[发明专利]任意扫描轨迹的非接触式兰姆波缺陷检测成像方法

说明书

本发明提供一种任意扫描轨迹的非接触式兰姆波缺陷检测成像方法，其特点是采用了激光发生器和空气耦合换能器作为兰姆波的检测系统，空气耦合换能器端面与待检测的薄板工件表面呈一定的角度，使得接受器仅能接受A₀模态的兰姆波，方便兰姆波走时信息的提取。重建算法采用了凸二次规划方法，复合兰姆波传播路径的投影权重值、重建网格对权重的贡献值和兰姆波的走时信息，获得线性方程组作为凸二次规划的约束条件，将重建网格的全变差进行开方运算，将重建网格元素的系数写成矩阵，获得一个正定矩阵，进而将变形后的全变差转化为满足凸二次规划的目标函数，最终利用拉格朗日优化算法进行重建。该发明的方法具有非接触、兰姆波信号提取简单、不限薄板的形状、允许兰姆波发射端稀疏布置等优点。

技术领域

本发明涉及一种重建图像的全变差转化为带约束的凸二次规划的Lamb波层析成像方法，属于无损检测领域，适用于利用Lamb波进行层析成像的无损检测方法。

背景技术

薄板结构被广泛应用于航空航天、电力设备、输油管道、化工容器等重要领域内。在使用过程中，内部细小缺陷源以及疲劳损伤，对设备的安全使用构成威胁，一旦出错会造成人员伤害、财产的丢失。薄板结构的损伤，常规的方法是点对点的Lamb波检测，即通过采集波速、到达时间、幅值、等时域或频域的特征信息与结构完好时的信息进行比对，这种方法只能判别Lamb穿过的路径上是否存在缺陷，而很难判别缺陷的位置、形状及损伤程度。还有的缺陷检测方法是椭圆定位法、四点圆弧法、三角法等几何方法，该类方法能够定位缺陷的大致位置，而不能确定缺陷的形状以及损伤度。

超声波在薄板里面传播时会形成Lamb波，其传播速度是取决于薄板的厚度，因此，利用兰姆波某个模式下的走时数据，并采用计算机层析成像技术就可以反演出该薄板结构的厚度变化分布图，从而获得缺陷区域的图像，并可获取缺陷的形状和损伤程度。

兰姆波层析成像方法根据发射点和接收点的布置方式分有平行投影层析成像、扇束投影层析成像和跨孔层析成像。根据换能器的发射点和接收点的布置方式，兰姆波层析成像方法通常采用双跨孔距和圆孔距进行层析成像。在本申请人已提交的申请号为201310717748.9(公开号)的专利申请中分析了这两种结构的层析重建方法存在的不足，主要是在薄板使用过程中，不能保证其区域形状是矩形和圆形。因此，该专利提出适合凸区域的Lamb层析重建方法，避免以往重建方法存在的缺陷。然而该种方法存在以下三个方面的不足：采用了接触式的换能器，耦合剂可能损伤金属表面，并且如果耦合剂没填好，采集的信号不能保证精确性，从而影响重建结果；Lamb换能器需要按照凸区域边界放置，不能对凹形的薄板结构进行重建；因采用解析重建方法，接受换能器和发射换能器需要沿凸区域边界紧密排列，当发射换能器排列稀疏时，利用该算法重建所采集到投影数据很难出定位缺陷位置和损伤的程度。

本文针对这三点不足，首先Lamb波信号发射器采用激光发射源，接受器采用空气耦合的非接触传感器，避免了接触式换能器在采集走时信息存在的不足。其次，考虑到全变差作为正则项已广泛用于图像重建中，其利用图像稀疏的先验知识能够在欠采样的条件下很好的重建图像，提出了将重建图像的全变差构造为正则项并作为目标函数，将Lamb波的走时信号作为约束，从而将Lamb的层析图像算法转换为求解凸二次规划的问题，该算法不受限于薄板结构的凸凹性及形状，发射源可以进行稀疏采样。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种任意扫描轨迹的非接触式兰姆波缺陷检测成像方法，其特点是采用非接触式方式采集兰姆波信号，避免接触式换能器因使用耦合剂而可能存在的腐蚀、生锈、压力敏感等不足；利用全变差适合稀疏采样条件下对图像能够很好重建的特性，将其进行平方变形，其相应的系数满足凸二次规划的正定矩阵准则，进而将变形后的全变差作为凸二次规划的目标函数，投影数据方程作为二次规划的约束，从而将投影层析重建问题转化为求解带约束的凸二次规划的最优解问题，该方法可以适合任意形状的薄板结构的层析重建，特别适合发射源稀疏布置的兰姆波层析重建。

本发明的目的由以下技术措施实现：