[发明专利]基于频域稀疏反演的TOFD盲区内缺陷定量检测方法

摘要

一种基于频域稀疏反演的TOFD盲区内缺陷定量检测方法，属于无损检测技术领域。该方法采用TOFD超声检测仪、TOFD探头、楔块及扫查装置构成的测试系统。对TOFD检测中近表面区域进行扫查，对采集到的混叠时域信号进行处理，建立稀疏反演模型。考虑反射序列稀疏与可分解特性，在频域中建立TOFD盲区检测的目标函数。选取高信噪比部分频谱数据进行反演，实现直通波、缺陷上端点及下端点衍射波混叠信号的分离。根据反演结果，直接读取直通波与缺陷上端点、下端点衍射波声程差，确定近表面盲区内缺陷埋深与高度。与其他近表面缺陷检测方法相比，该方法可分离多个混叠信号，能实现近表面盲区内缺陷的深度和高度同时测量，且对硬件系统无额外要求，具有较好的工程应用价值。

主权项

1.一种基于频域稀疏反演的TOFD盲区内缺陷定量检测方法，该方法采用一套包括TOFD超声检测仪、TOFD探头、有机玻璃楔块及扫查装置构成的超声测试系统，其特征是：针对TOFD检测中近表面混叠时域信号建立稀疏反演模型，考虑反射序列稀疏与可分解特性，在频域中建立TOFD盲区检测的目标函数；选取高信噪比部分频谱数据进行反演，分离直通波、缺陷上端点及下端点衍射波；读取直通波与缺陷上端点、下端点衍射波声程差，进而确定近表面盲区内缺陷的埋深与高度，所述方法采用如下步骤：(1)TOFD检测参数确定根据被检工件情况选取合适的TOFD检测参数，主要包括TOFD探头频率、楔块斜楔角、探头中心间距、采样频率及扫查步进；(2)混叠信号采集采用步骤(1)中确定的TOFD检测参数，读取直通波脉冲宽度，根据公式(1)计算近表面盲区深度其中，t_p为直通波脉冲宽度，c_l为纵波声速，S为探头中心间距的一半；控制TOFD探头对近表面缺陷进行扫查，获得B扫查图像并导出，提取图像抛物线顶点处的A扫描信号；(3)混叠信号频域稀疏反演发射探头发射超声信号w(t)进入被检结构，将接收信号s(t)模型化为w(t)与反射序列r(t)的卷积过程s(t)＝w(t)*r(t)+n(t)                      (2)式中，*表示卷积，n(t)表示噪声；式(2)在频域的表示形式为S(ω)＝W(ω)R(ω)+N(ω)                     (3)式中，S(ω)、R(ω)、W(ω)和N(ω)分别是s(t)、r(t)、w(t)和n(t)的傅里叶变换；将反射序列表达为维纳滤波形式式中，W^*表示W的共轭，Q表示噪声因子，通常取Q＝max(0.01(W(ω)²))；假设反射序列r(t)的每一个点存在一个反射系数值，点数为N，时间采样间隔为Δt，取序列中心点t₀为时间零点，则反射序列表示为：式中，r_i为t时刻对应的反射系数值，T_i为第i个与第N‑i+1点之间的时间间隔；进一步考虑反射序列可分解特性，将反射系数做奇偶分解r(t)＝r_o(t)+r_e(t)                        (6)式中，r_o(t)＝[r(t)‑r(‑t)]/2为奇分量，r_e(t)＝[r(t)+r(‑t)]/2为偶分量；对式(5)做Fourier变换，根据脉冲函数δ(t)性质和欧拉公式，并考虑式(6)整理得进一步结合式(4)和式(7)，建立频率域反演目标函数Obj为式(8)中的α_o与α_e分别表示奇分量与偶分量的权重；为方便数值计算，将反演目标函数等价为矩阵形式式中，R_o、R_e分别表示待反演的反射系数奇分量与偶分量，Re[]、Im[]分别表示实部和虚部，各元素具体表示形式如下记m_i,k＝2πω_it_k，n_i＝2πω_iΔω；简记式(9)写作，Ax＝B       (10)式中，A为信号频谱信息的系数矩阵，B中包含观测信号频域信息，x表示待反演量；进一步考虑反射序列的稀疏特性，对待反演量施加L₁范数约束，对误差项施加L₂范数约束，将反射序列恢复问题转换为无约束最优解问题，定义待反演量x的反演结果为x_inversion式中，μ是控制解稀疏度的正则化参数，符号arg min{}表示使得{}里面函数取得其最小值；(4)缺陷深度与高度定量通过求解步骤(3)中建立的反演模型，选取高信噪比部分频谱数据作为反演输入，实现混叠直通波、缺陷上端点及下端点衍射波分离；分别读取直通波、缺陷上端点及下端点衍射波的时间差Δt₁和Δt₂；根据式(12)、(13)计算缺陷埋深d和缺陷高度h式中Δt₁、Δt₂分别为直通波与缺陷上、下端点衍射波的传播时间差。