基于角域虛擬源的水浸超聲合成孔徑聚焦成像方法
【技術領域】
[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、虛擬源技術、合成孔徑聚 焦成像技術、空間復合成像技術，實現(xiàn)對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】
[0002] 超聲波檢測作為無損檢測的一種重要手段，已廣泛應用于工業(yè)產品檢測，它能在 不破壞工件結構性能的前提下對其缺陷進行檢測。傳統(tǒng)超聲檢測方法采用單探頭檢測時成 像分辨率e B= 0.84* A/D，式中D表示換能器孔徑，A表示換能器激勵聲束的波長，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范圍，不適用于復雜型面結構件的檢測，提高 換能器工作頻率會增大超聲波在工件中的衰減，不利于工件內部缺陷的檢測。合成孔徑聚 焦技術（Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT)作為超聲波檢測領域一種重要 的成像方法，其成像不受菲涅爾區(qū)聲場傳播特性影響，成像分辨率0 saft= D/2,只與換能器 孔徑有關，通過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] 然而對于水浸工件的超聲檢測，傳統(tǒng)SAFT進行延時疊加時需要考慮聲束在水中 及工件中傳播路徑、傳播聲速的變化，導致延時疊加計算效率低。為提高延時疊加計算效 率，申請公布號CN103018333A，公布日為2013年4月3日的專利文獻公開了一種分層物體 的合成孔徑聚焦超聲成像方法，采用直線掃描轉換技術減少延時疊加時的迭代計算次數(shù)， 該方法能在一定程度上減少延時疊加計算時間，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，超聲波檢測受系統(tǒng)及結構的隨機噪聲影響，成像時會產生斑點噪聲，公告號 為CN101199430B，授權公告日2011年12月28日的專利文獻公開了一種空間復合成像方 法，通過傾斜不同掃查角后獲取每個掃查角的超聲成像，對相鄰掃查角的圖像進行差分處 理后復合，復合后的圖像斑點噪聲得到有效抑制。然而將該方法對SFAT圖像進行空間復合 時，需要對每一個掃查角的回波信號分別進行延時疊加計算，獲得每一個掃查角的SAFT圖 像后再進行空間復合成像，這種方法增加了成像時間，成像效率低。
[0005] 為提高SAFT在水浸超聲檢測中的延時疊加計算效率，本發(fā)明引入虛擬源技術， 虛擬源模型示意圖如圖3所示，虛擬源是指多個陣元延時發(fā)射后的聚焦點，以水浸超聲 檢測為例，使用聚焦探頭對工件進行檢測時，當聚焦探頭聚焦在工件表面％時，可將聚 焦點視為能產生一定夾角球面波的虛擬換能器，設聚焦探頭孔徑為D，換能器產生的單位 能量為Po,對于工件內任意點P，其深度為z s，采用傳統(tǒng)超聲檢測方法時，其成像信噪比
，而采用虛擬源技術時，其成像信噪比為
。由此可知傳統(tǒng)超 聲檢測方法成像信噪比隨著檢測深度的增加而減小，而采用虛擬源技術成像時，如不考慮 超聲波在工件內部的衰減，其成像信噪比不隨檢測深度的變化而變化。此外，采用虛擬源進 行SAFT成像時，在發(fā)射和接收過程中，可認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噪聲，并提高空間復合成像方法處理SAFT圖像時的成 像效率，通過角域虛擬源模型，模型示意圖如圖5所示，建立基于該模型的延時疊加算法， 可實現(xiàn)SAFT與空間復合成像方法的結合，通過一次延時疊加計算即可獲得角域超聲合成 孔徑聚焦圖像。

【發(fā)明內容】

[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，通過虛擬源技術，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，從而提高延時疊加計算效率。
[0009] 本發(fā)明的特征在于，通過角域虛擬源模型實現(xiàn)合成孔徑聚焦成像技術與空間復合 成像技術的結合，通過一次延時疊加計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 任意掃查角掃查時中心軸線與工件入射點法線夾角，掃查間隔角指聚焦探頭在角域內掃 查時相鄰的掃查角間隔。設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 折射時會產生波型轉換，根據(jù)第一臨界角定律確定角域掃查范圍為
為進一步減小波型轉換時橫波對水浸超聲檢測的影響，角域掃查范圍最終確定為
;為保證聲束在工件內沿角域方向連續(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：角域內回波信號采集。根據(jù)步驟一確定的角域掃查范圍及掃查間隔角， 將被測工件置于一個具有X/Y/Z/A四軸自動超聲檢測平臺，通過運動控制裝置調整聚焦探 頭位置使其垂直并聚焦于工件表面，標記起始點B(0,0)后沿X軸方向以Ax的步進距離進 行掃查至終點B (n，0)，同步儲存回波信號data (i，j，0° )，其中虛擬源總數(shù)目為n/ A x，式 中n表示聲束入射點沿X軸方向坐標，i表示沿X軸掃查方向的采樣點數(shù)，j表示沿Z軸檢 測方向的采樣點數(shù)；定義A軸的順時針方向為正，通過運動控制裝置控制A軸旋轉和Z軸移 動，使聚焦探頭旋轉掃查間隔角△巾并聚焦在工件表面的起始點B (0,0)，然后沿X軸方向 以Ax的步進距離進行掃查至終點B(n，0)，同步儲存回波信號data(i，j，A巾），重復上述 操作后獲得角域掃查范圍內全部回波信號data(i，j，土N* A (}>)，式中N表示在半個角域內 聚焦探頭掃查傾斜次數(shù)。
[0013] 步驟三：虛擬源內回波信號重構。建立水浸工件角域虛擬源模型，獲得聚 焦探頭在角域內以任意掃查角掃查時，水浸工件內重構的虛擬源聲束擴散角大小為
，據(jù)此將步驟二獲得的回波信號data(i，j，土N ? A (}>)在虛擬源內重 構為 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疊加算法，對步驟三 獲得重構后的回波信號進行延時疊加計算，得到各成像點疊加后的電壓幅值，對成像區(qū)域 內全部點電壓幅值進行歸一化計算后重新賦值，實現(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 工件內重構的虛擬源聲束擴散角0 3十算方法為：建立水浸工件角域虛擬源模型，通過斯涅 耳定律計算得虛擬源聲束擴算角
，設聚焦探頭掃查間隔角為△巾，當 A巾| < 0￥時，虛擬源聲束在工件內沿角域方向會出現(xiàn)重疊，對重疊部分采用均值法處 理，確定聚焦探頭在角域內以任意掃查角掃查時，水浸工件內重構的虛擬源聲束擴散角大 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疊加算法包括以下步驟：
[0016]步驟1、對于工件內任意點P(i，j)，其有效合成孔徑長度
，式中zs 表示點P距離工件表面的深度，
，參與延時疊加計算的探頭沿X軸方 向移動次數(shù)
，取整后得K = round(n)。
[0017]步驟2、當步驟1中的K > 2時，對K進行補償?shù)肒n，使Kn為偶數(shù)，即參與延時疊加 計算的探頭數(shù)為奇數(shù)；當K < 2時，不進行延時疊加計算，執(zhí)行步驟9。
[0018] 步驟3、讀取掃查角為0°時的回波信號數(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個參與延時疊加計算的虛擬源，ii賦初值1。
[0020] 步驟5、計算步驟4中虛擬源至P(i, j)點的傾斜角0 n= atan(ii ? Ax/z s)，延時 時間t = (zs/cos 0 u-zj/c，沿Z軸檢測方向的延時采樣點數(shù)T = round(t/dt)，dt表示沿 檢測方向的采樣時間間隔，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虛擬源聲束擴散角0 t相除，并對結果 進行向上取整N = ceil ( 9 9 t)。
[0022] 步驟7、將步驟5中的變跡系數(shù)e加入延時疊加計算，計算公式為：
[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獲得的結果重新定義為初值SUM。，處理第ii+1個虛擬源，繼續(xù)執(zhí) 行步驟3至7,直至ii = Kn/2-l。
[0025]步驟9、對步驟8最終獲得的SUM進行均值處理，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)明的技術效果在于，對于水浸工件的超聲合成孔徑聚焦成像，通過采用虛擬 源技術，無需考慮聲束在水中和工件中傳播路徑、傳播聲速的變化，從而提高延時疊加計算 效率；通過基于角域虛擬源模型的延時疊加算法，實現(xiàn)超聲成像中合成孔徑技術與空間復 合技術的結合，通過一次延時疊加計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，降低斑點噪聲對成像的影響。
[0027] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
【附圖說明】
[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)明虛擬源內回波信號采集示意圖；
[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疊加計算流程圖；
[0034] 圖7為本發(fā)明【具體實施方式】中檢測試塊的實物圖；
[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。
【具體實施方式】
[0038] 本發(fā)明【具體實施方式】以鋁試塊的水浸超聲檢測為例，試塊實物圖如圖7所示，試 塊尺寸為120mmX