一種基于角域信號重構的水浸超聲檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明專利屬于超聲無損檢測領域，特別涉及一種適用于工件微小缺陷成像的水 浸超聲檢測方法。
【背景技術】
[0002] 超聲檢測是無損檢測領域最重要的方法之一，在產品設計、制造、成品檢驗及設備 服役安全監測等各階段都起著非常重要的作用。其中水浸超聲檢測方法是以水作為耦合 劑，通過掃查架對工件進行自動超聲檢測及成像，因其耦合效果好，能避開近場影響，且具 有檢測成本低、自動化控制方便等優點，在現代工業無損檢測中得到廣泛應用。然而在對粗 晶體材料、各項異性材料，以及多層介質材料等工件內微小缺陷進行水浸超聲檢測時，由于 受材料結構不均引起的散射噪聲及檢測系統隨機噪聲的影響，使得回波信噪比降低，使得 成像分辨率下降，導致工件內微小孔隙、微小裂紋、弱粘接等缺陷難以準確檢出，嚴重影響 了重要工件的無損檢測和評價結果。
[0003] 為有效提高超聲檢測成像分辨率，可采用高頻率換能器來進行超聲檢測，如申請 公布號CN103018339A，公布日為2013年4月3日的專利文獻公開了一種高速高精度的超聲 顯微掃查裝置，選用50MHz以上的高頻聚焦換能器進行超聲檢測，獲取圖像理論分辨精度 可達3um。但換能器頻率提高，其聲束傳播衰減越嚴重，使得檢測厚度范圍越小。另一種途 徑是從成像算法上進行改善，如采用合成孔徑聚焦技術（SAFT)，并結合延時疊加等手段，通 過對實驗數據進行重構來提高圖像分辨率。然而，目前SAFT技術主要用于單探頭及相控陣 探頭接觸法超聲檢測成像，沒有直接應用于水浸檢測，更重要的是SAFT技術依然難以有效 降低檢測系統隨機噪聲對特征信號的影響。
[0004] 此外，在醫學超聲成像領域，為降低隨機噪聲造成的圖像散斑、雜點等成像缺陷， 使用了空間復合技術，如授權公告號為CN101199430B，授權公告日2011年12月28日的 專利文獻公開了一種空間復合成像方法，在忽略耦合介質與人體組織之間聲阻抗差異前提 下，通過控制相控陣多個陣元的聲束偏轉來對各個角度的圖像進行合成，以此降低超聲圖 像中的斑點噪聲、聲影、混響等。利用該方法能有效實現快速成像，以及對各幀圖像進行實 時復合成像。然而在實際工業水浸超聲檢測時，由于耦合介質與被測工件聲阻抗差異明顯， 因此這種方法不能直接用于水浸超聲檢測。
【發明內容】
[0005] 為提高水浸超聲檢測微小缺陷或復雜材料構件時的超聲成像分辨率和信噪比，降 低工件內部結構噪聲及系統隨機噪聲對成像質量的影響，本發明提出了一種基于角域（即 入射角度改變范圍內的工件聲束傳播區域）信號重構的水浸超聲檢測方法。
[0006] 為了實現上述技術目的，本發明的技術方案是，
[0007] -種基于角域信號重構的水浸超聲檢測方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟一：構建角域水浸自動超聲檢測裝置，所述的裝置包括將工件固定在其中的 水槽，對工件進行超聲檢測的可X/Y/Z/A四軸運動的超聲自動掃查裝置以及處理超聲數據 的數據處理裝置；
[0009] 步驟二：對工件進行角域B掃查及角域信號采集，首先將工件置于水槽中，調整超 聲自動掃查裝置的超聲探頭并使探頭中心軸線與工件表面法線方向重合，并使探頭中心距 離工件表面距離為d，以此時探頭中心作為原點0建立檢測坐標系Χ0Ζ，然后根據在水中入 射到工件的第一臨界角，確定探頭中心軸線與工件表面法線的夾角即入射角取值范圍，根 據成像分辨率需求及掃查裝置控制精度確定探頭X軸方向移動步距，然后探頭由原點起對 工件進行多次B掃查，每次均以入射角取值范圍內即角域的不同入射角角度進行B掃查，并 采集角域超聲B掃查回波數據；
[0010] 步驟三：計算角域信號渡越時間及位置偏移，首先由已知的或采用超聲脈沖反射 法測量得到的水中及待測工件中的聲速，并根據斯涅爾折射定律計算得到聲束在水及工件 中的傳播路徑、聲束折射角、聲束在水中傳播距離、聲束在工件中傳播距離，由此得到聲束 由探頭中心傳播到工件內成像點的渡越時間計算公式，最后根據檢測坐標系內探頭和工件 幾何位置關系及聲束傳播路徑，得到工件內成像點與超聲探頭中心在X方向上的位置關系 即位置偏移量計算公式；
[0011] 步驟四：角域信號重構B成像，首先提取步驟二中得到的角域超聲B掃查回波數 據，采用Hilbert變換法對回波數據進行包絡，然后根據步驟三中得到的渡越時間計算公 式和位置偏移量計算公式，將回波數據轉換為對應工件內的B掃查數據，最后進行角域信 號重構，完成角域重構后的超聲B掃查成像。
[0012] 所述的方法，所述的步驟一中，所述的裝置中，超聲掃查裝置包括水槽、X/Y/Z/A四 軸超聲自動掃查架、超聲換能器和運動控制裝置，所述的數據處理裝置包括超聲脈沖發生 接收儀、高頻數據數據采集卡和工控機，所述的X/Y/Z/A四軸超聲自動掃查架設置于水槽 上方，超聲換能器安裝在X/Y/Z/A四軸超聲自動掃查架上并由X/Y/Z/A四軸超聲自動掃查 架驅動沿X/Y/Z軸運動及繞A軸旋轉，所述的運動控制裝置的輸出端連接X/Y/Z/A四軸水 浸超聲自動掃查架的控制端，輸入端連接工控機，超聲脈沖發生接收儀接收超聲換能器發 出的信號并通過高頻數據數據采集卡發送至工控機。其中運動控制裝置包括互相通信連接 的運動控制卡和運動控制電器系統，運動控制卡通信連接工控機，運動控制電器系統通信 連接X/Y/Z/A四軸超聲自動掃查架。
[0013] 所述的方法，所述的步驟二中，對工件進行角域B掃查及角域信號采集的步驟包 括：
[0014] 步驟1 :將已知材料聲學特性和幾何結構參數的工件水平放置于水槽內，同時通 過調整探頭位姿，使得探頭中心軸線與工件表面法線方向重合，此時探頭中心軸線與工件 表面法線的夾角即入射角〇。=〇°。通過超聲測距法獲取探頭中心到工件表面垂直距離 即水聲距，調整z軸運動使得水聲距達到合適值d，d值由探頭型號及工件z方向厚度確定， 以工件檢測起點處對應的探頭中心為原點0,建立檢測坐標系XOZ ;
[0015] 步驟2 :根據聲束在水中入射到工件的第一臨界角，確定探頭中心軸線與工件表 面法線的夾角取值范圍[-α_, α_]，其中α_小于第一臨界角，將α _劃分為2n個等 份，即選取2n+l個角度位置：α η，α n+1，…，α。，…，α n α n，確定B掃查的探頭X方向移 動步距△ X ;△ X根據工件內缺陷大小及成像需求確定。
[0016] 步驟3:以α "角度進行B掃查，調整A軸使探頭中心軸線與工件表面法線成α n 角度，即入射角為α n，并將超聲探頭中心調整到起始位置〇,即調整X、Z軸使得探頭中心 P點即入射點與檢測坐標系〇點重合，并使入射點P到工件表面的水聲距為d，根據設定的 探頭X方向移動步距A X，控制掃查架在XZ平面內沿X方向運動，實現超聲B掃查，由計算 機實時將每個步距Ax所形成的檢測點位置的超聲回波信號進行保存，記為 e(t，s，α n)， 掃查完成后，控制探頭回到起始位置〇并繼續進行入射角為α n+1的掃查，即依次獲得 e(t，s，a n+2)，...，e(t，s，a0)，...，e(t，s，αη);
[0017] 所述的方法，所述的步驟三中，計算角域信號渡越時間及位置偏移的步驟包括：
[0018] 設水中和工件中的聲速分別為(^、C2，當入射角為α，水聲距為d時，根據斯涅爾 折射定律得到聲束在水及工件兩層介質中的傳播路徑，入射角α和折射角β的關系為 sina/sinP =C1A2，由此計算出聲束折射角β，再依據三角幾何函數關系計算出聲束在 水中傳播距離A= d/cos a，以及聲束在工件中傳
[0019] 播距離r2= (Z-d)/C〇si3，計算出聲束由探頭中心傳播到工件內的C(x，z)點的渡 越時間為
[0020]