本发明专利技术公开了一种基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置及方法，该装置包括激发光源系统、探测光源系统、信号输出与控制系统以及待测系统，通过使用激发光源系统中的圆锥透镜，使得单点的激发光束变为环状激发光束，在探测光源系统中合束镜将探测光束和环形激发光束合成同心后，使用干涉仪获得待测样品表面的振动信息，最后利用待测系统中的步进电机完成对待测样品表面的二维扫描。该装置在提高检测缺陷内部微小缺陷的识别能力和成像分辨率的同时，减少了扫描时间，大大提高了系统的工作效率。工作效率。工作效率。
【技术实现步骤摘要】
基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置及方法
[0001]本专利技术属于激光超声检测领域，具体涉及一种基于环形光束激光超声合成孔 径聚焦成像装置及方法。
技术介绍
[0002]目前工业生产中，检测金属铝产品缺陷一般都采用超声检测，但由于金属铝 产品的结构比较复杂，难以采用常规的超声检测方法检测缺陷。而传统的激光超 声波检测技术主要依靠耦合剂使超声波换能器与检测样品相耦合，但由于检测样 品形状复杂，无法满足这种要求，所以使用传统的超声波检测方法有一定的局限 性。
[0003]为了解决传统超声接触式检测的局限性，对非接触式超声检测的研究迫在眉 睫。空气耦合超声检测、电磁耦合超声检测和激光超声检测是目前已经存在的非 接触式超声检测技术。空气耦合超声利用的原理是让空气和超声源进行声阻抗的 匹配，但是其频带窄并且匹配的效率较低，只能够对薄板间的缺陷进行无损检测， 所以导致了其检测效率和灵敏度的低下。电磁耦合超声检测对检测样品有很大的 局限性，其只能够对具有铁磁性材料进行缺陷检测。因此，激光超声检测与以上 两种方法相比有了明显优势，其特点能够有效的解决上面几个问题。
[0004]激光超声检测技术作为一门交叉学科技术，它很好的结合了超声学和激光技 术学的优点，应用传统超声波的强穿透能力，又同时应用到了光学检测的非接触 性，通过激光激发和接收超声波实现对被检试样的无损检测。
[0005]传统的激光超声技术一般只能检测到金属表面亚毫米大小的缺陷，但是当缺 陷变成微米量级时，传统的激光超声检测技术就很难对缺陷进行精确定位。SAFT 是由合成孔径雷达发展而来的一种超声波探测技术，它可以显著提高成像质量。 利用SAFT进行激光超声无损检测，可以提高激光超声成像的分辨率和对比度。
[0006]但是以往的激光超声SAFT检测技术采用的都是单点激发，单点扫描，扫描 速度较慢，消耗时间长。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置 及方法，通过使用圆锥透镜将单点激发变为环状激发，提高了SAFT缺陷扫描的 速度，减少了扫描所消耗的时间，进而提高激光超声SAFT检测技术的工作效率。
[0008]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于环形光束激光超声合成孔径聚 焦成像装置，包括激发光源系统、探测光源系统、待测系统和信号输出与控制系 统，所述的激发光源系统用于使用脉冲激光器产生激发光源，所述探测光源系统 用于产生探测光源和接收超声信号，所述待测系统用于放置待测样品接收环状激 光信号和反射缺陷信号，并且使用步进电机移动待测样品完成二维扫描，所述信 号输出与控制系统用于超声信号的输出、控制脉冲激光器和步进电机。
[0009]进一步的，所述激发光源系统包括脉冲激光器、扩束镜、平面反射镜、圆锥 透镜、聚焦透镜，由脉冲激光器输出的激发光束经扩束镜扩束和平面反射镜反射 后，经过圆锥透镜后变为环形光束，环形光束经过聚焦透镜后聚焦在待测样品表 面形成激光超声。
[0010]进一步的，所述探测光源系统包括干涉仪、合束镜，干涉仪所发射的探测光 束通过合束镜与环形激发光束合成同心。
[0011]进一步的，激发光源系统中脉冲激光器输出的激光为脉冲激光，探测光源系 统中干涉仪输出的激光为连续激光。
[0012]进一步的，所述信号输出与控制系统，用于控制激发光源系统中脉冲激光器 的各种参数和待测系统中步进电机的步进步长和步进距离。
[0013]进一步的，所述的信号输出与控制系统包括示波器和计算机，示波器与探测 光源系统中的干涉仪相连，接收干涉仪所探测到的振动信号，将探测到的振动信 号输出到计算机，计算机与激发光源系统中的脉冲激光器与待测区域中的步进电 机相连，控制脉冲激光器的各种参数和步进电机的步进步长。
[0014]进一步的，所述的待测系统包括待测样品和步进电机，待测样品接收由激发 光源系统中发出的环形光束，反射超声信号进入到探测光源系统，步进电机控制 环形光束辐照在待测样品的位置，完成环形光束对待测样品表面的二维扫描。
[0015]本专利技术还提供一种基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置的使用方 法，包括以下步骤：
[0016]步骤1，将待测样品置于激发光源系统中的扫描区域内，使用圆锥透镜产生 环形激发光束，并利用聚焦透镜将环形激发光束聚焦到待测样品表面上，环形激 发光束在待测样品表面产生环形激发区域，利用合束镜将探测光束和环形激发光 束合成同心，即在环形激发区域中心进行探测，环形激发区域上的每一个激发点 都对应中心探测点，干涉仪接收在中心探测点反射的超声振动信息，所得的结果 通过示波器输入计算机；
[0017]步骤2，使用计算机控制步进电机的步长，根据所设设定的步长，移动到下 一个检测位置，重复步骤2，直至完成对待测样品表面的二维扫描；
[0018]步骤3，根据超声波在待测样品内部的传播特性，使用计算机将待测区域进 行环形剖分，得到待测样品内部像素点的数据，并计算每个像素点与环形激发点 和中心探测点的距离，即超声波在待测样品内部的传播路径；
[0019]步骤4，在环形激发光束上取一点激发点A，设B为中心探测点，C为待测 样品内部某一像素点，d1，d2分别为像素点C到激发点A和中心探测点B之间 的距离，v表示待测样品中超声波的传播速度；由激发点A激励的超声信号在样 品内部快速传播，如果像素点C为缺陷的话，超声波传播到缺陷点C会发生反 射，最后反射信号被中心探测点B接收，在这个过程中超声波传播的距离为 d＝d1+d2，中心探测点在t＝d/v时刻接收在超声波的反射回波信号；
[0020]步骤5，利用时域SAFT算法，对待测样品待测区域内像素点的反射回波信 号进行延时叠加，再将所有环形激发点对应中心探测点的计算结果累加，即可得 到样品内部缺陷位置的成像结果。
[0021]进一步的，设M
i
为环状激发光束上不同激发点对应的中心探测点， i＝1，2，3，
…
N，S(M
i
，t)为中心探测点对应不同激发点在t＝(d1+d2)/v时刻探测到的信 号；如果像素点C
为缺陷，则信号S(M
i
，t)将出现一个由缺陷引起的反射波峰；如 果像素点C不是缺陷，则信号S(M
i
，t)中不会出现反射波峰。对待测样品内部像素 点C进行反演重建的表达式为∑(C)＝∑S(M
i
，t)；最后对所有中心探测点的计算结 果累加，把重复叠加的区域按权数进行平均，即可实现对待测样品内部各点的重 建。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023](1)本申请的装置可以应用到激光超声无损检测技术中，能够得到携带待 测样品内部缺陷的超声信号，使用圆锥透镜形成环形激发，与传统激光超声SAFT 单点检测相比，在提高检测缺陷内部微小缺陷的识别能力和成像分辨率的同时， 减少了扫描时间，大大提高了系统的工作效率。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置，其特征在于，包括激发光源系统、探测光源系统、待测系统和信号输出与控制系统，所述的激发光源系统用于使用脉冲激光器产生激发光源，所述探测光源系统用于产生探测光源和接收超声信号，所述待测系统用于放置待测样品接收环状激光信号和反射缺陷信号，并且使用步进电机移动待测样品完成二维扫描，所述信号输出与控制系统用于超声信号的输出、控制脉冲激光器和步进电机。2.根据权利要求1所述的基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置，其特征在于，所述激发光源系统包括脉冲激光器(1)、扩束镜(2)、平面反射镜(3)、圆锥透镜(4)、聚焦透镜(5)，由脉冲激光器(1)输出的激发光束经扩束镜(2)扩束和平面反射镜(3)反射后，经过圆锥透镜(4)后变为环形光束，环形光束经过聚焦透镜(5)后聚焦在待测样品(10)表面形成激光超声。3.根据权利要求2所述的基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置，其特征在于，所述探测光源系统包括干涉仪(6)、合束镜(7)，干涉仪(6)所发射的探测光束通过合束镜(7)与环形激发光束合成同心。4.根据权利要求3所述的基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置，其特征在于，激发光源系统中脉冲激光器(1)输出的激光为脉冲激光，探测光源系统中干涉仪(6)输出的激光为连续激光。5.根据权利要求1所述的基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置，其特征在于，所述的信号输出与控制系统，用于控制激发光源系统中脉冲激光器(1)的各种参数和待测系统中步进电机(11)的步进步长和步进距离。6.根据权利要求5所述的基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置，其特征在于，所述的信号输出与控制系统包括示波器(8)和计算机(9)，示波器(8)与探测光源系统中的干涉仪(6)相连，接收干涉仪(6)所探测到的振动信号，将探测到的振动信号输出到计算机(9)，计算机(9)与激发光源系统中的脉冲激光器(1)与待测区域中的步进电机(11)相连，控制脉冲激光器(1)的各种参数和步进电机(11)的步进步长。7.根据权利要求6所述的基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置，其特征在于，所述的待测系统包括待测样品(10)和步进电机(11)，待测样品(10)接收由激发光源系统中发出的环形光束，反射超声信号进入到探测光源系统，步进电机(11)控制环形光束辐照在待测样品(10)的位置，完成环形光束对待测样品(10)表面的二维扫描。8.一种如权利要求1
‑
7任一项所述基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置的使用方法，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆健，顾豪栋，张宏超，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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