一种超声相控阵扇形扫描缺陷重构方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种超声相控阵扇形扫描缺陷重构方法。

背景技术

工业无损检测领域中的超声相控阵检测技术是一项先进的缺陷检测技术，相较于常规超声探头，相控阵的优势在于无需移动探头便可通过声束偏转和聚焦得到多条波束的检测信号，实现多角度扫查，并可实时成像。该技术的细分方向包括扇扫成像、全聚焦成像、线性扫描成像等。

本发明涉及其中的扇扫成像，扇扫成像的主要原理是：使用阵列探头，依据相应的发射聚焦律和接收聚焦律，对各阵元的激发时间进行控制，实现声束偏转和聚焦，并对各阵元的接收数据进行合成，获取回波检测信号，再对信号进行处理便可得到清晰的声波缺陷图像。

其中，发射聚焦律是指激发阵元时根据指定的聚焦点，分别计算各阵元声波到达该聚焦点的时间以及时间差，并根据该时间差依次激发各阵元，使得各阵元的声波同时到达聚焦点，实现声束聚焦和偏转；接收聚焦律是指接收信号时根据指定的虚拟聚焦点，也依据声波传播时间差对各阵元接收到的信号进行合成，得到该波束的回波信号。

相控阵扇形扫描存在的一个较大问题是，在同一时刻，只有缺陷的表面法线与扇扫波束方向平行的地方会有明显的回波信号，例如，对于圆形缺陷，相控阵扇扫始终只能得到缺陷表面一个极小角度内的弧形区域的反射信号，其他区域的信号都无法被接收到，有效反射区如图2所示，该信号无法表征缺陷的真实形状和大小，并且不同大小的圆形缺陷可能具有相同大小的扇扫缺陷图像，如图3所示。这些问题为扇形扫描图像的缺陷评估带来较大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超声相控阵扇形扫描缺陷重构方法，能够显示缺陷表面轮廓，进而反映缺陷尺寸大小。

为实现上述发明目的，本发明一种超声相控阵扇形扫描缺陷重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、扫查被测试件获取由A扫信号组成的文本文件；

(1.1)、设置编码器的扫查间距与携带的超声相控阵设备的采样间距相同，且满足：

其中，c为声波在被测试件中的传播速度，Δt为每条波束的采样时间间隔，d为采样间距；

(1.2)、使用编码器携带超声相控阵设备沿步进轴对被测试件进行扇形扫查，共计获取n帧扇扫信号，每一帧扇扫信号由各个波束的A扫信号组成，最后将每一帧扇扫信号按顺序保存为文本文件，共计得到n个文本文件；

设超声相控阵设备的扇形扫描包含N条波束、扫描角度范围为θ

(2)、提取文本文件中各波束的A扫信号并重新合成图像；

在n个文本文件中，将同一行的A扫信号取出，合成p张m*n的二维图像，然后对每一张二维图像进行仿射变换，得到各个扫描角度对应的扫描图像，共计p张；

(3)、扫描图像平移；

以第一张扫描图像为参考，将其余的扫描图像均往右平移K

其中，OA

(4)、将第一张扫描图像以及其余平移后的图像进行加权求和，得到重构后的缺陷截面轮廓图。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种超声相控阵扇形扫描缺陷重构方法，先设置编码器的扫查间距与携带的超声相控阵设备的采样间距相同，然后使用编码器携带超声相控阵设备沿步进轴对被测试件进行扇形扫查，获取多帧扇扫信号并按顺序保存为文本文件；接着，提取文本文件中各波束的A扫信号并重新合成图像，然后以以第一张扫描图像为参考，将其余的扫描图像均往右平移，最后将所有图像进行加权求和，得到重构后的缺陷截面轮廓图。

本发明一种超声相控阵扇形扫描缺陷重构方法，。

同时，本发明一种超声相控阵扇形扫描缺陷重构方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明可以还原出缺陷截面的部分轮廓，虽然只有一小部分，但是这只是单个方向的扫查结果，如果再进行反向扫查，则可以得到另一面的轮廓，这正反两部分的轮廓就基本可以反应缺陷的上表面情况了。

(2)、本发明可以表征缺陷的基本大小，单帧的扇扫图像难以区分缺陷的真实大小，因为不同大小的缺陷可能具有相同大小的缺陷图像，如图3所示，而本发明由于对轮廓表面进行了重构，因此也可以反映缺陷的基本大小。

(3)、本发明还可以用箭头图反映缺陷表面的法线方向，如图11所示，可以作为缺陷表面轮廓形状的辅助判定方法。

附图说明

图1是本发明一种超声相控阵扇形扫描缺陷重构方法流程图；

图2是圆形缺陷在扇形扫描下的有效反射区示意图；

图3是不同尺寸缺陷的扇扫成像对比图；

图4是沿步进轴扫查示意图；

图5是相控阵采样间距和扫查间距示意图；

图6是重新合成的各波束图像示例；

图7是建立超声相控阵的坐标示意图；

图8是各波束在交界面处的入射点示意图；

图9是各波束图像所表征的圆形截面区域示意图；

图10是各波束图像的扫描示意图；

图11是融合36波束图像后的结果图；

图12是表征缺陷表面法线的箭头图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种超声相控阵扇形扫描缺陷重构方法流程图。

在本实施例中，如图4所示，本发明利用编码器或机械臂携带相控阵探头沿着与扫描截面平行的方向进行扫查，然后对所有扇形扫查信号进行处理并融合，可以得到缺陷表面的轮廓形状，同时可以表征缺陷的尺寸大小。

下面我们对本发明一种超声相控阵扇形扫描缺陷重构方法进行详细说明，如图1所示，具体包括以下步骤：

S1、扫查被测试件获取由A扫信号组成的文本文件；

在本实施例中，编码器通常包含有扫查轴和步进轴两个扫查方向，通过实验验证发现使用编码器携带超声相控阵设备沿步进轴扇形扫查被测试件，可以获取更多缺陷截面的信息；

另外，在进行扫查前，我们要先设置编码器的扫查间距与携带的超声相控阵设备的采样间距d相同，且满足：

其中，c为声波在被测试件中的传播速度，Δt为每条波束的采样时间间隔；

编码器的扫查间距与相控阵设备的采样间距相同，如图5所示，这样在后续图像处理时才能保证长宽比例相同。

在本实施例中，我们将沿着步进轴扫查的每一帧扇扫信号按顺序保存为文本文件，将每一帧扇扫信号按顺序保存为一个文本文件，在本实施例中，共计得到1250个文本文件，其中，每一帧扇扫信号由各个波束的A扫信号组成，以36条波束的扇形扫描为例，定义扫描角度范围为30°～65°，每间隔一度有一条波束，那么每个文本文件包含36行，每一行为一个波束的A扫信号，例如第一行对应30°的波束A扫信号，最后一行对应65°的波束A扫信号，在本实施例中，设置每条波束的A扫信号包含900个采样点。

S2、提取各波束A扫信号重新合成图像；

在本实施例中，对于获取的1250个文本文件，将同一行的A扫信号取出，合成36个1250*900的二维图像。例如，将每个文本文件的同一行的A扫信号序列依次取出，作为二维图像的每一列，得到第一张二维图像，以此类推，得到36张二维图像。

如图6所示，对每一张二维图像进行仿射变换，得到各个扫描角度对应的扫描图像，共计36张，这些扫描图像等价于以某一固定角度的波束进行扫描的结果，例如第一张扫描图像，其等价于同时以1250条30°的波束进行扫描的结果，如图10所示。

S3、扫描图像平移；

由于不同角度的波束在斜楔块与被测试件的交界面处的入射点不同，在将36张扫描图片进行融合之前，还需要将各扫描图像平移到对应位置。

在本实施例中，如图7所示，我们记超声相控阵的阵元中心为H，以阵元中心正下方与被测试件的交界面的交点作为坐标原点O，垂直向下为Z轴，水平方向为X轴，构建坐标系；

各波束的入射点如图8所示，以第一张扫描图像为参考，将其余的扫描图像均往右平移K

其中，OA

S4、重构缺陷截面；

将第一张扫描图像以及其余平移后的图像进行加权求和，得到重构后的缺陷截面轮廓图。

在本实施例中，经过步骤S3的处理后，这36张图像分别可以表征圆形缺陷截面的不同区域，如图9所示。

很明显，只有当截面法线角度与波束角度相同时，会有最强烈的反射信号，因此，这36张图片就代表着缺陷截面30°～65°范围的弧形区域，直接将这36张图片叠加，再除以36，那么将勾勒出截面轮廓，如图11所示。

通过对比图可以看到，缺陷截面的轮廓基本与图像的形状一致，只不过由于扇扫角度仅为30°～65°，因此该图像的弧形特征不是特别明显。由于只有当截面法线角度与波束角度相同时，会有最强烈的反射信号，而这36张图片分别代表着36个扫描方向，因此对于同一像素位置，在该位置处具有最大像素值的图片所代表的方向基本就是该缺陷截面在该点的法线方向。

用一张箭头图表示各点的法线方向，同时，箭头的大小表示该点的像素值，如图12所示。这样可以得到表征缺陷截面法线的箭头图。

此外，从该合成图像中可以直接判断出缺陷的大致大小，这是单张扫描图像无法实现的。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。