺陷的無損檢測問題提供有效解決方法。該方法還可嵌入到探傷儀中，實現(xiàn)自動實時成像，具有較高的工程應用價值。
【專利說明】
一種基于斜入射超聲合成孔徑聚焦的厚壁結(jié)構(gòu)缺陷檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于斜入射超聲合成孔徑聚焦的厚壁結(jié)構(gòu)缺陷檢測方法，其屬于 無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 厚壁結(jié)構(gòu)被廣泛應用于核電、石油、化工和電力等多個行業(yè)，如核工程主管道多為 厚度60mm以上厚壁結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)往往長期處于高溫、高壓、高輻射、強腐蝕等惡劣服役環(huán) 境，容易產(chǎn)生缺陷，使得其安全性能備受關(guān)注。超聲檢測技術(shù)以其原理簡單、檢測結(jié)果直觀、 環(huán)保安全等特點而被應用于厚壁結(jié)構(gòu)缺陷的無損檢測。然而，超聲聲束具有擴散性，厚壁結(jié) 構(gòu)中的傳播聲程增加將導致聲束擴散加劇，同時能量衰減增大，造成檢測分辨力和缺陷檢 出能力降低。此外，為保證不同深度聲束能量的有效覆蓋，常規(guī)超聲檢測時需采用不同角度 探頭分層多次掃查，該技術(shù)操作繁瑣，檢測效率低。
[0003] 為解決上述問題，國內(nèi)外學者采用超聲信號及圖像處理技術(shù)，如合成孔徑聚焦技 術(shù)(Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT)，改善成像質(zhì)量，提高厚壁結(jié)構(gòu)缺陷 無損檢測能力。然而，傳統(tǒng)SAFT為垂直入射，當相控陣超聲探頭置于缺陷正上方時，如果同 一位置不同深度存在多個缺陷，則上方缺陷會對下方缺陷形成遮擋，造成漏檢；當相控陣超 聲探頭偏置于缺陷時，檢測時實際利用的是超聲旁瓣聲束，聲束能量低，且檢測分辨力差， 導致有效檢測范圍減小，檢測能力降低，無法獲得高質(zhì)量的成像結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種基于斜入射超聲合成孔徑聚焦的厚壁結(jié)構(gòu)缺陷檢測方法。其目的 是針對厚壁結(jié)構(gòu)中常規(guī)超聲檢測能量衰減大，且難以一次性實現(xiàn)大范圍、高分辨力掃查的 問題，利用相控陣電子掃查功能并配合傾斜有機玻璃楔塊獲得斜入射超聲信號，基于費馬 定理和SAFT原理對信號進行時間延遲和幅值疊加處理，進而獲得大范圍、高分辨力的超聲 檢測B掃圖像。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種基于斜入射超聲合成孔徑聚焦的厚壁結(jié)構(gòu)缺陷檢 測方法，采用由相控陣超聲探傷儀、相控陣超聲探頭和傾斜有機玻璃楔塊組成的超聲檢測 系統(tǒng)，利用相控陣電子掃查功能對厚壁結(jié)構(gòu)試塊進行A掃信號采集，根據(jù)費馬定理求解超聲 波在楔塊/試塊界面處的出射點位置，對A掃信號進行時間延遲和幅值疊加處理并進行希爾 伯特變換，利用差值函數(shù)實現(xiàn)圖像重建，從而獲得具有高檢測分辨力和大掃查范圍的超聲 檢測B掃圖像，所述方法采用下列步驟：
[0006] (a)相控陣超聲檢測參數(shù)確定
[0007] 根據(jù)被檢厚壁結(jié)構(gòu)試塊的材料、幾何尺寸及被檢測范圍選取合適的超聲檢測參 數(shù)，主要包括相控陣超聲探頭頻率、相控陣超聲探頭孔徑、相控陣陣元間距、子孔徑、楔塊斜 楔角、楔塊第一晶片高度、楔塊前沿位置、采樣頻率、電子掃查步進；
[0008] (b)超聲信號數(shù)據(jù)集獲取
[0009]采用步驟(a)中確定的超聲檢測參數(shù)，利用相控陣電子掃查功能對厚壁結(jié)構(gòu)試塊 進行檢測，獲得N個A掃描信號構(gòu)成的數(shù)據(jù)集，并通過探傷儀A/D轉(zhuǎn)換器將其導出，其中N為晶 片總數(shù)；
[0010] (c)被檢測區(qū)域網(wǎng)格劃分及坐標系建立
[0011] 將被檢區(qū)域劃分成mXn個矩形網(wǎng)格，其網(wǎng)格節(jié)點即為各圖像重建點，以楔塊尖端 位置為坐標原點，楔塊與試塊界面為X軸，楔塊前沿方向為X軸正向，試塊深度方向為y軸正 向建立坐標系，確定各相控陣陣元及圖像重建點的坐標位置；
[0012] (d)基于費馬定理求解出射點位置
[0013] 設(shè)圖像重建點坐標為(X2，y2)，第i個相控陣陣元坐標為(Xll， yil)，根據(jù)費馬定理求 解各相控陣陣元與圖像重建點之間的超聲波最短傳播路徑，并在楔塊/試塊界面獲得出射 點坐標位置( XQl，〇)，其中$[1』]，根據(jù)幾何關(guān)系得楔塊中聲程5"及試塊中的聲場5:
[0016]則出射點橫坐標x〇i由公式⑶求得：
[0018] 其中cw為楔塊聲速，c為試塊聲速；
[0019] (e)時間延遲計算
[0020]基于合成孔徑聚焦成像原理，根據(jù)超聲傳播路徑的幾何關(guān)系計算得到第i個相控 陣陣元到圖像重建點的超聲往返傳播時間^為：
[0024]各圖像重建點距離楔塊/試塊界面的最短聲時表達式為：
[0028] (f)超聲圖像重建
[0029]根據(jù)上述步驟對每組相控陣陣元/圖像重建點對應的時間延遲進行計算，并逐點 對信號施加時間延遲和幅值疊加處理，得到各點的合成信號為：
[0031]式中，I(m，n)為成像區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格點(m，n)的疊加幅值，fi為第i個相控陣陣元獲得 的A掃信號；
[0032]對合成信號進行希爾伯特變換進一步提高成像質(zhì)量，希爾伯特變換后的各點合成 信號為：
[0034] 最后，對變換后的合成信號進行歸一化處理，并通過差值函數(shù)實現(xiàn)超聲檢測B掃圖 像的重建。
[0035] 本發(fā)明的有益效果是:這種基于斜入射超聲合成孔徑聚焦的厚壁結(jié)構(gòu)缺陷檢測方 法利用傾斜的有機玻璃楔塊使超聲波經(jīng)過折射后傾斜入射到被檢試塊中，聲束主瓣能量覆 蓋范圍大，有效擴大檢測范圍；利用相控陣電子掃查功能可一次性獲取大范圍檢測數(shù)據(jù)，提 高了缺陷檢測效率;基于SAFT原理對采集信號進行處理并重建圖像，利用小孔徑探頭合成 高分辨力圖像，為厚壁結(jié)構(gòu)缺陷的無損檢測問題提供有效解決方法。同時，該方法可操作性 強，并可嵌入到探傷儀中，實現(xiàn)自動實時成像，具有較高的工程應用和推廣價值。
【附圖說明】
[0036]下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明做進一步說明。
[0037] 圖1是本發(fā)明采用的超聲檢測系統(tǒng)示意圖。
[0038] 圖2是帶橫通孔缺陷的厚壁結(jié)構(gòu)試塊及缺陷示意圖。
[0039] 圖3斜入射SAFT坐標系及相控陣陣元與圖像重建點相對位置示意圖。
[0040] 圖4是厚壁結(jié)構(gòu)試塊中橫通孔缺陷的斜入射SAFT重建圖像。
【具體實施方式】
[0041] 基于斜入射超聲合成孔徑聚焦的厚壁結(jié)構(gòu)缺陷檢測方法，采用的超聲檢測系統(tǒng)如 圖1所示，其中包括相控陣超聲檢測儀、相控陣超聲探頭、傾斜有機玻璃楔塊等。具體檢測及 處理步驟如下：
[0042] (a)選取壁厚100mm的碳鋼試塊，試塊尺寸為100mmX 300mm X 40mm，橫波聲速為 3240m/s，試塊中分別加工了深度為30mm和70mm的Φ 3mm橫通孔，如圖2所示。
[0043] (b)利用M2M Multi X++數(shù)字探傷儀，采用相控陣超聲探頭對試塊中的橫通孔缺陷 進行電子掃查，初步根據(jù)缺陷的位置和深度。其中，相控陣超聲探頭中心頻率為5MHz、相控 陣超聲探頭孔徑為38.4mm X 10mm、相控陣陣元間距為0.6mm、子孔徑為2.4mm X 10mm、楔塊傾 斜角為36°、楔塊第一晶片高度為11.03mm、楔塊前沿位置為50mm、采樣頻率為50MHz、電子掃 查步進為〇.6mm。
[0044] (c)采用步驟(b)中確定的超聲檢測參數(shù)，利用相控陣電子掃查功能對厚壁結(jié)構(gòu)試 塊進行檢測，獲得N個A掃描信號構(gòu)成的數(shù)據(jù)集，并通過探傷儀A/D轉(zhuǎn)換器以.txt文件形式將 其導出。
[0045] (d)如圖3所示，建立直角坐標系，并將檢測區(qū)域劃分成mXn個矩形網(wǎng)格，確定各相 控陣陣元及圖像重建點的坐標位置值?；谫M馬定理進行出射點位置求解，其中所用楔塊 聲速Cw= 2330m/s，試塊橫波聲速c = 3240m/s。
[0046] (e)基于SAFT成像原理，根據(jù)超聲傳播的幾何關(guān)系計算第i個相控陣陣元到各圖像 重建點的時間延遲量，并逐點施加時間延遲和幅值疊加處理，得到各點的合成信號。最后對 合成的A掃信號進行希爾伯特變換，并通過差值函數(shù)實現(xiàn)超聲檢測B掃圖像重建。圖4為厚壁 結(jié)構(gòu)試塊中橫通孔缺陷的斜入射SAFT重建圖像，由圖可見，兩個橫通孔缺陷的成像效果良 好，缺陷檢測分辨力較高，且成像幅值較為接近。統(tǒng)計可得，深度30mm和70mm的Φ 3mm橫通孔 缺陷的_6dB水平寬度分別為2.01mm和1.80mm，表明該方法具有較高的橫向分辨力。以圖像 中最大幅值為OdB進行歸一化處理，兩個缺陷的最大回波幅值分別為-3.24dB和OdB，幅值相 近。兩個缺陷的深度定位結(jié)果分別為29.9mm和69.7mm，定位誤差分別為0.1mm和0.3mm，滿足 工程需求。
【主權(quán)項】
1. 一種基于斜入射超聲合成孔徑聚焦的厚壁結(jié)構(gòu)缺陷檢測方法，其特征是：采用一套 包括相控陣超聲探傷儀、相控陣超聲探頭和傾斜有機玻璃模塊的超聲檢測系統(tǒng)，利用相控 陣電子掃查功能對厚壁結(jié)構(gòu)試塊進行A掃信號采集，根據(jù)費馬定理求解超聲波在模塊/試塊 界面處的出射點位置，對A掃信號進行時間延遲和幅值疊加處理并進行希爾伯特變換，利用 差值函數(shù)實現(xiàn)圖像重建，從而獲得具有高檢測分辨力和大掃查范圍的超聲檢測B掃圖像，所 述方法采用下列步驟： (a) 相控陣超聲檢測參數(shù)確定 根據(jù)被檢厚壁結(jié)構(gòu)試塊的材料、幾何尺寸及被檢測范圍選取合適的超聲檢測參數(shù)，主 要包括相控陣超聲探頭頻率、相控陣超聲探頭孔徑、相控陣陣元間距、子孔徑、模塊斜模角、 模塊第一晶片高度、模塊前沿位置、采樣頻率、電子掃查步進； (b) 超聲信號數(shù)據(jù)集獲取 采用步驟(a)中確定的超聲檢測參數(shù)，利用相控陣電子掃查功能對厚壁結(jié)構(gòu)試塊進行 檢測，獲得N個A掃描信號構(gòu)成的數(shù)據(jù)集，并通過探傷儀A/D轉(zhuǎn)換器將其導出，其中N為晶片總 數(shù)； (C)被檢測區(qū)域網(wǎng)格劃分及坐標系建立 將被檢區(qū)域劃分成mXn個矩形網(wǎng)格，其網(wǎng)格節(jié)點即為各圖像重建點，W模塊尖端位置 為坐標原點，模塊與試塊界面為X軸，模塊前沿方向為X軸正向，試塊深度方向為y軸正向建 立坐標系，確定各相控陣陣元及圖像重建點的坐標位置； (d) 基于費馬定理求解出射點位置 設(shè)圖像重建點坐標為(X2，y2)，第i個相控陣陣元坐標為(xii，yii)，根據(jù)費馬定理求解各 相控陣陣元與圖像重建點之間的超聲波最短傳播路徑，并在模塊/試塊界面獲得出射點坐 標位置(χοι,Ο)，其中1引1，化根據(jù)幾何關(guān)系得模塊中聲程5^汲試塊中的聲場5:其中Cw為模塊聲速，C為試塊聲速； (e) 時間延遲計算 基于合成孔徑聚焦成像原理，根據(jù)超聲傳播路徑的幾何關(guān)系計算得到第i個相控陣陣 元到圖像重建點的超聲往返傳播時間τι為：(4) 將公式(1)和(2)代入公式(4)中后，聲傳播時間改寫為：(f)超聲圖像重建 根據(jù)上述步驟對每組相控陣陣元/圖像重建點對應的時間延遲進行計算，并逐點對信 號施加時間延遲和幅值疊加處理，得到各點的合成信號為：(8) 式中，I(m，n)為成像區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格點(m，n)的疊加幅值，fi為第i個相控陣陣元獲得的A掃 信號； 對合成信號進行希爾伯特變換進一步提高成像質(zhì)量，希爾伯特變換后的各點合成信號 為：(9) 最后，對變換后的合成信號進行歸一化處理，并通過差值函數(shù)實現(xiàn)超聲檢測B掃圖像的 重建。
【文檔編號】G01N29/06GK106093205SQ201610375312
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】林莉, 張侃, 金士杰, 郭彥輝, 雷明凱
【申請人】大連理工大學