[发明专利]一种基于角域信号重构的水浸超声检测方法

说明书

技术领域

本发明专利属于超声无损检测领域，特别涉及一种适用于工件微小缺陷成像的水浸超声检测方法。

背景技术

超声检测是无损检测领域最重要的方法之一，在产品设计、制造、成品检验及设备服役安全监测等各阶段都起着非常重要的作用。其中水浸超声检测方法是以水作为耦合剂，通过扫查架对工件进行自动超声检测及成像，因其耦合效果好，能避开近场影响，且具有检测成本低、自动化控制方便等优点，在现代工业无损检测中得到广泛应用。然而在对粗晶体材料、各项异性材料，以及多层介质材料等工件内微小缺陷进行水浸超声检测时，由于受材料结构不均引起的散射噪声及检测系统随机噪声的影响，使得回波信噪比降低，使得成像分辨率下降，导致工件内微小孔隙、微小裂纹、弱粘接等缺陷难以准确检出，严重影响了重要工件的无损检测和评价结果。

为有效提高超声检测成像分辨率，可采用高频率换能器来进行超声检测，如申请公布号CN103018339A，公布日为2013年4月3日的专利文献公开了一种高速高精度的超声显微扫查装置，选用50MHz以上的高频聚焦换能器进行超声检测，获取图像理论分辨精度可达3um。但换能器频率提高，其声束传播衰减越严重，使得检测厚度范围越小。另一种途径是从成像算法上进行改善，如采用合成孔径聚焦技术(SAFT)，并结合延时叠加等手段，通过对实验数据进行重构来提高图像分辨率。然而，目前SAFT技术主要用于单探头及相控阵探头接触法超声检测成像，没有直接应用于水浸检测，更重要的是SAFT技术依然难以有效降低检测系统随机噪声对特征信号的影响。

此外，在医学超声成像领域，为降低随机噪声造成的图像散斑、杂点等成像缺陷，使用了空间复合技术，如授权公告号为CN101199430B，授权公告日2011年12月28日的专利文献公开了一种空间复合成像方法，在忽略耦合介质与人体组织之间声阻抗差异前提下，通过控制相控阵多个阵元的声束偏转来对各个角度的图像进行合成，以此降低超声图像中的斑点噪声、声影、混响等。利用该方法能有效实现快速成像，以及对各帧图像进行实时复合成像。然而在实际工业水浸超声检测时，由于耦合介质与被测工件声阻抗差异明显，因此这种方法不能直接用于水浸超声检测。

发明内容

为提高水浸超声检测微小缺陷或复杂材料构件时的超声成像分辨率和信噪比，降低工件内部结构噪声及系统随机噪声对成像质量的影响，本发明提出了一种基于角域(即入射角度改变范围内的工件声束传播区域)信号重构的水浸超声检测方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种基于角域信号重构的水浸超声检测方法，包括以下步骤：

步骤一：构建角域水浸自动超声检测装置，所述的装置包括将工件固定在其中的水槽，对工件进行超声检测的可X/Y/Z/A四轴运动的超声自动扫查装置以及处理超声数据的数据处理装置；

步骤二：对工件进行角域B扫查及角域信号采集，首先将工件置于水槽中，调整超声自动扫查装置的超声探头并使探头中心轴线与工件表面法线方向重合，并使探头中心距离工件表面距离为d，以此时探头中心作为原点O建立检测坐标系XOZ，然后根据在水中入射到工件的第一临界角，确定探头中心轴线与工件表面法线的夹角即入射角取值范围，根据成像分辨率需求及扫查装置控制精度确定探头X轴方向移动步距，然后探头由原点起对工件进行多次B扫查，每次均以入射角取值范围内即角域的不同入射角角度进行B扫查，并采集角域超声B扫查回波数据；

步骤三：计算角域信号渡越时间及位置偏移，首先由已知的或采用超声脉冲反射法测量得到的水中及待测工件中的声速，并根据斯涅尔折射定律计算得到声束在水及工件中的传播路径、声束折射角、声束在水中传播距离、声束在工件中传播距离，由此得到声束由探头中心传播到工件内成像点的渡越时间计算公式，最后根据检测坐标系内探头和工件几何位置关系及声束传播路径，得到工件内成像点与超声探头中心在X方向上的位置关系即位置偏移量计算公式；

步骤四：角域信号重构B成像，首先提取步骤二中得到的角域超声B扫查回波数据，采用Hilbert变换法对回波数据进行包络，然后根据步骤三中得到的渡越时间计算公式和位置偏移量计算公式，将回波数据转换为对应工件内的B扫查数据，最后进行角域信号重构，完成角域重构后的超声B扫查成像。