一種用于鍛件裂紋定量識別的相位加權(quán)矢量全聚焦成像裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于鍛件裂紋定量識別的相位加權(quán)矢量全聚焦成像裝置及方法，首先，對全矩陣數(shù)據(jù)的相位信息進(jìn)行分析，從中提取出相位特征參數(shù)——相位一致因子；然后，將全陣列劃分為若干子陣列，利用提出的相位特征參數(shù)對每一子陣列的成像幅值進(jìn)行加權(quán)，得到其相位加權(quán)成像幅值矩陣，將兩者相乘進(jìn)一步得到每一子陣列的加權(quán)特征向量；最后，對所有子陣列的加權(quán)特征向量進(jìn)行合成，并對合成特征矢量的幅值進(jìn)行全局化處理，即令合成特征矢量的幅值等于全陣列所得的相位加權(quán)成像在任意成像點處的幅值，便可得到全陣列在任意成像點處的幅值矢量；最終根據(jù)缺陷的位置提取目標(biāo)缺陷的局部矢量圖，利用局部矢量圖中矢量的方向來確定目標(biāo)缺陷的方向。
【專利說明】
一種用于鍛件裂紋定量識別的相位加權(quán)矢量全聚焦成像裝置 及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于相位加權(quán)的矢量全聚焦成像方法，特別是用于鍛件裂紋定量 識別的超聲陣列檢測方法，屬于無損檢測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鍛件是國家重大技術(shù)裝備和重大工程所必需的重要基礎(chǔ)部件，其在核電站的壓力 容器、發(fā)電機(jī)組的低壓轉(zhuǎn)子以及各種重型機(jī)械的核心部件中均得到了廣泛的應(yīng)用。隨著國 民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大型鍛件的需求量也將越來越大。在實際工程應(yīng)用中，由于工作環(huán)境惡 劣，大型鍛件常需承受復(fù)雜的應(yīng)力、沖擊振動和重負(fù)載荷。同時，由于大型鍛件的生產(chǎn)工序 多、生產(chǎn)周期長，故影響其質(zhì)量的因素也較多，這使得大型鍛件在生產(chǎn)過程中將不可避免地 出現(xiàn)這樣那樣的缺陷，鍛件中存在缺陷將顯著地降低其力學(xué)性能，甚至在使用過程中還會 發(fā)生斷裂，造成嚴(yán)重的安全與質(zhì)量事故。
[0003] 裂紋類缺陷是鍛件中常見的缺陷之一，由于裂紋具有方向性，而不同方向的裂紋 對結(jié)構(gòu)危害性不盡相同，當(dāng)裂紋方向與結(jié)構(gòu)承載相垂直時，裂紋的危害最大，結(jié)構(gòu)極易發(fā)生 突然斷裂。因此，及時對結(jié)構(gòu)中裂紋類缺陷進(jìn)行檢測及方向識別，對于預(yù)測結(jié)構(gòu)的壽命、及 時維修或更換零部件、保證設(shè)備安全具有重要的意義。
[0004] 超聲相控陣檢測技術(shù)采用由多個(一般大于16)陣元組成的陣列換能器，通過電子 技術(shù)控制各陣元的超聲激勵接收延時，實現(xiàn)聲束在試件內(nèi)部的定向偏轉(zhuǎn)及聚焦。利用商用 相控陣檢測系統(tǒng)可十分方便地對構(gòu)件進(jìn)行實時成像，實現(xiàn)對回波信號的A型、B型、電子B型、 C型、D型及S型實時檢測成像，但在保證成像實時性的同時，其檢測精度和缺陷表征能力卻 極為有限。
[0005] 近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣后處理成像技術(shù)得到了長足的發(fā)展。 超聲相控陣后處理成像技術(shù)通過對采集到的陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理，來獲得高精度的成像 效果，屬于一種非實時的檢測成像方法。通過對相控陣檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理成像，可以提高 超聲相控陣檢測的精度和缺陷識別能力。國內(nèi)外學(xué)者對相控陣全矩陣數(shù)據(jù)后處理方法進(jìn)行 了大量卓有成效的研究。例如，2009年期刊論文"Phase coherence imaging"通過對陣列數(shù) 據(jù)的相位分布進(jìn)行分析，提出了一種抑制旁瓣和柵瓣，提高成像分辨率的超聲陣列成像方 法--相位加權(quán)成像方法，該方法只能對結(jié)構(gòu)中缺陷進(jìn)行定位檢測，卻不能實現(xiàn)缺陷的特 征識別。2014碩士論文"基于矢量全聚焦的超聲陣列缺陷識別方法研究及其應(yīng)用"中對基于 幅值的矢量全聚焦成像及其影響因素進(jìn)行了深入的研究，優(yōu)化出了最佳的檢測參數(shù)，實現(xiàn) 了裂紋的方向識別、長度測定。2008年期刊論文"Defect characterization using an ultrasonic array to measure the scattering coefficientmatrix"通過對缺陷音夂身才系 數(shù)矩陣分析，提出了基于散射系數(shù)矩陣的缺陷特征識別方法，實現(xiàn)了對孔和裂紋的區(qū)分及 裂紋缺陷方向、大小的測定。針對常規(guī)矢量全聚焦成像方法僅利用信號幅值信息，其成像質(zhì) 量受噪聲影響大的特點，本發(fā)明綜合利用全矩陣數(shù)據(jù)的幅值和相位信息，提出一種基于相 位加權(quán)的矢量全聚焦成像方法，實現(xiàn)鍛件中裂紋方向識別及長度定量測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種用于鍛件裂紋定量識別的基于相位加權(quán)的矢量全聚 焦成像方法。首先，對全矩陣數(shù)據(jù)的相位信息進(jìn)行分析，提取出相位特征參數(shù)一一相位一致 因子(PCF);然后，將全陣列劃分為若干子陣列，利用提出的相位特征參數(shù)對各個子陣列的 成像幅值進(jìn)行加權(quán)，求取加權(quán)幅值特征向量;最后，對所有子陣列的加權(quán)特征向量進(jìn)行合 成，得到相位加權(quán)的矢量全聚焦成像，并從中提取出裂紋方向及尺寸等特征信息。
[0007] 本專利的優(yōu)勢在于綜合利用檢測信號的幅值和相位信息，克服了僅利用幅值信息 時，成像結(jié)果受噪聲、旁瓣和柵瓣等的影響大，信噪比和分辨率低，缺陷定量誤差大的缺點， 是一種高精度陣列成像方法。
[0008] 利用該方法對鍛件進(jìn)行檢測時，其檢測系統(tǒng)為超聲相控陣檢測裝置，如圖1所示。 該超聲相控陣檢測裝置包括計算機(jī)1、相控陣檢測儀2、相控陣換能器3、待檢測試件4、活動 卡頭5、卡槽6、待檢測試件平臺7、連接塊8、絲杠9、活動支座10、連接桿11、驅(qū)動電機(jī)12、底座 13;其中，相控陣檢測儀2-端與計算機(jī)1連接，另一端與相控陣換能器3連接，相控陣換能器 3與待檢測試件4通過耦合介質(zhì)進(jìn)行耦合。
[0009] 待檢測試件4放置在待檢測試件平臺7上，待檢測試件平臺7上開有垂直相交的兩 條卡槽6，卡槽6內(nèi)安裝有活動卡頭5，活動卡頭5能夠沿卡槽6自由調(diào)節(jié)，待檢測試件4通過活 動卡頭5進(jìn)行卡緊固定;待檢測試件平臺7的底部安裝有連接塊8,連接塊8的底部通過螺紋 配合與絲杠9相連;絲杠9安裝在四組對稱的活動支座10上，活動支座10與連接桿11相連接， 連接桿11為豎直方向上的升降機(jī)構(gòu)，驅(qū)動電機(jī)12通過減速器與連接桿11相連接;驅(qū)動電機(jī) 12、連接桿11均安裝在底座13內(nèi)。
[0010] 所述相控陣換能器3的探頭由32個陣元組成。
[0011] 在計算機(jī)1的控制下相控陣檢測儀2中的激勵/接收模塊產(chǎn)生激勵信號，通過相控 陣換能器3(32個陣元組成的線陣相控陣探頭)激勵出超聲波信號，沿待檢測試件4傳播，并 通過相控陣換能器3接收反射的超聲波信號，然后通過相控陣檢測儀2中的信號激勵/接收 模塊傳輸?shù)接嬎銠C(jī)1中，通過計算機(jī)中與之配套的采集軟件即可采集時域信號。
[0012] 本發(fā)明提出的基于相位加權(quán)的矢量全聚焦成像方法，其基本原理在于：
[0013] 假設(shè)線性陣列換能器陣元的個數(shù)為N，那么就會得到NXN組全矩陣數(shù)據(jù)h^(t)，其 中，i表示激勵陣元，j表示接收陣元。
[0014] 通過構(gòu)造復(fù)解析函數(shù)HdOzHMtHjHQdt)，便可得到信號的瞬時相位，公式 如下：
[0016] 其中HMt)稱為同相分量，是信號h^(t)本身;HQjt)稱為正交分量，是原信號的 希爾伯特變換。
[0017] 進(jìn)一步將吟歸一化到[-π,π]，由于歸一化后的相位具有周期性，因此相位在穿過-和的邊界變化時，會出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象。這種不連續(xù)性導(dǎo)致了原本在邊界附近變化不大 的相位卻發(fā)生了巨大的變化，為了避免此種情況的出現(xiàn)，在此引入輔助相位科/⑷，其公式如 下：
[0019] 這樣處理之后就會使接近±31的相位轉(zhuǎn)變成接近于〇。當(dāng)激勵陣元為i時，對N個接 收陣元計算得到的原始相位羚的和輔助相位分別計算標(biāo)準(zhǔn)差，取兩者中的較小者作 為相位變化的評價值。則相位變化的評價函數(shù)如下式所示：
[0020] sf, (f) = min[σ(^,(?)),σ(?1 (0}] (3 >
[0021] 根據(jù)以上推導(dǎo)，進(jìn)一步給出相位一致因子的定義式：
[0023] 式中，γ是調(diào)節(jié)因子;是[-π,π]之間均勻分布的標(biāo)準(zhǔn)差，σ〇~1.8。當(dāng)成像點為非 聚焦點時，由于得到的Ν個相位值是不一樣的，因此奸辦）>0,所以PCFdtXl;當(dāng)成像點恰 好為聚焦點時，得到的N個相位值是一樣的，故sfi(t) = 0，進(jìn)而PCFi(t) = 1，由此可知，相位 一致因子會抑制非聚焦點的幅值，而保留聚焦點的幅值。
[0024] 設(shè)F為任意成像點，其坐標(biāo)為(x，z)，當(dāng)激勵陣元為i時，其對應(yīng)的PCF因子記作PCFi (X，z)，用得到的PCFi對合成輸出",(〃)=1,/λ'Ζ hU.:，進(jìn)行加權(quán);最終將加權(quán)后的幅值 進(jìn)行疊加。因此，可得任意成像點處的幅值公式IPCF(X，z)，如下式所示：
[0026]式中，tij(x，z)代表聲波從第i個陣元激勵傳播到成像點F，再被第j個陣元接收所 需要的時間，可由特定的延遲時間公式計算獲得。t^(X，Z)的計算由兩點間的距離除以波速 c即可得到：
[0028] 將上述相位加權(quán)成像的基本思想引入到矢量全聚焦成像中，通過構(gòu)造子陣列來實 現(xiàn)基于相位的矢量全聚焦成像。現(xiàn)假設(shè)N個陣元為一個全陣列，將該陣列劃分為K個子陣列， 每個子陣列中含有η個陣元(n<N)，相鄰兩個子陣列間的陣元個數(shù)為m(m<N)。則第k個子陣 列對應(yīng)的陣元在全陣列中的序號最小值為l+m(k-l)，最大值為n+m(k-l)，其中，k=l，2， 3 · · · K〇
[0029] 利用下式可得第k個子陣列在任意成像點的特征矢量為
[0030] (7)
[0031] 其中，/怎(.〇為第k個子陣列的相位加權(quán)成像公式，#為第k個子陣列單位 方向矢量，公式如下：
[0034]式中，％是第i個陣元激勵超聲波入射到任意成像點后經(jīng)第j個陣元接收形成的法 線方向的單位方向矢量，依據(jù)反射定理可知，該單位方向矢量的方向會與反射面垂直，具體 計算公式可表示為：
[0036]在得到每個子陣列的特征矢量后，對所有子陣列的特征矢量進(jìn)行合成，以 獲得準(zhǔn)確的缺陷方向信息。若對得到的子陣列特征矢量進(jìn)行簡單地疊加，會使計算得到的 缺陷方向偏離反射能量最強(qiáng)的方向，使得裂紋方向誤差較大。為了獲得準(zhǔn)確的裂紋方向信 息，應(yīng)使合成后的特征矢量方向接近反射能量最強(qiáng)的方向。為此，在矢量求和過程中引入加 權(quán)因子，合成后的特征矢暈表示為：
[0038] 式中，α為子陣列特征矢量合成加權(quán)因子。
[0039] 為提高缺陷檢測精度及對小缺陷的識別能力，對矢量合成后成像點F處的特征矢 量du二)幅值進(jìn)行全局化處理，即令合成后特征矢量幅值等于相位加權(quán)成像得到的成像點 處的幅值，這樣處理后，全陣列在聚焦點(x，z)處的矢量成像特征矢量可表示為：
[0041 ]矢量成像特征矢量p U3)的方向與該點處的反射面能量最強(qiáng)的方向平行，因此，可 提取出缺陷的方向信息。
[0042] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于相位加權(quán)的矢量全聚焦成像 方法，具體可以按照以下步驟實施檢測，方法流程如圖2所示。
[0043] 步驟一:在如圖1所示的檢測裝置下進(jìn)行實驗，其中，實驗所用陣列換能器中心頻 率為f，陣元總個數(shù)為N，單個陣元的寬度為a，相鄰兩陣元的中心距離為p，超聲波在被測試 件中的傳播波速為c，則波長A = c/f。通過全矩陣模式采集得到時域信號h^(t)(i = l，2， 3· · ·Ν;」= 1，2,3· · ·Ν)，其中，下標(biāo)i表示陣列換能器中第i個陣元激勵，j表示陣列換 能器中第j個陣元接收。
[0044] 步驟二:對采集到的時域信號h^(t)進(jìn)行希爾伯特變換得到信號的包絡(luò)線，將此時 得到的信號稱為包絡(luò)信號g^(t)。
[0045] 步驟三:建立成像坐標(biāo)系，如圖3所示。其中，圖中〇為坐標(biāo)原點，X軸表示與換能器 位置平行的方向，z軸表示與換能器位置垂直的方向。定義第i個激勵陣元到成像點的向量 4，.第j個接收陣元到成像點f的向量〇以向量4.為例，豸表示向量4的模，(?表示向量 爲(wèi)在1軸方向上的分量，PI表示向量&在2軸方向上的分量，后續(xù)步驟公式中的其它向量 也是類似表示。
[0046]步驟四：將全部陣列數(shù)據(jù)按激勵、接收陣元與成像點的傳播距離計算聲波傳播時 間tij(X，z)，在每個成像點位置進(jìn)行聚焦;并計算每個激勵陣元i對應(yīng)的相位一致因子PCFi， 用得到的PCFi對合成輸出?Μχ,ζ)進(jìn)行加權(quán);最終將加權(quán)后的幅值進(jìn)行疊加，即可利用公式 (5)得到任意成像點的幅值I p c f (X，ζ)。
[0047]步驟五:構(gòu)造子陣列。將陣元總數(shù)為Ν的陣列換能器中多個連續(xù)的陣元作為一個子 陣列，對應(yīng)的時域信號稱為子陣列數(shù)據(jù)。將該陣列換能器劃分為Κ個子陣列，每個子陣列中 含有η個陣元(η<Ν)，相鄰兩個子陣列間的陣元個數(shù)為m(m<N)。則第k個子陣列對應(yīng)的陣元 在全陣列中的序號最小值為l+m(k-l)，最大值為n+m(k-l)，其中，k=l，2,3. . .K。
[0048] 步驟六:計算每個子陣列在任意成像點的幅值矢量
[0049] 根據(jù)步驟五劃分好的子陣列，計算每個子陣列在任意成像點的幅值矢量，可分為 以下幾步：
[0050] 1.根據(jù)每個子陣列中對應(yīng)的激勵、接收陣元，重復(fù)步驟四，公式中下標(biāo)i，j的最小 值為l+m(k-l)，最大值為n+m(k-l)，利用公式(8)可得到每個子陣列在任意成像點處矢量的 幅值/#(.〇 ( & = 12,3··I )，其中，上標(biāo)k表示第k個子陣列。
[0051] 2.根據(jù)每個子陣列對應(yīng)的激勵、接收陣元到成像點的位置向量i，利用公式 (9)可得到每個子陣列在每個成像點的單位方向矢量，
[0052] 3.將上兩步中得到的《叫χ,ζ)和(u)對應(yīng)相乘即可得到每個子陣列在任意成像 點處的幅值矢量#^U)，其表達(dá)式為(7)。
[0053] 步驟七:對步驟六中k個子陣列的幅值矢量#>以，4進(jìn)行合成，利用公式（11)得到k 個子陣列在每個成像點的合成幅值矢量,,
[0054] 步驟八:將合成幅值矢量二)進(jìn)行單位化，然后乘以步驟四中的IPCF(X，Z)，利用 公式(12)可得到在全陣列N下每個成像點的幅值矢量
[0055] 步驟九:將步驟八中的全陣列在任意成像點的幅值矢量進(jìn)行成像顯示，可得 到全陣列在任意成像點的全局矢量成像圖。
[0056] 步驟十:根據(jù)步驟九中的矢量圖，確定目標(biāo)缺陷的位置，提取目標(biāo)缺陷的局部矢量 圖F ;然后將步驟四中的幅值IPCF(X，z)進(jìn)行dB處理，找出局部矢量圖中幅值的最大值，求解 最大值下降_6dB所對應(yīng)的成像區(qū)域面積。最后根據(jù)局部矢量圖中矢量的方向與目標(biāo)缺陷垂 直，依據(jù)幾何關(guān)系，目標(biāo)缺陷的方向可通過公式(13)計算得出。
[0058]式中，下標(biāo)X，表示合成后最終的全聚焦幅值矢量f在X方向上的分量;下標(biāo)z，表示 合成后最終的全聚焦幅值矢量f在z方向上的分量;A-6dB，缺陷成像區(qū)域內(nèi)，由成像幅值最大 值下降-6dB所對應(yīng)的成像區(qū)域面積。arctan函數(shù)為數(shù)學(xué)中的反正切函數(shù)，0 m表示矢量與z軸 正向的夾角，即等于缺陷與X軸正向的夾角。
【附圖說明】
[0059] 圖1為本發(fā)明的檢測裝置框圖
[0060] 圖2為本發(fā)明方法的流程圖
[0061 ]圖3為本發(fā)明方法實施例中建立的成像坐標(biāo)系 [0062]圖4為鍛件的局部矢量全聚焦圖
[0063] 圖5為鍛件的局部矢量全聚焦圖的放大圖
[0064] 圖中：1、計算機(jī)，2、相控陣檢測儀，3、相控陣換能器，4、待檢測試件，5、活動卡頭， 6、卡槽，7、待檢測試件平臺，8、連接塊，9、絲杠，10、活動支座，11、連接桿，12、驅(qū)動電機(jī)，13、 底座。
【具體實施方式】
[0065] 本發(fā)明提出的基于相位加權(quán)的矢量全聚焦成像方法，其基本原理在于：
[0066] 假設(shè)線性陣列換能器陣元的個數(shù)為N，那么就會得到NXN組全矩陣數(shù)據(jù)h^(t)，其 中，i表示激勵陣元，j表示接收陣元。
[0067]通過構(gòu)造復(fù)解析函數(shù)便可得到信號的瞬時相位，公式 如下：
[0069]其中HMt)稱為同相分量，是信號h^(t)本身;HQjt)稱為正交分量，是原信號的 希爾伯特變換。
[0070] 進(jìn)一步將％歸一化到[-m]，由于歸一化后的相位具有周期性，因此相位在穿過-和η的邊界變化時，會出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象。這種不連續(xù)性導(dǎo)致了原本在邊界附近變化不大 的相位卻發(fā)生了巨大的變化，為了避免此種情況的出現(xiàn)，在此引入輔助相位識/(0,其公式如 下：
[0072]這樣處理之后就會使接近±31的相位轉(zhuǎn)變成接近于〇。當(dāng)激勵陣元為i時，對N個接 收陣元計算得到的原始相位灼(0和輔助相位仍/(0分別計算標(biāo)準(zhǔn)差，取兩者中的較小者作 為相位變化的評價值。則相位變化的評價函數(shù)如下式所示：
[0073] = (3)
[0074] 根據(jù)以上推導(dǎo)，進(jìn)一步給出相位一致因子的定義式：
[0076]式中，γ是調(diào)節(jié)因子;是[-π,π]之間均勻分布的標(biāo)準(zhǔn)差，σ〇~1.8。當(dāng)成像點為非 聚焦點時，由于得到的N個相位值是不一樣的，因此奸辦）>0,所以PCFdtXl;當(dāng)成像點恰 好為聚焦點時，得到的N個相位值是一樣的，故sfi(t) = 0，進(jìn)而PCFi(t) = 1，由此可知，相位 一致因子會抑制非聚焦點的幅值，而保留聚焦點的幅值。
[0077]設(shè)F為任意成像點，其坐標(biāo)為(x，z)，當(dāng)激勵陣元為i時，其對應(yīng)的PCF因子記作PCFi (X，z)，用得到的PCFi對合成輸出乂 = ι/λ Ζ : (L-7))進(jìn)行加權(quán);最終將加權(quán)后的幅值 進(jìn)行疊加。因此，可得任意成像點處的幅值公式IPCF(X，z)，如下式所示：
[0079]式中，?^(Χ，Ζ)代表聲波從第i個陣元激勵傳播到成像點F，再被第j個陣元接收所 需要的時間，可由特定的延遲時間公式計算獲得。t^(X，Z)的計算由兩點間的距離除以波速 c即可得到：
[0081] 將上述相位加權(quán)成像的基本思想引入到矢量全聚焦成像中，通過構(gòu)造子陣列來實 現(xiàn)基于相位的矢量全聚焦成像?，F(xiàn)假設(shè)N個陣元為一個全陣列，將該陣列劃分為K個子陣列， 每個子陣列中含有η個陣元(n<N)，相鄰兩個子陣列間的陣元個數(shù)為m(m<N)。則第k個子陣 列對應(yīng)的陣元在全陣列中的序號最小值為l+m(k-l)，最大值為n+m(k-l)，其中，k=l，2， 3..,K〇
[0082] 利用下式可得第k個子陣列在任意成像點的特征矢量為#
[0083] va\x,z) = n-lt)(x^)i，A'f(^=) (7)
[0084] 其中，為第k個子陣列的相位加權(quán)成像公式，^(.w)為第k個子陣列單位 方向矢量，公式如下：
[0087]式中，是第i個陣元激勵超聲波入射到任意成像點后經(jīng)第j個陣元接收形成的法 線方向的單位方向矢量，依據(jù)反射定理可知，該單位方向矢量的方向會與反射面垂直，具體 計算公式可表示為：
[0089]在得到每個子陣列的特征矢量后，對所有子陣列的特征矢量進(jìn)行合成，以 獲得準(zhǔn)確的缺陷方向信息。若對得到的子陣列特征矢量進(jìn)行簡單地疊加，會使計算得到的 缺陷方向偏離反射能量最強(qiáng)的方向，使得裂紋方向誤差較大。為了獲得準(zhǔn)確的裂紋方向信 息，應(yīng)使合成后的特征矢量方向接近反射能量最強(qiáng)的方向。為此，在矢量求和過程中引入加 權(quán)因子，合成后的特征矢量表示為：
[0091] 式中，α為子陣列特征矢量合成加權(quán)因子。
[0092] 為提高缺陷檢測精度及對小缺陷的識別能力，對矢量合成后成像點F處的特征矢 量幅值進(jìn)行全局化處理，即令合成后特征矢量幅值等于相位加權(quán)成像得到的成像點 處的幅值，這樣處理后，全陣列在聚焦點(x，z)處的矢量成像特征矢量可表示為：
[0094] 矢量成像特征矢量fU. 4的方向與該點處的反射面能量最強(qiáng)的方向平行，因此，可 提取出缺陷的方向信息。
[0095] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種基于相位加權(quán)的矢量全聚焦成像 方法，具體可以按照以下步驟實施檢測，方法流程如圖2所示。
[0096] 步驟一:在如圖1所示的檢測裝置下進(jìn)行實驗，其中，實驗所用陣列換能器中心頻 率為f，陣元總個數(shù)為N，單個陣元的寬度為a，相鄰兩陣元的中心距離為p，超聲波在被測試 件中的傳播波速為c，則波長A = c/f。通過全矩陣模式采集得到時域信號h^(t)(i = l，2， 3...化」=1，2,3...?，其中，下標(biāo)1表示陣列換能器中第1個陣元激勵，」表示陣列換能器中 第j個陣元接收。
[0097] 步驟二:對采集到的時域信號h^(t)進(jìn)行希爾伯特變換得到信號的包絡(luò)線，將此時 得到的信號稱為包絡(luò)信號g^(t)。
[0098]步驟三:建立成像坐標(biāo)系，如圖3所示。其中，圖中〇為坐標(biāo)原點，X軸表示與換能器 位置平行的方向，z軸表示與換能器位置垂直的方向。定義第i個激勵陣元到成像點的向量 4:，第j個接收陣元到成像點f的向量毛以向量藏為例，4|表示向量.4的模，(?表示向量 在X軸方向上的分量，表示向量^在2軸方向上的分量，后續(xù)步驟公式中的其它向量也是 類似表示。
[0099] 步驟四：將全部陣列數(shù)據(jù)按激勵、接收陣元與成像點的傳播距離計算聲波傳播時 間tij(X，z)，在每個成像點位置進(jìn)行聚焦;并計算每個激勵陣元i對應(yīng)的相位一致因子PCFi， 用得到的PCFi對合成輸出?Μχ,ζ)進(jìn)行加權(quán);最終將加權(quán)后的幅值進(jìn)行疊加，即可利用公式 (5)得到任意成像點的幅值I p c f (X，ζ)。
[0100] 步驟五:構(gòu)造子陣列。將陣元總數(shù)為Ν的陣列換能器中多個連續(xù)的陣元作為一個子 陣列，對應(yīng)的時域信號稱為子陣列數(shù)據(jù)。將該陣列換能器劃分為Κ個子陣列，每個子陣列中 含有η個陣元(η<Ν)，相鄰兩個子陣列間的陣元個數(shù)為m(m<N)。則第k個子陣列對應(yīng)的陣元 在全陣列中的序號最小值為l+m(k-l)，最大值為n+m(k-l)，其中，k=l，2,3. . .K。
[0101] 步驟六:計算每個子陣列在任意成像點的幅值矢量#Μχρ)。
[0102] 根據(jù)步驟五劃分好的子陣列，計算每個子陣列在任意成像點的幅值矢量，可分為 以下幾步：
[0103] 1.根據(jù)每個子陣列中對應(yīng)的激勵、接收陣元，重復(fù)步驟四，公式中下標(biāo)i，j的最小 值為l+m(k-l)，最大值為n+m(k-l)，利用公式(8)可得到每個子陣列在任意成像點處矢量的 幅值45dα = 1,2,3…),其中，上標(biāo)k表示第k個子陣列。
[0104] 2.根據(jù)每個子陣列對應(yīng)的激勵、接收陣元到成像點的位置向量^，利用公式 (9)可得到每個子陣列在每個成像點的單位方向矢量
[0105] 3.將上兩步中得到的#和CUO對應(yīng)相乘即可得到每個子陣列在任意成像 點處的幅值矢量# > (.V，其表達(dá)式為(7)。
[0106] 步驟七:對步驟六中k個子陣列的幅值矢量進(jìn)行合成，利用公式（11)得到k 個子陣列在每個成像點的合成幅值矢量。
[0107] 步驟八:將合成幅值矢量ο?αι進(jìn)行單位化，然后乘以步驟四中的IPCF(X，Z)，利用 公式(12)可得到在全陣列N下每個成像點的幅值矢量Ρ^,:ζΚ
[0108] 步驟九:將步驟八中的全陣列在任意成像點的幅值矢量?、^進(jìn)行成像顯示，可得 到全陣列在任意成像點的全局矢量成像圖。
[0109] 步驟十:根據(jù)步驟九中的矢量圖，確定目標(biāo)缺陷的位置，提取目標(biāo)缺陷的局部矢量 圖f ;然后將步驟四中的幅值IPCF(X，z)進(jìn)行dB處理，找出局部矢量圖中幅值的最大值，求解 最大值下降_6dB所對應(yīng)的成像區(qū)域面積。最后根據(jù)局部矢量圖中矢量的方向與目標(biāo)缺陷垂 直，依據(jù)幾何關(guān)系，目標(biāo)缺陷的方向可通過公式(13)計算得出。
[0111]式中，下標(biāo)X，表示合成后最終的全聚焦幅值矢量f在X方向上的分量;下標(biāo)Z，表示 合成后最終的全聚焦幅值矢量交在Z方向上的分量;A-6dB，缺陷成像區(qū)域內(nèi)，由成像幅值最大 值下降-6dB所對應(yīng)的成像區(qū)域面積。arctan函數(shù)為數(shù)學(xué)中的反正切函數(shù)，0 m表示矢量與z軸 正向的夾角，即等于缺陷與X軸正向的夾角。
【主權(quán)項】
1. 一種用于鍛件裂紋定量識別的相位加權(quán)矢量全聚焦成像裝置，其特征在于：該裝置 包括計算機(jī)（1)、相控陣檢測儀(2)、相控陣換能器(3)、待檢測試件(4)、活動卡頭(5)、卡槽 (6)、待檢測試件平臺（7)、連接塊(8)、絲杠(9)、活動支座（10)、連接桿（11)、驅(qū)動電機(jī)(12)、 底座（13);其中，相控陣檢測儀(2)-端與計算機(jī)(1)連接，另一端與相控陣換能器(3)連接， 相控陣換能器(3)與待檢測試件(4)通過禪合介質(zhì)進(jìn)行禪合； 待檢測試件(4)放置在待檢測試件平臺（7)上，待檢測試件平臺（7)上開有垂直相交的 兩條卡槽(6)，卡槽(6)內(nèi)安裝有活動卡頭(5)，活動卡頭(5)能夠沿卡槽(6)自由調(diào)節(jié)，待檢 測試件(4)通過活動卡頭(5)進(jìn)行卡緊固定;待檢測試件平臺（7)的底部安裝有連接塊(8)， 連接塊(8)的底部通過螺紋配合與絲杠(9)相連;絲杠(9)安裝在四組對稱的活動支座（10) 上，活動支座（10)與連接桿（11)相連接，連接桿（11)為豎直方向上的升降機(jī)構(gòu)，驅(qū)動電機(jī) (12)通過減速器與連接桿(11)相連接，驅(qū)動電機(jī)(12 )、連接桿(11)均安裝在底座(13)內(nèi)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鍛件裂紋定量識別的相位加權(quán)矢量全聚焦成像裝 置，其特征在于:所述相控陣換能器(3)的探頭由32個陣元組成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于鍛件裂紋定量識別的相位加權(quán)矢量全聚焦成像裝 置，其特征在于:在計算機(jī)（1)的控制下相控陣檢測儀(2)中的激勵/接收模塊產(chǎn)生激勵信 號，通過相控陣換能器(3)激勵出超聲波信號，沿待檢測試件4傳播，并通過相控陣換能器 (3)接收反射的超聲波信號，然后通過相控陣檢測儀(2)中的信號激勵/接收模塊傳輸?shù)接?算機(jī)(1)中，通過計算機(jī)中與之配套的采集軟件即可采集時域信號。4. 利用權(quán)利要求1所述的成像裝置進(jìn)行的一種用于鍛件裂紋定量識別的相位加權(quán)矢量 全聚焦成像方法，該方法的基本原理如下： 假設(shè)線性陣列換能器陣元的個數(shù)為N，那么就會得到NXN組全矩陣數(shù)據(jù)hu(t)，其中，i 表示激勵陣元，j表示接收陣元； 通過構(gòu)造復(fù)解析函數(shù)出^*)=^4(*)+^·冊u(t)，便可得到信號的瞬時相位，公式如下：(!； 其中Hlu(t)稱為同相分量，是信號hu(t)本身;朋1如)稱為正交分量，是原信號的希爾 伯特變換； 進(jìn)一步將輝歸一化到[-n，n]，由于歸一化后的相位具有周期性，因此相位在穿過-31和31 的邊界變化時，會出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象;運種不連續(xù)性導(dǎo)致了原本在邊界附近變化不大的相 位卻發(fā)生了巨大的變化，為了避免此種情況的出現(xiàn)，在此引入輔助相位皆似，其公式如下：(2) 運樣處理之后就會使接近±n的相位轉(zhuǎn)變成接近于0;當(dāng)激勵陣元為i時，對N個接收陣 元計算得到的原始相位％(0和輔助相位巧/的分別計算標(biāo)準(zhǔn)差，取兩者中的較小者作為相 位變化的評價值;則相位變化的評價函數(shù)如下式所示：(3) 根據(jù)w上推導(dǎo)，進(jìn)一步給出相位一致因子的定義式：(4) 式中，丫是調(diào)節(jié)因子;〇日是[-K川之間均勻分布的標(biāo)準(zhǔn)差，則>1.8;當(dāng)成像點為非聚焦 點時，由于得到的N個相位值是不一樣的，因此sfi(t)>0,所WP化(t)<l;當(dāng)成像點恰好為 聚焦點時，得到的N個相位值是一樣的，故sf i(t) = 0，進(jìn)而PCFi(t) = 1，由此可知，相位一致 因子會抑制非聚焦點的幅值，而保留聚焦點的幅值； 設(shè)F為任意成像點，其坐標(biāo)為(x，z)，當(dāng)激勵陣元為i時，其對應(yīng)的PCF因子記作PCFiU, Z)，用得到的PCFi對合成輸出巧行加權(quán);最終將加權(quán)后的幅值進(jìn) 行疊加;因此，可得任意成像點處的幅值公式Ipcf(x，z)，如下式所示：(5J 式中，tu(x，z)代表聲波從第i個陣元激勵傳播到成像點F，再被第j個陣元接收所需要 的時間，可由特定的延遲時間公式計算獲得;tu(x，z)的計算由兩點間的距離除W波速C即 可得到：梯) 將上述相位加權(quán)成像的基本思想引入到矢量全聚焦成像中，通過構(gòu)造子陣列來實現(xiàn)基 于相位的矢量全聚焦成像;現(xiàn)假設(shè)N個陣元為一個全陣列，將該陣列劃分為K個子陣列，每個 子陣列中含有η個陣元(n<N)，相鄰兩個子陣列間的陣元個數(shù)為m(m<N);則第k個子陣列對 應(yīng)的陣元在全陣列中的序號最小值為1+m化-1)，最大值為n+m化-1 )，其中，k=l，2,3...K; 利用下式可得第k個子陣列在任意成像點的特征矢量為V-"'屯，Z):(7) 其中，為第k個子陣列的相位加權(quán)成像公式，心?ι(χ，3)為第k個子陣列單位方向矢 量，公式如下：式中，:?是第i個陣元激勵超聲波入射到任意成像點后經(jīng)第j個陣元接收形成的法線方 向的單位方向矢量，依據(jù)反射定理可知，該單位方向矢量的方向會與反射面垂直，具體計算 公式可表示為：(10、 在得到每個子陣列的特征矢量佔巧后，對所有子陣列的特征矢量進(jìn)行合成，w獲得 準(zhǔn)確的缺陷方向信息；若對得到的子陣列特征矢量進(jìn)行簡單地疊加，會使計算得到的缺陷 方向偏離反射能量最強(qiáng)的方向，使得裂紋方向誤差較大;為了獲得準(zhǔn)確的裂紋方向信息，應(yīng) 使合成后的特征矢量方向接近反射能量最強(qiáng)的方向；為此，在矢量求和過程中引入加權(quán)因 子，合成后的特征矢量表示為：(11) 式中，α為子陣列特征矢量合成加權(quán)因子； 為提高缺陷檢測精度及對小缺陷的識別能力，對矢量合成后成像點F處的特征矢量 6佔對幅值進(jìn)行全局化處理，即令合成后特征矢量幅值等于相位加權(quán)成像得到的成像點處 的幅值，運樣處理后，全陣列在聚焦點(x，z)處的矢量成像特征矢量可表示為：(12' 矢量成像特征矢量的方向與該點處的反射面能量最強(qiáng)的方向平行，因此，可提取 出缺陷的方向信息； 其特征在于:該方法流程如下， 步驟一:在搭建該檢測裝置后進(jìn)行實驗，其中，實驗所用陣列換能器中屯、頻率為f，陣元 總個數(shù)為N，單個陣元的寬度為a，相鄰兩陣元的中屯、距離為P，超聲波在被測試件中的傳播 波速為C，則波長λ=c/f;通過全矩陣模式采集得到時域信號hu(t) (i = 1，2，3. . .N; j = 1，2，3...N)，其中，下標(biāo)i表示陣列換能器中第i個陣元激勵，j表示陣列換能器中第j個陣元接 收； 步驟二:對采集到的時域信號hu(t)進(jìn)行希爾伯特變換得到信號的包絡(luò)線，將此時得到 的信號稱為包絡(luò)信號gij(t); 步驟Ξ:建立成像坐標(biāo)系；其中，0為坐標(biāo)原點，X軸表示與換能器位置平行的方向，Z軸 表示與換能器位置垂直的方向；定義第i個激勵陣元到成像點的向量4,第j個接收陣元到 成像點F的向量:擬向量導(dǎo)為例，??,表示向量馬的模，(3 )、表示向量4在X軸方向上的分量， (?表示向量馬在Ζ軸方向上的分量，后續(xù)步驟公式中的其它向量也是類似表示； 步驟四：將全部陣列數(shù)據(jù)按激勵、接收陣元與成像點的傳播距離計算聲波傳播時間tij (X，Z )，在每個成像點位置進(jìn)行聚焦;并計算每個激勵陣元i對應(yīng)的相位一致因子PCFi，用得 到的PCFi對合成輸出出(x，z)進(jìn)行加權(quán);最終將加權(quán)后的幅值進(jìn)行疊加，即可利用公式(5)得 到任意成像點的幅值ΙροΚχ,ζ); 步驟五：構(gòu)造子陣列；將陣元總數(shù)為Ν的陣列換能器中多個連續(xù)的陣元作為一個子陣 列，對應(yīng)的時域信號稱為子陣列數(shù)據(jù);將該陣列換能器劃分為Κ個子陣列，每個子陣列中含 有η個陣元(η<Ν)，相鄰兩個子陣列間的陣元個數(shù)為m(m<N);則第k個子陣列對應(yīng)的陣元在 全陣列中的序號最小值為1+m化-1)，最大值為n+m化-1 )，其中，k=l，2,3...K; 步驟六:計算每個子陣列在任意成像點的幅值矢量; 根據(jù)步驟五劃分好的子陣列，計算每個子陣列在任意成像點的幅值矢量，可分為W下 幾步： S6.1根據(jù)每個子陣列中對應(yīng)的激勵、接收陣元，重復(fù)步驟四，公式中下標(biāo)i，j的最小值 為1+m化-1)，最大值為n+m化-1)，利用公式(8)可得到每個子陣列在任意成像點處矢量的幅 值趨山，刮化=1,2,3...K)，其中，上標(biāo)k表示第k個子陣列； S6.2根據(jù)每個子陣列對應(yīng)的激勵、接收陣元到成像點的位置向量4、^，利用公式(9) 可得到每個子陣列在每個成像點的單位方向矢量1萬"(、·，。，）； S6.3將上兩步中得到的。Z)和貨f(.T，：)對應(yīng)相乘即可得到每個子陣列在任意成像點 處的幅值矢量:，其表達(dá)式為(7); 步驟屯:對步驟六中k個子陣列的幅值矢量進(jìn)行合成，利用公式（11)得到k個子 陣列在每個成像點的合成幅值矢量(5仁，Z); 步驟八:將合成幅值矢量巧Χ，ζ)進(jìn)行單位化，然后乘W步驟四中的IPCF(X，Z)，利用公式 (12)可得到在全陣列N下每個成像點的幅值矢量:？(χ，ζ); 步驟九:將步驟八中的全陣列在任意成像點的幅值矢量fu，=)進(jìn)行成像顯示，可得到全 陣列在任意成像點的全局矢量成像圖； 步驟十:根據(jù)步驟九中的矢量圖，確定目標(biāo)缺陷的位置，提取目標(biāo)缺陷的局部矢量圖F ; 然后將步驟四中的幅值Ipcf(x，z)進(jìn)行地處理，找出局部矢量圖中幅值的最大值，求解最大 值下降-6地所對應(yīng)的成像區(qū)域面積;最后根據(jù)局部矢量圖中矢量的方向與目標(biāo)缺陷垂直， 依據(jù)幾何關(guān)系，目標(biāo)缺陷的方向可通過公式(13)計算得出；(13) 式中，下標(biāo)X，表示合成后最終的全聚焦幅值矢量在X方向上的分量;下標(biāo)Z，表示合成 后最終的全聚焦幅值矢量專在Z方向上的分量;A-6dB，缺陷成像區(qū)域內(nèi)，由成像幅值最大值下 降-6地所對應(yīng)的成像區(qū)域面積;arc化η函數(shù)為數(shù)學(xué)中的反正切函數(shù)，目m表示矢量與Z軸正向 的夾角，即等于缺陷與X軸正向的夾角。
【文檔編號】G01N29/44GK106093204SQ201610096738
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年2月22日 公開號201610096738.1, CN 106093204 A, CN 106093204A, CN 201610096738, CN-A-106093204, CN106093204 A, CN106093204A, CN201610096738, CN201610096738.1
【發(fā)明人】焦敬品, 楊素方, 何存富, 李先鋒
【申請人】南京蘭博瑞達(dá)檢測技術(shù)有限公司, 北京工業(yè)大學(xué)