基于多角度立體匹配的高實(shí)時(shí)定量超聲檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公布了一種基于多角度立體匹配的高實(shí)時(shí)定量超聲檢測(cè)方法。針對(duì)目前超聲檢測(cè)設(shè)備缺陷精細(xì)定量化表征能力與檢測(cè)實(shí)時(shí)性之間存在的嚴(yán)重制約瓶頸，本發(fā)明首先引用有限元的基本思想將待檢試件柵格化，接著采用多個(gè)分別排布在空間內(nèi)不同方位上的超聲換能器來(lái)依次照射柵格單元，然后在獲得多通道超聲反射回波信號(hào)的基礎(chǔ)上，利用基于小波變換的多分辨率立體匹配關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了柔性協(xié)調(diào)缺陷精細(xì)定量化表征能力與檢測(cè)實(shí)時(shí)性之間的此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。本發(fā)明采集了多角度的超聲反射回波信號(hào)，具有信息量攜帶完備的優(yōu)勢(shì)，更有利于實(shí)現(xiàn)定量化檢測(cè)。由于采用小波變換的基本原理，本發(fā)明具有多分辨率和時(shí)頻域聯(lián)合分析能力，特別適合應(yīng)用于例如超聲波等時(shí)頻信號(hào)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于多角度立體匹配的高實(shí)時(shí)定量超聲檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)超聲檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于多角度立體匹配的高實(shí)時(shí)定量超聲檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]管道材料作為一種經(jīng)濟(jì)的成品原料，被廣泛地應(yīng)用到如船舶工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、汽車(chē)、石油化工、土木建筑以及市政供水供氣系統(tǒng)等等與人類(lèi)生產(chǎn)和生活息息相關(guān)的產(chǎn)業(yè)當(dāng)中。但是，隨著使用年限的增長(zhǎng)，腐蝕、疲勞等因素增加了管道發(fā)生泄漏甚至爆炸的可能性。因此，十分有必要采用超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展對(duì)管材實(shí)施出廠檢測(cè)和在役設(shè)備監(jiān)控，來(lái)減少意外造成的人員生命和財(cái)產(chǎn)的損失。
[0003]超聲無(wú)損檢測(cè)是一門(mén)古老的學(xué)科，由最初的定性檢測(cè)發(fā)展成目前日趨成熟的定量檢測(cè)技術(shù)。超聲定性檢測(cè)是利用超聲脈沖回波法得到A掃描波形，操作人員根據(jù)A掃描波形圖和自身經(jīng)驗(yàn)來(lái)大致判斷上是否存在缺陷以及缺陷的粗略位置；而超聲定量檢測(cè)是以A掃描波形為基礎(chǔ)，配合各種機(jī)械的掃查形式，形成了待檢試件橫、縱截面的二維成像結(jié)果，即B、C、S等掃描圖。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件地不斷發(fā)展，成像分辨率越來(lái)越高，雖然二維圖像已經(jīng)能夠在一定程度上反映缺陷的形狀、尺寸大小，但其存在的某些方面不足，還達(dá)不到人們對(duì)于精細(xì)化定量表征的要求。這些不足方面主要表現(xiàn)為，第一，由于超聲換能器數(shù)量、位置布置和掃查方式，決定了超聲換能器只有接收到來(lái)自單個(gè)方向上的回波信號(hào)，而上述的成像結(jié)果也只是對(duì)某一個(gè)截面的表征；若缺陷具有一定體積，那么對(duì)缺陷的側(cè)面和底面的信息攜帶不完備，對(duì)缺陷整體定量化程度低。第二，采用超聲掃描斷層成像方法，可以精確地表征體積型缺陷，如專(zhuān)利《超聲淺表組織與器官容積掃描斷層成像方法》(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201210197253.3);但超聲斷層掃描成像是基于多次B (或C)掃描圖的基礎(chǔ)上疊加而成，必然耗時(shí)，也需要更多的存儲(chǔ)硬件?？梢?jiàn)，缺陷的定量化精細(xì)表征是基于大批量回波信號(hào)提取豐富特征信息的過(guò)程；而對(duì)大量數(shù)據(jù)的采集、處理和分析的過(guò)程必然耗費(fèi)大量時(shí)間，喪失檢測(cè)實(shí)時(shí)性。正是因?yàn)槿毕荼碚鞯亩炕c檢測(cè)實(shí)時(shí)性存在這種嚴(yán)重的制約關(guān)系，奢望一種方法能同時(shí)具備高實(shí)時(shí)性和強(qiáng)定量化能力是不現(xiàn)實(shí)的，只有有效協(xié)調(diào)它們之間的關(guān)系，才能取得令人滿(mǎn)意的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在提出一種基于多角度立體匹配的高實(shí)時(shí)定量超聲檢測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)柔性協(xié)調(diào)超聲檢測(cè)定量化表征與檢測(cè)實(shí)時(shí)性之間此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題通過(guò)以下的技術(shù)方案予以解決:
基于多角度立體匹配的高實(shí)時(shí)定量超聲檢測(cè)方法，應(yīng)包括以下步驟:
步驟(I).將待檢試件劃分為大小可調(diào)整的柵格單元，作為缺陷重建與材料表征的基本單元。
[0006]步驟(2).在空間內(nèi)不同方位上排布兩個(gè)或兩個(gè)以上超聲換能器，調(diào)整超聲換能器姿態(tài)，使各個(gè)超聲換能器的聲束僅在柵格單元空間內(nèi)匯聚，并且每一束聲波從超聲換能器表面匯聚到柵格單元所經(jīng)歷的聲程一致。
[0007]步驟(3).同時(shí)激勵(lì)各個(gè)超聲換能器，根據(jù)步驟(2)要求，它們發(fā)出的聲波將在對(duì)應(yīng)柵格單元處形成能量最大的聲場(chǎng)。
[0008]步驟(4).利用總線型插卡式的多通道超聲檢測(cè)儀器，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和處理各個(gè)通道上的超聲反射回波信號(hào)。
[0009]步驟(5).采用基于小波變換的多分辨率立體匹配關(guān)聯(lián)，獲得對(duì)柵格單元的聲學(xué)特性表征，再配合上機(jī)械掃查，進(jìn)而以一系列這樣的柵格單元來(lái)表征材料甚至重建內(nèi)部缺陷。
[0010]步驟(6).應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)缺陷的實(shí)時(shí)表征顯示。
[0011]步驟(1)中所述的將待檢試件劃分為大小可調(diào)整的柵格單元，其具體實(shí)現(xiàn)方法如下:首先，按照默認(rèn)的粗分辨率對(duì)待檢試件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考察檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；若滿(mǎn)足結(jié)果顯示實(shí)時(shí)性的前提下，可以通過(guò)進(jìn)一步細(xì)分柵格，在整體上提高超聲精細(xì)定量化表征能力；在結(jié)果顯示實(shí)時(shí)性欠佳的時(shí)候，通過(guò)降低不感興趣區(qū)域的柵格劃分分辨率，使得改善實(shí)時(shí)性體驗(yàn)的同時(shí)，在感興趣區(qū)域內(nèi)仍保持較高的定量化表征能力。
[0012]步驟(2)中所述的在空間內(nèi)不同方位上排布兩個(gè)或兩個(gè)以上超聲換能器，其具體實(shí)現(xiàn)方法如下:兩個(gè)超聲換能器，則在一個(gè)平面內(nèi)分別置于X軸、Y軸方向；三個(gè)超聲換能器，則分別置于X軸、Y軸、Z軸方向；若超聲換能器數(shù)量超過(guò)三個(gè)，則在待檢試件上方，將超聲換能器排布成圓形；按照上述方式安置超聲換能器，可便于滿(mǎn)足步驟(2)所述的每一束聲波從超聲換能器表面匯聚到柵格單元所經(jīng)歷的聲程一致。另外，步驟(2)中所述的各個(gè)超聲換能器的聲束僅在柵格單元空間內(nèi)匯聚，其具體實(shí)現(xiàn)方法如下:超聲波具有指向性，其傳播的能量大部分在擴(kuò)散角20的范圍內(nèi)。根據(jù)超聲換能器的擴(kuò)散角26和超聲換能器表面離目標(biāo)柵格單元的距離/，可計(jì)算柵格處橫截面的聲束寬度S。把聲束寬度J和步驟(1)中劃分出柵格單元的尺寸進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)整超聲換能器表面離目標(biāo)柵格單元的距離，使得聲束寬度rf小于柵格單元的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)多束聲波僅在柵格單元空間內(nèi)匯聚。
[0013]公式I為:
【權(quán)利要求】
1.基于多角度立體匹配的高實(shí)時(shí)定量超聲檢測(cè)方法，其特征在該方法包括以下步驟:步驟(1).將待檢試件劃分為大小可調(diào)整的柵格單元，作為缺陷重建與材料表征的基本單元； 步驟(2).在空間內(nèi)不同方位上排布兩個(gè)或兩個(gè)以上超聲換能器，調(diào)整超聲換能器姿態(tài)，使各個(gè)超聲換能器的聲束僅在柵格單兀空間內(nèi)匯聚，并且每一束聲波從超聲換能器表面匯聚到柵格單元所經(jīng)歷的聲程一致； 步驟(3).同時(shí)激勵(lì)各個(gè)超聲換能器，根據(jù)步驟(2)要求，它們發(fā)出的聲波將在對(duì)應(yīng)柵格單元處形成能量最大的聲場(chǎng)； 步驟(4).利用總線型插卡式的多通道超聲檢測(cè)儀器，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和處理各個(gè)通道上的超聲反射回波信號(hào)； 步驟(5).采用基于小波變換的多分辨率立體匹配關(guān)聯(lián)，獲得對(duì)柵格單元的聲學(xué)特性表征，再配合上機(jī)械掃查，進(jìn)而以一系列這樣的柵格單元來(lái)表征材料甚至重建內(nèi)部缺陷；步驟(6).應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)缺陷的實(shí)時(shí)表征顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多角度立體匹配的高實(shí)時(shí)定量超聲檢測(cè)方法，其特征在于:步驟(1)中所述的將待檢試件劃分為大小可調(diào)整的柵格單元，其具體實(shí)現(xiàn)方法如下: 首先，按照默認(rèn)的粗分辨率對(duì)待檢試件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考察檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；若滿(mǎn)足結(jié)果顯示實(shí)時(shí)性的前提下，通過(guò)進(jìn)一步細(xì)分柵格，在整體上提高超聲精細(xì)定量化表征能力；在結(jié)果顯示實(shí)時(shí)性欠佳的時(shí)候，通過(guò)降低不感興趣區(qū)域的柵格劃分分辨率，使得改善實(shí)時(shí)性體驗(yàn)的同時(shí)，在感興趣區(qū)域內(nèi)仍保持較高的定量化表征能力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的基于多角度立體匹配的高實(shí)時(shí)定量超聲檢測(cè)方法，其特征在于:步驟(2)中所述的在空間內(nèi)不同方位上排布兩個(gè)或兩個(gè)以上超聲換能器，其具體實(shí)現(xiàn)方法如下: 兩個(gè)超聲換能器，則在一個(gè)平面內(nèi)分別置于X軸、Y軸方向；三個(gè)超聲換能器，則分別置于X軸、Y軸、Z軸方向；若超聲換能器數(shù)量超過(guò)三個(gè)，則在待檢試件上方，將超聲換能器排布成圓形；按照上述方式安置超聲換能器，滿(mǎn)足步驟(2)所述的每一束聲波從超聲換能器表面匯聚到柵格單元所經(jīng)歷的聲程一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多角度立體匹配的高實(shí)時(shí)定量超聲檢測(cè)方法，其特征在于:步驟(2)中所述的各個(gè)超聲換能器的聲束僅在柵格單元空間內(nèi)匯聚，其具體實(shí)現(xiàn)方法如下: 超聲波具有指向性，其傳播的能量大部分在擴(kuò)散角的范圍內(nèi)；根據(jù)超聲換能器的擴(kuò)散角?4和超聲換能器表面離目標(biāo)柵格單元的距離/，計(jì)算柵格處橫截面的聲束寬度^;把聲束寬度^和步驟(1)中劃分出柵格單元的尺寸進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)整超聲換能器表面離目標(biāo)柵格單元的距離使得聲束寬度j小于柵格單元的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)多束聲波僅在柵格單元空間內(nèi)匯聚；
f β\ 其中設(shè)=2_arcdii 1.22-，d =2*tin^).^表示波長(zhǎng)，￡)表示超聲換能器的有效晶片直
V徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多角度立體匹配的高實(shí)時(shí)定量超聲檢測(cè)方法，其特征在于:步驟(4)中所述總線型插卡式的多通道檢測(cè)儀器，其具體組成部分包括: 基于PXI總線的6U機(jī)箱，x86主板，以及多塊單通道超聲檢測(cè)板卡；這種多卡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多通道超聲反射回波信號(hào)的并行傳輸、存儲(chǔ)和處理；其中的單通道超聲檢測(cè)板卡包括:超聲發(fā)射激勵(lì)電路，超聲反射回波信號(hào)增益柔性調(diào)節(jié)電路，以及超聲反射回波信號(hào)采樣和數(shù)字信號(hào)處理單元；由超聲發(fā)射激勵(lì)電路發(fā)生高壓窄脈沖激勵(lì)信號(hào)，加載到超聲換能器使之受迫振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波；超聲反射回波由超聲接收換能器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸入到超聲反射回波信號(hào)增益柔性調(diào)節(jié)電路，實(shí)現(xiàn)改善信號(hào)SNR和提高缺陷回波信號(hào)幅值；經(jīng)過(guò)模擬增益調(diào)節(jié)后的回波信號(hào)將被AD采樣，并輸入到一塊現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA ;所有的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程將在FPGA中以并行流水線形式實(shí)現(xiàn)，大大提高了信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多角度立體匹配的高實(shí)時(shí)定量超聲檢測(cè)方法，其特征在于:步驟(5)中所述的基于小波變換的多分辨率立體匹配關(guān)聯(lián)，其具體實(shí)現(xiàn)方法如下: 應(yīng)用小波變換技術(shù)對(duì)各通道超聲反射回波信號(hào)進(jìn)行多分辨率分解；利用小波分解后各個(gè)子帶上的信號(hào)過(guò)零點(diǎn)來(lái)表征信號(hào)的特性；聯(lián)合多個(gè)通道的小波分解后的信號(hào)過(guò)零點(diǎn)作為立體匹配關(guān)聯(lián)的特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一柵格單元不同方向的超聲反射回波信號(hào)的相關(guān)性判別和融合，進(jìn)而利用具有相關(guān)性的不同方向缺陷柵格表征結(jié)果重建出缺陷的大小、形狀和取向等定量信息。
【文檔編號(hào)】G01N29/04GK103575808SQ201310528906
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】吳施偉, 武二永, 吳海騰, 金浩然, 呂福在, 楊克己 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)