一种基于超声波空间响应补偿的多模式复合全聚焦成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声波空间响应补偿的多模式复合全聚焦成像方法，属于无损检测领域。超声波检测信号在有限尺寸试件中会发生多次反射和模态转变现象，存在多种超声传播模式。受波束扩展的影响不同模式成像对缺陷的敏感性在空间上是不均匀的。本专利根据不同模式超声缺陷响应分布很好的反应不同模式成像幅值变化的特点，利用该空间分布相对于成像质心的方向导数对不同模式的成像进行幅值补偿，实现直达波模式和半跨模式全聚焦成像在相同基准水平进行数据融合。本专利避免了传统多模式复合成像方法存在的模式选择和不同模式成像水平差异的问题，更好的抑制了伪像，提高缺陷成像的信噪比。成像的信噪比。成像的信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声波空间响应补偿的多模式复合全聚焦成像方法


[0001]本专利技术涉及一种基于超声波空间响应补偿的多模式复合全聚焦成像方法，该方法适用于复杂结构的损伤检测，属于无损检测领域。

技术介绍

[0002]作为一种先进的超声检测技术，超声相控阵技术已经广泛应用于关键、复杂结构件的损伤检测与成像。受超声波多传播路径和模式转换的影响，超声相控阵技术对有限尺寸结构件进行检测时，通常会产生大量的伪像，严重影响缺陷的检测与判识。在超声相控阵成像中，多位学者对不同模式超声波的检测范围和敏感的缺陷类型开展了研究。受传播方向、声束指向性和衰减等的影响，不同模式的超声对缺陷响应的差别较大，单一模式的超声波难以有效解决有限尺寸结构的损伤检测问题
[1,2]。
[0003]为更充分的利用不同模式超声波所蕴含的缺陷信息，融合多种模式超声波的复合成像方法受到了广泛的关注。杨敬等人
[3]提出一种针对小径管焊缝的多模式超声复合全聚焦成像方法，将T
‑
T和TT
‑
T两种模式超声波的成像进行加权融合，实现了小径管焊缝中不同类型缺陷的准确成像。但该方法需要针对不同试件，人为筛选最优的成像模式。Han等人
[4]将不同模式超声波成像进行了加和处理，并从得到的复合成像中提取出弓形缺陷的轮廓。但该方法未考虑声束的扩散、散射及衰减等因素引起的超声波空间响应的不均匀性，从而造成不同模式超声成像对缺陷敏感性在空间上的不均匀。Bevan等人
[5]在考虑超声波的声束指向性、反射系数、介质散射和扩散衰减等对超声波空间响应因素基础上，对21种模式波的图像进行融合处理，充分利用多种模式超声波所包含的缺陷信息，提高了超声图像重建质量与缺陷定量精度。但该方法需要预先采集无损伤试件的超声检测数据，对被检测位置与预先采集位置的材料、尺寸的一致性要求较高。
[0004]针对现有多模式复合超声成像方法存在的模式选择的复杂性和不同模式成像对缺陷敏感性在空间上的不均匀的问题，本专利提出一种基于超声波空间响应补偿的多模式复合全聚焦成像方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种基于超声波空间响应补偿的多模式复合全聚焦成像方法。本方法利用方向导数对不同模式超声与缺陷响应的空间变化进行补偿，在保证不同模式超声波空间响应均匀性的前提下，对多个模式成超声波进行复合成像，实现缺陷信息的最大化利用以及消除伪像。
[0006]本专利技术提出一种基于超声波空间响应补偿的多模式复合全聚焦成像方法，其基本原理在于：
[0007]S1采集被测试件的全矩阵数据f
ij
(t)，基于射线追踪原理计算在不同模式超声波传播过程中i阵元激励j阵元接收的超声波传播到虚拟成像焦点处的到达时间并由该时刻幅值叠加构成对应模式的全聚焦成像结果
[6]：
[0008][0009]式中ε表示不同超声波传播模式。
[0010]S2在超声检测过程中主要包含激励、缺陷处的散射、接收三部分，超声检测信号可以表示为：
[0011][0012][0013]其中U(ω)为激励信号；为缺陷位置；表示缺陷处的散射系数；为检测路径上的时间。和分别表示第i阵元激励的传播过程和第j阵元接收的传播过程，其中为阵元激励的指向性；和分别为激励路径上经过不同介质界面的透射与反射系数；为传播路径上声信号扩散造成的衰减；为材料衰减系数。
[0014]其中具体参数求解过程如下：
[0015]1)材料衰减：在不添加楔块情况下采集被测试件的A扫信号，提取其中一次回波和二次回波信号并通过傅里叶变换到频域，通过等式(3)求解具体被测试件的材料衰减系数
[7]。
[0016][0017]式中，F1(ω)表示第一次底面回波的频谱幅值，F2(ω)表示第二次底面回波的频谱幅值；d表示声波传播的距离差。
[0018]2)指向性：在使用固体楔块斜入射检测时，根据惠更斯原理和固体表面积分理论，通过等式(4)计算相控阵中每个阵元在楔块中纵波的远场指向性
[8]D
L
：
[0019][0020][0021][0022]式中θ是阵元法线与超声传播路径的夹角，a是单个阵元的宽度，λ是耦合介质中超声纵波的波长；和分别为楔块中的纵波与横波波速。其中D
f
表示由阵元有限尺寸而产生的方向性函数，在使用水浸检测时可以近似表示阵元在水中的声束指向性。
[0023]3)透射系数：在耦合楔块与试件两种不同介质界面处，按照固
‑
固平滑接触边界条件(界面处切向应力为零)，通过等式(7)(8)(9)求得纵波入射条件下的透射纵波、横波的透射系数
[9]；
[0024][0025][0026][0027]其中，和分别为楔块中纵波与横波波速，为楔块中纵波的入射角，为楔块中反射横波的反射角度；c
L
和c
T
是试件中的纵波与横波波速；β
L
和β
T
分别为透射到试件中纵、横波的角度；ρ和ρ0分别表示试件与楔块材料的密度。
[0028]3)反射系数：在考虑超声横纵波模态转换的情况下按照等式(10)(11)(12)计算纵波入射试件边界(刚性
‑
自由边界)发生不同模态波反射的反射系数
[9]；
[0029][0030][0031][0032]θ
T
和θ
L
分别代表反射横波与反射纵波的角度。
[0033]将斯奈尔定律中入射纵波幅值设置为零，同理可求在横波入射条件下的反射系数。
[0034]4)扩散衰减：将扩散衰减函数合理外推，利用等式(13)、(14)求解超声波第m次入射，第m
‑
1次反射后超声信号的扩散衰减系数
[10]。
[0035][0036][0037]其中M
x
M
x+1
表示超声传播x次的路径，θ
x
表示为该路径下界面处的入射角，β
x
为相应界面的折射或反射角，ν
x
＝c
x
/c
x+1
为第x次路径对应界面处的折射率。
[0038]5)散射系数：将缺陷处的散射问题简化为平面波入射圆形孔状缺陷的散射系数的求解，分别计算不同模态超声波入射情况下不同散射角度θ
scat
对应的横波与纵波的散射系数，纵波入射的求解公式如下
[11]：
[0039][0040][0041]其中b为圆孔的半径；k
α
表示相应模式波的波数，e
inc
为入射波方向矢量；e
scat
为散射方向矢量；根据圆孔表面的法向应力和切向应力为零的边界条件来分别求解系数A
n
和B
n
如下式：
[0042][0043][0044]横波入射条件下的散射系数与上述同理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声波空间响应补偿的多模式复合全聚焦成像方法，其特征在于：是通过以下步骤实现的：1)采集被测试件的全矩阵数据，并根据超声传播路径与模态计算不同模式超声波全聚焦成像结果；2)根据被测材料属性与激励、接收过程超声传播参数与散射系数，计算不同模式超声与缺陷响应的空间分布图；3)通过计算空间变化相对于成像质心处的方向导数，将模型输出的缺陷响应空间分布拟合到平面，获得不同模式超声成像的空间补偿参数；4)将所有模式成像结果按照对应空间补偿参数加权与重新缩放，进而对所有成像数据求和并输出复合全聚焦成像...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦敬品，李晨旭，齐高君，杜传国，
申请(专利权)人：山东丰汇工程检测有限公司，
类型：发明
国别省市：