一种基于波形分离的增材制造激光超声信号缺陷成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于波形分离的增材制造激光超声信号缺陷成像方法，该方法的主要步骤为：1、获取被测试件的原始超声波信号；2、采用小波分解对原始超声波信号进行小波降噪；3、小波包分解；4、表面波信号或纵波信号的提取和重构；5、归一化处理；6、邻域相减，获取缺陷回波信号；7、确定椭圆簇边界；8、划分波场平面成像网格；9、获取实际的成像区域；10、缺陷回波信号幅值映射至实际的成像区域；11、椭圆簇叠加与聚焦成像。通过该方法实现了从缺陷回波信号中得到缺陷的定量信息，同时实现了对特定成分的波进行合成孔径聚焦，并且成像效果好，分辨率高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于波形分离的增材制造激光超声信号缺陷成像方法
本专利技术属于金属增材制造领域，具体涉及一种基于波形分离的增材制造激光超声信号缺陷成像方法。
技术介绍
电弧焊接增材制造能够实现大型航天构件的低成本、高效制造，成形件微观组织均匀细小，对成形件尺寸无限制。电弧焊接增材制造温度梯度大，熔池凝固速度快，易出现气孔、裂纹等冶金缺陷，成形过程中产生高温以及粉末飞溅，传统的检测技术无法满足检测需求，迫切需要一种非接触式在线检测系统实现增材制件的质量监控。激光超声检测技术的检测原理是：利用脉冲激光束作用在被检测件上，产生热弹效应并激励出超声波，运用干涉仪获得超声波信号，是一种非接触、高精度、无损伤的新型超声检测技术，结合超声检测的高精度和光学检测非接触的优点，激光超声具有亚纳米级的高灵敏度、GHz级高检测带宽的优点，适合在电弧焊接增材制造过程中等高温环境下制件的非接触、高分辨率检测。若检测物体存在缺陷，激光超声信号传播至缺陷部位，与缺陷相互作用，产生缺陷回波信号。在激光超声检测中激光接收器会接收到检测信号中出现的包括缺陷回波信号以及各种模式的波(横波、纵波、表面波以及模式转换波等)，缺陷回波信号中包含与缺陷相关的信息，但是缺陷回波信号与其他模态的波混合在一起，在缺陷尺寸小，埋藏深度深的情况下，缺陷回波信号往往被其他噪声所淹没，并且无法从缺陷回波信号中直观的得到缺陷的定量分析，因此需要对激光超声信号中的缺陷回波信号进行提取以及合成孔径聚焦成像，可以从成像中清晰明了的得到缺陷尺寸与位置信息。中国专利，公开号CN111795931A公开了《一种针对激光超声缺陷检测衍射回波信号的重构提取方法》，该方法有效避免了高幅值入射信号对经验模态(EMD)分解的影响，保证有用信号不丢失；克服了EMD分解加噪信号时存在的端点效应，改善EMD的分解效果；最大程度的去除低幅低频的入射信号，避免了有用信号被淹没在入射信号中；有限的保留包含缺陷信息的有用信号，舍弃来自环境的高频噪声信号，达到有用信号准确输出和缺陷准确判断的目的。虽然该方法能够准确的对激光超声信号中的表面波成分的缺陷回波信号进行重构提取，舍弃来自环境中的噪声信号，但是该方法仅仅给出了激光超声信号中缺陷衍射波信号的提取重构，没有对缺陷回波信号进行进一步的处理，无法从缺陷回波信号中得到缺陷的定量信息，无法对缺陷位置与缺陷尺寸进行确定。中国专利，公开号CN111751448A公开了《一种漏表面波超声合成孔径聚焦成像法》，实现了对零件表面或者近表面缺陷的成像检测，为评价金属构建表面质量提供一种有效的无损检测方法。虽然该方法能够实现对零件表面或近表面缺陷的高效率高分辨率成像，但是对于非接触式激光超声检测中超声波信号中波形成分复杂，包括横波、纵波、表面波以及各种模式转换波等，无法对特定成分的波进行合成孔径聚焦，从而会导致成像效果差，分辨率低的问题。
技术实现思路
为了克服现有采用激光超声波检测零件缺陷时，无法从缺陷回波信号中得到缺陷的定量信息，以及无法对特定成分的波进行合成孔径聚焦，从而会导致成像效果差，分辨率低的问题，本专利技术提供了一种基于波形分离的增材制造激光超声信号缺陷成像方法。本专利技术的实现原理是：1、小波降噪：调用增材铝合金试块的激光超声检测数据，采用小波分解技术将原始信号进行降噪处理得到降噪后信号；2、波形重构：采用小波包分解算法将降噪后的信号进行分解，得到不同频率的信号，将分解后的信号按照频率从低到高排列，并根据不同波形成分所处的频段不同，进行所需波形信号的重构，得到所需波形成分的重构信号；3、邻域相减：对重构信号进行邻域相减，邻域相减后得到缺陷回波信号；4、椭圆合成孔径聚焦：对缺陷回波信号进行椭圆合成孔径聚焦，实现试件内部缺陷的合成孔径聚焦成像。本专利技术的具体技术方案是：提供了一种基于波形分离的增材制造激光超声信号缺陷成像方法，其实现步骤如下：步骤1：通过激励探头与接收探头分离的激光超声检测系统获取被测试件的原始超声波信号Bij；步骤2：采用小波分解对原始超声波信号Bij进行小波降噪，选择小波基函数为sym8，选择小波分解层数为3层得到降噪后的超声波信号；步骤3：小波包分解A：采用小波包分解算法对降噪后的任意一个扫描点的激光超声信号进行处理，在处理过程中，选择小波基函数为sym8，根据表面波信号频段分布特性，选择分解层数为5，从而得到第五层中不同节点的小波包系数，并将第五层中不同节点的小波包系数根据频率从小到大依次排列；B：采用小波包分解算法对预处理后的任意一个扫描点的激光超声信号进行处理，在处理过程中，选择小波基函数为sym8，根据纵波信号频段分布特性，选择分解层数为4，从而得到第四层中不同节点的小波包系数，并将第四层中不同节点的小波包系数根据频率从小到大依次排列；步骤4：判断被测试件缺陷类型，进行表面波信号或纵波信号的提取和重构；步骤4.1：若被测试件表面或者近表面存在缺陷，则执行步骤4.2；若被测试件内部存在缺陷，则执行步骤4.3；步骤4.2：表面波信号的提取和重构：基于步骤3中的A部分小波包分解后的第5层的第1号节点小波包系数和第2号节点小波包系数之外其他节点小波包系数全部置零处理，并对该层所有节点小波包系数进行提取和重构，得到重构后的主要包含表面波信号的超声波信号；步骤4.3：纵波信号的提取和重构：基于步骤3中的B部分小波包分解后的第4层的第2号节点小波包系数、第3号节点小波包系数以第4号节点小波包系数之外其他节点小波包系数全部置零处理，并对该层所有节点小波包系数进行提取和重构，得到重构后的主要包含纵波信号的超声波信号；步骤5：对步骤4中提取和重构的主要包含表面波信号的超声波信号或主要包含纵波信号的超声波信号进行归一化处理；步骤6：对归一化处理的信号进行邻域相减，获取缺陷回波信号B′ij；步骤7：确定椭圆簇边界：步骤7.1、确定任意扫描点的椭圆簇；由于激光超声检测系统中激励点与接收点相互分离，则声场波阵面上的任意一个传播点Pd对应的声程为该点分别到激励点Pg和接收点Pr的距离之和，并满足关系式：Dgd+Ddr>Dgr；其中，Dgd为点Pd到激励点Pg的距离；Ddr为点Pd到接收点Pr的距离；Dgr为激励点Pg到接收点Pr的距离；声场中的等时传播点的集合构成以Pg、Pr为焦点，长轴长度为(Dgd+Ddr)的一系列椭圆构成椭圆簇；步骤7.2、确定椭圆簇边界由于椭圆簇的半焦距为c＝Dgr/2，则椭圆簇起始边界k0为：其中，C为待检试件的超声波波速,f为采样频率，Δk为余量，根据实际成像效果进行调整，Δk的取值范围为10-50；椭圆簇终止边界kn取原始超声波信号长度L，即kn＝L；步骤8：划分波场平面成像网格，获得成像区域；计算椭圆簇上边界中对应椭圆的半长轴amax与半短轴bmax：设定x本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于波形分离的增材制造激光超声信号缺陷成像方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：通过激励探头与接收探头分离的激光超声检测系统获取被测试件的原始超声波信号B

【技术特征摘要】
1.一种基于波形分离的增材制造激光超声信号缺陷成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过激励探头与接收探头分离的激光超声检测系统获取被测试件的原始超声波信号Bij；
步骤2：采用小波分解对原始超声波信号Bij进行小波降噪，选择小波基函数为sym8，选择小波分解层数为3层得到降噪后的超声波信号；
步骤3：小波包分解
A：采用小波包分解算法对降噪后的任意一个扫描点的激光超声信号进行处理，在处理过程中，选择小波基函数为sym8，根据表面波信号频段分布特性，选择分解层数为5，从而得到第五层中不同节点的小波包系数，并将第五层中不同节点的小波包系数根据频率从小到大依次排列；
B：采用小波包分解算法对预处理后的任意一个扫描点的激光超声信号进行处理，在处理过程中，选择小波基函数为sym8，根据纵波信号频段分布特性，选择分解层数为4，从而得到第四层中不同节点的小波包系数，并将第四层中不同节点的小波包系数根据频率从小到大依次排列；
步骤4：判断被测试件缺陷类型，进行表面波信号或纵波信号的提取和重构；
步骤4.1：若被测试件表面或者近表面存在缺陷，则执行步骤4.2；若被测试件内部存在缺陷，则执行步骤4.3；
步骤4.2：表面波信号的提取和重构：
基于步骤3中的A部分小波包分解后的第5层的第1号节点小波包系数和第2号节点小波包系数之外其他节点小波包系数全部置零处理，并对该层所有节点小波包系数进行提取和重构，得到重构后的主要包含表面波信号的超声波信号；
步骤4.3：纵波信号的提取和重构：
基于步骤3中的B部分小波包分解后的第4层的第2号节点小波包系数、第3号节点小波包系数以第4号节点小波包系数之外其他节点小波包系数全部置零处理，并对该层所有节点小波包系数进行提取和重构，得到重构后的主要包含纵波信号的超声波信号；
步骤5：对步骤4中提取和重构的主要包含表面波信号的超声波信号或主要包含纵波信号的超声波信号进行归一化处理；
步骤6：对归一化处理的信号进行邻域相减，获取缺陷回波信号B′ij；
步骤7：确定椭圆簇边界：
步骤7.1、确定任意扫描点的椭圆簇；
由于激光超声检测系统中激励点与接收点相互分离，则声场波阵面上的任意一个传播点Pd对应的声程为该点分别到激励点Pg和接收点Pr的距离之和，并满足关系式：Dgd+Ddr＞Dgr；其中，Dgd为点Pd到激励点Pg的距离；Ddr为点Pd到接收点Pr的距离；Dgr为激励点Pg到接收点Pr的距离；声场中的等时传播点的集合构成以Pg、Pr为焦点，长轴长度为(Dgd+Ddr)的一系列椭圆构成椭圆簇；
步骤7.2、确定椭圆簇边界
由于椭圆簇的半焦距为c＝Dgr/2，则椭圆簇起始边界k0为：



其中，C为待检试件的超声波波速，f为采样频率，Δk为余量，根据实际成像效果进行调整，Δk的取值范围为10-50；
椭圆簇终止边界kn取原始超声波信号长度L，即kn＝L；
步骤8：划分波场平面成像网格，获得成像区域；
计算椭圆簇上边界中对应椭圆的半长轴amax与半短轴bmax：






设定X方向成像范围为Δs·Nx+2amax，y方向成像范围为Δs·Ny+2bmax，成像网格大小为Δz，则X方向和Y方向成像点数Xn、Yn分别为：






其中，Δs为扫描步长，Nx为X方向扫描点点数；Ny为Y方向扫描点点数；
则成像区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵纪元，卢秉恒，王彪，田舒平，
申请(专利权)人：西安增材制造国家研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61