基于激光-电磁超声合成孔径成像的承压管损伤检测方法及系统

本发明涉及无损检测，特别是涉及基于激光-电磁超声合成孔径成像的承压管损伤检测方法及系统。

背景技术：

1、承压管在长期服役过程中，内壁易产生微裂纹、烧蚀、表层剥落等细微隐蔽损伤。此类微小损伤易持续扩展恶化，会引发承压管炸裂事故，因此对承压管损伤检测精度具有极高要求。

2、当前承压管无损检测手段主要包括目视检测、磁粉检测、常规超声检测及时域合成孔径聚焦检测。其中，目视检测依赖人工观测，难以识别微米级浅层微损伤，漏检率高；磁粉检测仅适用于表层开口缺陷，无法检测内部及浅层闭合微缺陷。常规超声检测穿透性强，是承压管内部缺陷检测的主流技术，但单一超声检测仅依靠回波幅值判断缺陷，未做多通道信号相干聚焦处理，成像分辨率低，难以识别细微损伤。

3、合成孔径聚焦技术（synthetic aperture focusing technique，简称saft），是一种将一定区域内探头的回波信号引入时延并矢量叠加，从而获得聚焦成像。与压电探头增大探头孔径来提高检测精度相比，合成孔径聚焦技术用信号处理的方法使小孔径的换能器阵列具有大孔径阵的指向特性的功能，实现高分辨率成像。

4、时域合成孔径聚焦技术（时域saft）通过对不同扫描位置的超声回波进行时域时延补偿、叠加求和，模拟大孔径聚焦效果，一定程度提升成像分辨率。但该技术仅基于时域维度进行信号校正，未对超声回波的时空耦合信息进行解耦，存在固有缺陷：仅能补偿固定时延，无法修正复杂工况下的非线性相位畸变与空间偏移，聚焦精度有限；不具备频域噪声筛选能力，抗杂波、抗干扰性能差，微缺陷成像模糊、边缘失真严重；信号叠加易产生旁瓣伪影，极易掩盖承压管微米级微裂纹、轻微烧蚀等弱特征损伤。

5、承压管精细化检测对微缺陷识别、定位精度要求严苛，现有常规超声检测及时域saft技术，存在时空信号解耦能力弱、频域信息利用率低、相干聚焦效果差的问题，细微损伤易被噪声掩盖，存在分辨率低、定位不准、漏检率高的缺陷，无法兼顾超声深层探测能力与高精度成像需求。

技术实现思路

1、为了解决现有承压管损伤检测方法存在分辨率低、定位不准、漏检率高的缺陷，无法兼顾超声深层探测能力与高精度成像需求的技术问题，本发明提供了一种基于激光-电磁超声合成孔径成像的承压管损伤检测方法及系统。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

3、一种基于激光-电磁超声合成孔径成像的承压管损伤检测方法，包括以下步骤：

4、s1，将脉冲激光聚焦为微米级点源，利用热弹效应在承压管表面激发超声波，同时采用电磁超声换能器采集回波信号；

5、s2，对电磁超声换能器接收的回波信号进行预处理，得到预处理后的时域信号；

6、s3，对时域信号进行二维傅里叶变换，得到波数-深度-频率域波场频谱；

7、s4，判断当前波数-深度-频率域波场频谱中的深度是否为0，若否，则将深度递减预设值，并利用频域聚焦算法更新递减后深度的波数-深度-频率域波场频谱，直到深度为0；

8、s5，将输出的所有波数-深度-频率域波场频谱进行重叠，得到重叠后的波数-深度-频率域波场频谱；

9、s6，对重叠后的波数-深度-频率域波场频谱进行二维傅里叶逆变换，输出聚焦图像。

10、优选的，步骤s1中所述热弹效应激发的超声波同步生成纵波、横波以及表面波。

11、优选的，步骤s1中所述的电磁超声换能器为emat。

12、优选的，步骤s2中所述的预处理操作包括：去除直流分量、带通滤波、时域加窗。

13、优选的，步骤s3的具体操作步骤为：

14、获得预处理后的时域信号，其中，为被测构件表面的横向位置坐标，为沿承压管壁厚方向的深度，为超声传播的时间；

15、在二维波动方程中对与进行傅里叶变换，得到波数-深度-频率域波场频谱：

16、；

17、其中，为电磁超声换能器在试样表面接收的超声信号的二维傅里叶变换后的波数-深度-频率域波场频谱，为沿方向传播的超声波矢量，为角频率，为指数函数，为虚数单位，为沿方向传播的超声波矢量，为在假定声源模型中超声波的等效声速。

18、优选的，步骤s4的具体操作步骤为：

19、s41，判断当前时域信号中的深度是否为0，否，则将深度递减预设值：

20、；

21、其中，为更新后的深度，为当前深度，为深度递减预设步长，为正数；

22、s42，利用频域聚焦算法更新递减后深度的波数-深度-频率域波场频谱：

23、；

24、其中，为电磁超声换能器在试样表面接收的超声信号的二维傅里叶变换后的波数-深度-频率域波场频谱，为沿方向传播的超声波矢量，为角频率，为指数函数，为虚数单位，为沿方向传播的超声波矢量，为在假定声源模型中超声波的等效声速。

25、优选的，步骤s5的具体操作步骤为：将输出的所有波数-深度-频率域波场频谱进行重叠，得到重叠后的波数-深度-频率域波场频谱：

26、；

27、其中，为波数-深度-频率域波场频谱的总数，为第组波数-深度-频率域波场频谱，，为第组频谱对应的深度坐标，为沿方向传播的超声波矢量，为角频率。

28、优选的，步骤s6的具体操作步骤为：

29、对重叠后的波数-深度-频率域波场频谱进行二维傅里叶逆变换，通过二重积分完成频域至时空域的转换，计算公式为：

30、；

31、其中，为逆变换后得到的二维时空域超声信号，为重叠后的波数-深度-频率域波场频谱，为沿方向传播的超声波矢量，为被测构件面的横向位置坐标，为虚数单位，为逆傅里叶变换相位核函数，、分别为波数、频率维度的微分元，为二重积分，完成波数域、频率域的全域积分运算。

32、一种基于激光-电磁超声合成孔径成像的承压管损伤检测系统，适用于上述的一种基于激光-电磁超声合成孔径成像的承压管损伤检测方法，承压管损伤检测系统包括：

33、激光源：将脉冲激光聚焦为微米级点源，利用热弹效应在承压管表面激发超声波；

34、电磁超声换能器：采集回波信号；

35、信号预处理模块：对回波信号进行预处理，得到预处理后的时域信号；

36、处理器：对时域信号进行二维傅里叶变换，得到波数-深度-频率域波场频谱，判断当前波数-深度-频率域波场频谱中的深度是否为0，若否，则将深度递减预设值，并利用频域聚焦算法更新递减后深度的波数-深度-频率域波场频谱，直到深度为0；将输出的波数-深度-频率域波场频谱进行重叠，得到重叠后的波数-深度-频率域波场频谱；对重叠后的波数-深度-频率域波场频谱进行二维傅里叶逆变换，生成聚焦图像；

37、显示器：用于输出并显示聚焦图像。

38、一种电子设备，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行上述的基于激光-电磁超声合成孔径成像的承压管损伤检测方法。

39、本发明的优点在于：

40、1、本发明通过将脉冲激光聚焦为微米级点源以激发超声波，该激光激励超声波具有频率高、频带宽的特性，能够单次激励同步产生纵波、横波、表面波等多种模态超声信号，模态种类丰富、高频分辨能力突出，可有效弥补传统超声检测模态单一、频带受限的不足，满足承压管细微损伤的高精度检测需求。

41、2、本发明采用激光激励、电磁超声接收的全非接触检测方式，无需耦合剂、不损伤承压管内壁镀层与表面，可在高温、高膛压、强磨损等环境下稳定工作，彻底解决传统超声耦合不良、探头易磨损、无法在线快速检测的难题。

42、3、本发明采用激光激发宽频带、高指向性超声，电磁超声对微弱散射回波响应灵敏，复合体制显著提升信噪比（snr），可稳定检出承压管内壁微裂纹、磨损、凹坑、镀层脱落、近表面疏松等早期微小缺陷，最小可检缺陷尺寸与定位精度远优于常规电磁超声与目视/光学检测，大幅提升检测灵敏度与缺陷识别能力。

43、4、本发明采用频域f-saft在频率-波数域实现快速聚焦与成像重构，横向/纵向分辨率显著优于时域saft与常规b扫描，对承压管沟槽、变径段、内壁曲率变化处的缺陷成像更清晰、定位更准确，有效抑制旁瓣与伪影，缺陷轮廓、尺寸、深度可直观量化判读，使频域合成孔径聚焦成像分辨率高、伪影少。

44、5、本发明所采用的频域算法计算复杂度低、并行度高，成像效率较时域saft提升数倍至数十倍，支持承压管长行程、大区域快速扫描与实时成像，满足承压管批量检测、快速检修与在线监测的时效要求。

45、6、本发明能检测承压管复杂结构与曲面内壁，针对承压管长径比大、内膛曲面、膛线复杂、内壁粗糙度高等特点，激光可实现高精度点位/线扫描，电磁超声不受接触压力与曲面贴合度影响，配合频域saft自适应聚焦，全程无需复杂机械对准，检测一致性与可靠性显著提升。

46、7、本发明的定量检测与健康评估能力突出，本发明成像结果可直接输出缺陷位置、当量尺寸、深度分布等量化数据，支持承压管磨损规律分析、剩余寿命评估与故障预警，为承压管维护、大修、报废判定提供客观依据，降低误判率与运维成本。