[发明专利]一种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法

摘要

一种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法，属于无损检测技术领域。该方法采用一套包括相控阵超声探伤仪、相控阵超声探头和倾斜有机玻璃楔块的超声检测系统，利用相控阵电子扫查功能对厚壁结构试块进行检测，获得各相控阵阵元的A扫描信号集合。利用费马定理求解各相控阵阵元与图像重建点在楔块/试块界面处的出射点位置，并对各A扫描信号进行时间延迟和幅值叠加处理。对处理后的A扫描信号进行希尔伯特变换，利用差值函数获得重建后的超声检测B扫描图像。该方法的缺陷检测分辨力高，检测范围大，可提高检测效率，为厚壁结构缺陷的无损检测问题提供有效解决方法。该方法还可嵌入到探伤仪中，实现自动实时成像，具有较高的工程应用价值。

主权项

1.一种基于斜入射超声合成孔径聚焦的厚壁结构缺陷检测方法，其特征是：采用一套包括相控阵超声探伤仪、相控阵超声探头和倾斜有机玻璃楔块的超声检测系统，利用相控阵电子扫查功能对厚壁结构试块进行A扫描信号采集，根据费马定理求解超声波在楔块/试块界面处的出射点位置，对A扫描信号进行时间延迟和幅值叠加处理并进行希尔伯特变换，利用差值函数实现图像重建，从而获得具有高检测分辨力和大扫查范围的超声检测B扫描图像，所述方法采用下列步骤：(a)相控阵超声检测参数确定根据被检厚壁结构试块的材料、几何尺寸及被检测范围选取合适的超声检测参数，主要包括相控阵超声探头频率、相控阵超声探头孔径、相控阵阵元间距、子孔径、楔块斜楔角、楔块第一晶片高度、楔块前沿位置、采样频率、电子扫查步进；(b)超声信号数据集获取采用步骤(a)中确定的超声检测参数，利用相控阵电子扫查功能对厚壁结构试块进行检测，获得N个A扫描信号构成的数据集，并通过探伤仪A/D转换器将其导出，其中N为晶片总数；(c)被检测区域网格划分及坐标系建立将被检区域划分成m×n个矩形网格，其网格节点即为各图像重建点，以楔块尖端位置为坐标原点，楔块与试块界面为x轴，楔块前沿方向为x轴正向，试块深度方向为y轴正向建立坐标系，确定各相控阵阵元及图像重建点的坐标位置；(d)基于费马定理求解出射点位置设图像重建点坐标为(x2,y2)，第i个相控阵阵元坐标为(x1i,y1i)，根据费马定理求解各相控阵阵元与图像重建点之间的超声波最短传播路径，并在楔块/试块界面获得出射点坐标位置(x0i,0)，其中i∈[1,N]，根据几何关系得楔块中声程Swi及试块中的声场S：则出射点横坐标x0i由公式(3)求得：其中cw为楔块声速，c为试块声速；(e)时间延迟计算基于合成孔径聚焦成像原理，根据超声传播路径的几何关系计算得到第i个相控阵阵元到图像重建点的超声往返传播时间τi为：将公式(1)和(2)代入公式(4)中后，声传播时间改写为：各图像重建点距离楔块/试块界面的最短声时表达式为：则时间延迟量为：(f)超声图像重建根据上述步骤对每组相控阵阵元/图像重建点对应的时间延迟进行计算，并逐点对信号施加时间延迟和幅值叠加处理，得到各点的合成信号为：式中，I(m,n)为成像区域内网格点(m,n)的叠加幅值，fi为第i个相控阵阵元获得的A扫描信号；对合成信号进行希尔伯特变换进一步提高成像质量，希尔伯特变换后的各点合成信号为：最后，对变换后的合成信号进行归一化处理，并通过差值函数实现超声检测B扫描图像的重建。