[发明专利]一种基于矢量全聚焦成像的超声阵列裂纹类缺陷方向识别方法

摘要

本发明涉及一种基于矢量全聚焦成像的超声阵列裂纹类缺陷方向识别方法，属于无损检测领域。该方法通过对换能器阵列接收到的信号进行矢量全聚焦处理得到全局矢量图，由缺陷处反射信号能量最强来确定缺陷的位置，然后根据缺陷的位置提取缺陷的局部矢量图，最后利用局部矢量图中矢量的方向来确定缺陷的方向。该矢量全聚焦成像的原理是在换能器阵列中构造多个子阵列，通过子阵列计算任意成像点处的单位方向矢量，利用该单位方向矢量对换能器阵列在任意成像点处补偿后的回波幅值进行矢量化，得到任意成像点处的幅值矢量。

主权项

一种基于矢量全聚焦成像的超声阵列裂纹类缺陷方向识别方法，其特征在于：该方法按照以下步骤实施检测，步骤一：在检测装置下进行实验，其中，实验所用阵列换能器中心频率为f，阵元总个数为N，单个阵元的宽度为a，相邻两阵元的中心距离为p，超声波在被测试件中的传播波速为c，则波长通过全矩阵模式采集得到时域信号f(i)j(t)，i＝1,2,3,…,N，j＝1,2,3,…,N，其中，下标(i)表示阵列换能器中第i个阵元激励，j表示阵列换能器中第j个阵元接收；步骤二：对采集到的时域信号f(i)j进行希尔伯特变换得到信号的包络线，将此时得到的信号称为包络信号g(i)j(t)；步骤三：建立成像坐标系；定义表示原点到成像点P的向量，表示第i个激励阵元的位置向量，表示第j个接收阵元的位置向量，则第i个激励阵元到成像点P的向量第j个接收阵元到成像点P的向量其中，x轴表示与换能器位置平行的方向，z轴表示与换能器位置垂直的方向，表示向量的模，表示向量在x轴方向上的分量，表示向量在z轴方向上的分量，后续步骤公式中的其它向量也是同样表示；步骤四：将全部阵列数据按激励、接收阵元与成像点的距离计算声波传播时间，在每个成像点位置进行聚焦，并将信号幅值叠加；因此，可通过公式(1)计算全阵列在每个成像点的幅值Iu(r→,N)=|Σi=1NΣj=1Ng(i)j(t=|d→(i)|+|d→j|c)|---(1)]]>式中，c为声波在被测试件中的传播波速；步骤五：将步骤四中的幅值利用波束补偿因子和衰减补偿因子进行补偿，得到补偿后的幅值可通过公式(2)计算得出；I(r→,N)=Iu(r→,N)|Σi=1NΣj=1NP(d→(i))P(d→j)B(d→(i),d→j)|---(2)]]>式中，P为波束补偿因子，B衰减补偿因子；其中，激励、接收阵元在任意成像点的波束补偿因子可分别表示为：P(d→(i))=sinc(πa|(e→(i))x-r→x|λ|d→(i)|)---(3)]]>P(d→j)=sinc(πa|(e→j)x-r→x|λ|d→j|)---(4)]]>式中，a为单个阵元的宽度，λ为波长，sin c函数为数学中的辛格函数，当用sin c(x)表示时，其非归一化的sin c函数表示为激励、接收阵元在任意成像点的衰减补偿因子可表示为：B(d→(i),d→j)=1|d→(i)||d→j|---(5)]]>步骤六：构造子阵列；将阵元总数为N的阵列换能器中多个连续的阵元作为一个子阵列，对应的时域信号称为子阵列数据；将该阵列换能器划分为K个子阵列，每个子阵列中含有N1个阵元(N1<N)，相邻两个子阵列间的阵元个数为M，M<N；则第k个子阵列对应的阵元在全阵列中的序号最小值为1+M(k‑1)，最大值为1+M(k‑1)+N1，其中，k＝1,2,3,…,K；步骤七：计算每个子阵列在每个成像点的幅值矢量；根据步骤六划分好的子阵列，计算每个子阵列在每个成像点的幅值矢量，可分为以下几步：(1)根据每个子阵列中对应的激励、接收阵元，重复步骤四、五，公式中下标i、j的最小值为1+M(k‑1)，最大值为1+M(k‑1)+N1，可得到每个子阵列在每个成像点处矢量的幅值k＝1,2,3,…,K，其中，上标k表示第k个子阵列；(2)根据每个子阵列对应的激励、接收阵元到成像点的位置向量可得到每个子阵列在每个成像点的单位方向矢量具体可通过公式(6)计算得出；w→(k)(r→)=Σi=1+M(k-1)1+M(k-1)+N1Σj=1+M(k-1)1+M(k-1)+N1P(d→(i))P(d→j)B(d→(i),d→j)s→(i)j(d→(i),d→j)|Σi=1+M(k-1)1+M(k-1)+N1Σj=1+M(k-1)1+M(k-1)+N1P(d→(i))P(d→j)B(d→(i),d→j)s→(i)j(d→(i),d→j)|---(6)]]>其中，是第i个阵元激励超声波入射到任意成像点后经第j个阵元接收形成的法线方向的单位方向矢量，依据反射定理可知，该单位方向矢量的方向会与反射面垂直，具体计算公式可表示为：s→(i)j(d→(i),d→j)=|d→(i)|d→j+|d→j|d→(i)||d→(i)|d→j+|d→j|d→(i)|---(7)]]>(3)将上两步中得到的和对应相乘即可得到每个子阵列在每个成像点处的幅值矢量可通过公式(8)计算得出；步骤八：对步骤七中K个子阵列的幅值矢量进行合成，得到K个子阵列在每个成像点的合成幅值矢量可通过公式(9)计算得出；式中，α取1到正无穷的任意数，当α取值越大，任意成像点的合成幅值矢量的方向越接近成像点处反射信号能量最强的方向；步骤九：将合成幅值矢量进行单位化，然后乘以步骤四中的可得到在全阵列N下每个成像点的幅值矢量可通过公式(10)计算得出；V→(r→)=O→(r→)|O→(r→)|I(r→,N)---(10)]]>根据上述计算可知，全阵列在每个成像点的幅值矢量的大小与步骤四中的全阵列在每个成像点的幅值相等，并且矢量的方向会与成像点处的反射面垂直；步骤十：将步骤九中的全阵列在每个成像点的幅值矢量进行成像显示，可得到全阵列在每个成像点的全局矢量成像图；步骤十一：根据步骤十中的全局矢量成像图，确定目标缺陷的位置，提取目标缺陷的局部矢量图然后将步骤四中的幅值进行分贝化，找出局部矢量图中幅值的最大值，求解最大值下降‑6dB所对应的成像区域面积；最后根据局部矢量图中矢量的方向与目标缺陷垂直，依据几何关系，目标缺陷的方向可通过公式(11)计算得出；θm=arctan(∫AV→(r→).i^dA∫AV→(r→).j^dA)---(11)]]>式中，和表示与阵列换能器平行和垂直的单位向量，A表示在目标缺陷局部矢量图中，由幅值的最大值下降‑6dB所对应的成像区域面积，arctan函数为数学中的反正切函数，θm表示矢量与z轴正向的夹角，即等于缺陷与x轴正向的夹角。