基于角域虛擬源的水浸超聲合成孔徑聚焦成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水浸超聲成像方法，包括角域掃查技術(shù)、虛擬源技術(shù)、合成孔徑聚 焦成像技術(shù)、空間復(fù)合成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水浸工件高效及高精度的超聲合成孔徑聚焦成像。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲波檢測(cè)作為無(wú)損檢測(cè)的一種重要手段，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)，它能在 不破壞工件結(jié)構(gòu)性能的前提下對(duì)其缺陷進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法采用單探頭檢測(cè)時(shí)成 像分辨率e B= 0.84* A/D，式中D表示換能器孔徑，A表示換能器激勵(lì)聲束的波長(zhǎng)，因此 要提高超聲成像分辨率就需要增大換能器孔徑或者減小超聲波波長(zhǎng)即提高超聲換能器工 作頻率，然而增大換能器孔徑限制了探頭檢測(cè)范圍，不適用于復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)，提高 換能器工作頻率會(huì)增大超聲波在工件中的衰減，不利于工件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。合成孔徑聚 焦技術(shù)（Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT)作為超聲波檢測(cè)領(lǐng)域一種重要 的成像方法，其成像不受菲涅爾區(qū)聲場(chǎng)傳播特性影響，成像分辨率0 saft= D/2,只與換能器 孔徑有關(guān)，通過(guò)小孔徑及低工作頻率換能器即能獲得較高分辨率的成像。
[0003] 然而對(duì)于水浸工件的超聲檢測(cè)，傳統(tǒng)SAFT進(jìn)行延時(shí)疊加時(shí)需要考慮聲束在水中 及工件中傳播路徑、傳播聲速的變化，導(dǎo)致延時(shí)疊加計(jì)算效率低。為提高延時(shí)疊加計(jì)算效 率，申請(qǐng)公布號(hào)CN103018333A，公布日為2013年4月3日的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種分層物體 的合成孔徑聚焦超聲成像方法，采用直線(xiàn)掃描轉(zhuǎn)換技術(shù)減少延時(shí)疊加時(shí)的迭代計(jì)算次數(shù)， 該方法能在一定程度上減少延時(shí)疊加計(jì)算時(shí)間，但仍需要考慮聲束在水中與工件中傳播聲 速的變化。
[0004] 此外，超聲波檢測(cè)受系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的隨機(jī)噪聲影響，成像時(shí)會(huì)產(chǎn)生斑點(diǎn)噪聲，公告號(hào) 為CN101199430B，授權(quán)公告日2011年12月28日的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種空間復(fù)合成像方 法，通過(guò)傾斜不同掃查角后獲取每個(gè)掃查角的超聲成像，對(duì)相鄰掃查角的圖像進(jìn)行差分處 理后復(fù)合，復(fù)合后的圖像斑點(diǎn)噪聲得到有效抑制。然而將該方法對(duì)SFAT圖像進(jìn)行空間復(fù)合 時(shí)，需要對(duì)每一個(gè)掃查角的回波信號(hào)分別進(jìn)行延時(shí)疊加計(jì)算，獲得每一個(gè)掃查角的SAFT圖 像后再進(jìn)行空間復(fù)合成像，這種方法增加了成像時(shí)間，成像效率低。
[0005] 為提高SAFT在水浸超聲檢測(cè)中的延時(shí)疊加計(jì)算效率，本發(fā)明引入虛擬源技術(shù)， 虛擬源模型示意圖如圖3所示，虛擬源是指多個(gè)陣元延時(shí)發(fā)射后的聚焦點(diǎn)，以水浸超聲 檢測(cè)為例，使用聚焦探頭對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，當(dāng)聚焦探頭聚焦在工件表面％時(shí)，可將聚 焦點(diǎn)視為能產(chǎn)生一定夾角球面波的虛擬換能器，設(shè)聚焦探頭孔徑為D，換能器產(chǎn)生的單位 能量為Po,對(duì)于工件內(nèi)任意點(diǎn)P，其深度為z s，采用傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方法時(shí)，其成像信噪比
，而采用虛擬源技術(shù)時(shí)，其成像信噪比為
。由此可知傳統(tǒng)超 聲檢測(cè)方法成像信噪比隨著檢測(cè)深度的增加而減小，而采用虛擬源技術(shù)成像時(shí)，如不考慮 超聲波在工件內(nèi)部的衰減，其成像信噪比不隨檢測(cè)深度的變化而變化。此外，采用虛擬源進(jìn) 行SAFT成像時(shí)，在發(fā)射和接收過(guò)程中，可認(rèn)為聲束聚焦在工件表面的虛擬源上，因此不需 要考慮聲束在水中和工件中傳播路徑、傳播聲速的變化。
[0006] 為減少超聲成像中的斑點(diǎn)噪聲，并提高空間復(fù)合成像方法處理SAFT圖像時(shí)的成 像效率，通過(guò)角域虛擬源模型，模型示意圖如圖5所示，建立基于該模型的延時(shí)疊加算法， 可實(shí)現(xiàn)SAFT與空間復(fù)合成像方法的結(jié)合，通過(guò)一次延時(shí)疊加計(jì)算即可獲得角域超聲合成 孔徑聚焦圖像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提出一種成像效率及精度高且受斑點(diǎn)噪聲影響小的水浸超聲 合成孔徑聚焦成像方法。
[0008] 本發(fā)明的特征在于，通過(guò)虛擬源技術(shù)，不需要考慮聲束在水中和工件中傳播路徑、 傳播聲速的變化，從而提高延時(shí)疊加計(jì)算效率。
[0009] 本發(fā)明的特征在于，通過(guò)角域虛擬源模型實(shí)現(xiàn)合成孔徑聚焦成像技術(shù)與空間復(fù)合 成像技術(shù)的結(jié)合，通過(guò)一次延時(shí)疊加計(jì)算即可獲得角域超聲合成孔徑聚焦圖像。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于角域虛擬源的水浸超聲合成孔徑聚焦成像方法， 包括以下步驟：
[0011] 步驟一：水浸工件聲束傳播建模。根據(jù)工件幾何及材料參數(shù)建立水浸工件聲束 傳播模型，并根據(jù)聲束傳播模型確定角域掃查范圍及掃查間隔角，其中角域指聚焦探頭以 任意掃查角掃查時(shí)中心軸線(xiàn)與工件入射點(diǎn)法線(xiàn)夾角，掃查間隔角指聚焦探頭在角域內(nèi)掃 查時(shí)相鄰的掃查角間隔。設(shè)聲束在水中及工件中的聲速分別為c w、cs，聚焦探頭的焦距大 小為d，晶片直徑為巾，則探頭孔徑角0w=2arctan((i)/2d)。聲束在水浸工件界面處 折射時(shí)會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換，根據(jù)第一臨界角定律確定角域掃查范圍為
為進(jìn)一步減小波型轉(zhuǎn)換時(shí)橫波對(duì)水浸超聲檢測(cè)的影響，角域掃查范圍最終確定為
;為保證聲束在工件內(nèi)沿角域方向連續(xù)掃查，根據(jù)斯涅爾定律確定掃 查間隔角為I A (}) |彡0 w。
[0012] 步驟二：角域內(nèi)回波信號(hào)采集。根據(jù)步驟一確定的角域掃查范圍及掃查間隔角， 將被測(cè)工件置于一個(gè)具有X/Y/Z/A四軸自動(dòng)超聲檢測(cè)平臺(tái)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制裝置調(diào)整聚焦探 頭位置使其垂直并聚焦于工件表面，標(biāo)記起始點(diǎn)B(0,0)后沿X軸方向以Ax的步進(jìn)距離進(jìn) 行掃查至終點(diǎn)B (n，0)，同步儲(chǔ)存回波信號(hào)data (i，j，0° )，其中虛擬源總數(shù)目為n/ A x，式 中n表示聲束入射點(diǎn)沿X軸方向坐標(biāo)，i表示沿X軸掃查方向的采樣點(diǎn)數(shù)，j表示沿Z軸檢 測(cè)方向的采樣點(diǎn)數(shù)；定義A軸的順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎ㄟ^(guò)運(yùn)動(dòng)控制裝置控制A軸旋轉(zhuǎn)和Z軸移 動(dòng)，使聚焦探頭旋轉(zhuǎn)掃查間隔角△巾并聚焦在工件表面的起始點(diǎn)B (0,0)，然后沿X軸方向 以Ax的步進(jìn)距離進(jìn)行掃查至終點(diǎn)B(n，0)，同步儲(chǔ)存回波信號(hào)data(i，j，A巾），重復(fù)上述 操作后獲得角域掃查范圍內(nèi)全部回波信號(hào)data(i，j，土N* A (}>)，式中N表示在半個(gè)角域內(nèi) 聚焦探頭掃查傾斜次數(shù)。
[0013] 步驟三：虛擬源內(nèi)回波信號(hào)重構(gòu)。建立水浸工件角域虛擬源模型，獲得聚 焦探頭在角域內(nèi)以任意掃查角掃查時(shí)，水浸工件內(nèi)重構(gòu)的虛擬源聲束擴(kuò)散角大小為
，據(jù)此將步驟二獲得的回波信號(hào)data(i，j，土N ? A (}>)在虛擬源內(nèi)重 構(gòu)為 data(i, j, 土N ? 0 t)。
[0014]步驟四：合成孔徑聚焦成像。建立基于角域虛擬源模型的延時(shí)疊加算法，對(duì)步驟三 獲得重構(gòu)后的回波信號(hào)進(jìn)行延時(shí)疊加計(jì)算，得到各成像點(diǎn)疊加后的電壓幅值，對(duì)成像區(qū)域 內(nèi)全部點(diǎn)電壓幅值進(jìn)行歸一化計(jì)算后重新賦值，實(shí)現(xiàn)基于角域虛擬源的水浸超聲合成孔徑 聚焦成像。
[0015] 所述一種基于角域虛擬源的水浸超聲合成孔徑聚焦成像方法，所述步驟三中水浸 工件內(nèi)重構(gòu)的虛擬源聲束擴(kuò)散角0 3十算方法為：建立水浸工件角域虛擬源模型，通過(guò)斯涅 耳定律計(jì)算得虛擬源聲束擴(kuò)算角
，設(shè)聚焦探頭掃查間隔角為△巾，當(dāng) A巾| < 0￥時(shí)，虛擬源聲束在工件內(nèi)沿角域方向會(huì)出現(xiàn)重疊，對(duì)重疊部分采用均值法處 理，確定聚焦探頭在角域內(nèi)以任意掃查角掃查時(shí)，水浸工件內(nèi)重構(gòu)的虛擬源聲束擴(kuò)散角大 小為
=所述一種基于角域虛擬源的水浸超聲合成孔徑聚焦成像方法， 所述步驟四中基于角域虛擬源模型的延時(shí)疊加算法包括以下步驟：
[0016]步驟1、對(duì)于工件內(nèi)任意點(diǎn)P(i，j)，其有效合成孔徑長(zhǎng)度
，式中zs 表示點(diǎn)P距離工件表面的深度，
，參與延時(shí)疊加計(jì)算的探頭沿X軸方 向移動(dòng)次數(shù)
，取整后得K = round(n)。
[0017]步驟2、當(dāng)步驟1中的K > 2時(shí)，對(duì)K進(jìn)行補(bǔ)償?shù)肒n，使Kn為偶數(shù)，即參與延時(shí)疊加 計(jì)算的探頭數(shù)為奇數(shù)；當(dāng)K < 2時(shí)，不進(jìn)行延時(shí)疊加計(jì)算，執(zhí)行步驟9。
[0018] 步驟3、讀取掃查角為0°時(shí)的回波信號(hào)數(shù)據(jù)data(i，j，0° )，賦值為初值SUM。。
[0019] 步驟4、定義變量ii，表示第ii個(gè)參與延時(shí)疊加計(jì)算的虛擬源，ii賦初值1。
[0020] 步驟5、計(jì)算步驟4中虛擬源至P(i, j)點(diǎn)的傾斜角0 n= atan(ii ? Ax/z s)，延時(shí) 時(shí)間t = (zs/cos 0 u-zj/c，沿Z軸檢測(cè)方向的延時(shí)采樣點(diǎn)數(shù)T = round(t/dt)，dt表示沿 檢測(cè)方向的采樣時(shí)間間隔，變跡系數(shù)e =〇. 5[l+cos(2*pi* n)]，式中，n =ii* Ax/ L〇
[0021] 步驟6、將步驟5獲得的傾斜角與單個(gè)虛擬源聲束擴(kuò)散角0 t相除，并對(duì)結(jié)果 進(jìn)行向上取整N = ceil ( 9 9 t)。
[0022] 步驟7、將步驟5中的變跡系數(shù)e加入延時(shí)疊加計(jì)算，計(jì)算公式為：
[0023] SUM = SUM0+ e (data(i_ii，j+T，-N ? 9 t)+ e data(i+ii，j+T，N ? 9 t))。
[0024] 步驟8、將步驟7獲得的結(jié)果重新定義為初值SUM。，處理第ii+1個(gè)虛擬源，繼續(xù)執(zhí) 行步驟3至7,直至ii = Kn/2-l。
[0025]步驟9、對(duì)步驟8最終獲得的SUM進(jìn)行均值處理，data (i，j) = SUMAKn+l)，并將處 理后數(shù)據(jù)的電壓幅值賦予P(i，j)。
[0026] 本發(fā)明的技術(shù)效果在于，對(duì)于水浸工件的超聲合成孔徑聚焦成像，通過(guò)采用虛擬 源技術(shù)，無(wú)需考慮聲束在水中和工件中傳播路徑、傳播聲速的變化，從而提高延時(shí)疊加計(jì)算 效率；通過(guò)基于角域虛擬源模型的延時(shí)疊加算法，實(shí)現(xiàn)超聲成像中合成孔徑技術(shù)與空間復(fù) 合技術(shù)的結(jié)合，通過(guò)一次延時(shí)疊加計(jì)算即可獲得角域超聲合成孔徑聚焦圖像，從而提高成 像效率及精度，降低斑點(diǎn)噪聲對(duì)成像的影響。
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為本發(fā)明所提的基于角域虛擬源的水浸超聲合成孔徑聚焦成像流程圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明水浸工件聲束傳播模型示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明虛擬源模型示意圖；
[0031] 圖4為本發(fā)明虛擬源內(nèi)回波信號(hào)采集示意圖；
[0032] 圖5為本發(fā)明角域虛擬源模型示意圖；
[0033] 圖6為本發(fā)明基于角域虛擬源模型的延時(shí)疊加計(jì)算流程圖；
[0034] 圖7為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中檢測(cè)試塊的實(shí)物圖；
[0035] 圖8為本發(fā)明聚焦探頭B掃成像圖；
[0036] 圖9為本發(fā)明采用傳統(tǒng)合成孔徑聚焦方法成像圖；
[0037] 圖10為本發(fā)明基于角域虛擬源的水浸超聲合成孔徑聚焦成像圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 本發(fā)明【具體實(shí)施方式】以鋁試塊的水浸超聲檢測(cè)為例，試塊實(shí)物圖如圖7所示，試 塊尺寸為120mmX