超声相控阵界面脱粘缺陷全聚焦C扫描成像方法及系统与流程

超声相控阵界面脱粘缺陷全聚焦c扫描成像方法及系统
技术领域
1.本发明涉及扫描成像技术领域，特别是涉及一种超声相控阵界面脱粘缺陷全聚焦c扫描成像方法及系统。


背景技术：

2.复合粘接构件广泛应用在国防和航天工业中，如固体火箭发动机中推进剂药柱与包覆层的粘接、绝热层与外壳的粘接、复合材料和多项材料的异质界面以及多晶体中的粘接等。由于粘接界面两侧材料的性能差异，界面处的应力作用以及施工过程中存在外界的干扰因素，会造成复合材料粘接构件在制造和使用过程中产生脱粘缺陷，对构件的安全性产生了极大的威胁，因此对粘接界面进行有效的脱粘缺陷检测就变得非常必要。
3.随着计算机和电子等技术的发展，超声相控阵捡测技术在近几年取得了快速的发展和应用，超声相控阵检测技术具有传统超声波探伤无法比拟的检测优势。其采用超声阵列辐射器，可通过控制各阵元的时延实现声束在任意方向及位置的偏转和聚焦，从而实现在检测区域多角度大范围的扫查。目前在超声相控阵自动检测系统实现脱粘缺陷成像时，常用的成像方法为c扫描成像，传统c扫描成像时存在脱粘缺陷处与好粘处成像对比度低，检测精度不高的问题。全聚焦成像是近几年来工业超声相控阵无损检测领域的研究热点，全聚焦成像过程基于全矩阵数据，通过对被测区域的每一个点进行聚焦合成实现成像，该成像方法可有效提高成像效果，但存在信息处理计算量大的缺点。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种超声相控阵界面脱粘缺陷全聚焦c扫描成像方法及系统，提高成像效果的同时减少冗余计算信息，提高成像效率。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种超声相控阵界面脱粘缺陷全聚焦c扫描成像方法，所述方法包括：
6.采集复合构件界面的回波信号，并构成全矩阵数据集；所述全矩阵数据集由n
×
n个回波信号组成的，其中，n为相控阵列换能器中阵元的个数；
7.基于皮尔逊相关法计算所述全矩阵数据集中两个回波信号间的相关系数，并构建相关系数矩阵；
8.根据所述相关系数矩阵确定有效孔径下的全矩阵数据集；
9.根据所述有效孔径下的全矩阵数据集实现界面脱粘缺陷的全聚焦c扫描成像。
10.可选地，所述基于皮尔逊相关法计算所述全矩阵数据集中两个回波信号间的相关系数的具体公式为：
[0011][0012]
其中，h
ii
表示第i个阵元发射超声波由第i个阵元接收的回波信号，h
ij
表示第i个阵元发射超声波由第j个阵元接收的回波信号，k
ij
表示回波信号h
ii
与回波信号h
ij
间的相关系数，m表示信号的采样点个数。
[0013]
可选地，所述根据所述相关系数矩阵确定有效孔径下的全矩阵数据集，具体包括：
[0014]
根据所述相关系数矩阵进行归一化处理，获得归一化矩阵；
[0015]
统计所述归一化矩阵中每行为1的个数，并选取最小个数作为超声阵列脱粘检测的有效孔径个数s；
[0016]
从所述相关系数矩阵中每行按照相关系数从大到小依次选取s个，形成强相关系数矩阵；
[0017]
根据所述强相关系数矩阵确定有效孔径下的全矩阵数据集。
[0018]
可选地，归一化处理的条件为：|k
ij
|≥0.6的设为1，|k
ij
|＜0.6的设为0；其中，h
ii
表示第i个阵元发射超声波由第i个阵元接收的回波信号，h
ij
表示第i个阵元发射超声波由第j个阵元接收的回波信号，k
ij
表示回波信号h
ii
与回波信号h
ij
间的相关系数。
[0019]
可选地，所述根据所述有效孔径下的全矩阵数据集实现界面脱粘缺陷的全聚焦c扫描成像，具体包括：
[0020]
从1号阵元下方开始，以阵元间距大小d为步进，到n号阵元下方位置结束，共有n个成像位置；
[0021]
在成像位置1处；从有效孔径下的全矩阵数据集h1中选取第一行数据，依次提取有效孔径下的全矩阵数据h
′
11
‑
h
′
1s
界面位置处特征的声压幅值，记作i
11
‑
i
1s
，从而得到位置1处的声压总幅值其中，i
1i
表示成像位置1处第i个特征的声压幅值，s表示有效孔径下的全矩阵数据集h1中总列数；
[0022]
在成像位置2处；从有效孔径下的全矩阵数据集h1中选取第二行数据，依次提取有效孔径下的全矩阵数据h
′
21
‑
h
′
2s
界面位置处特征的声压幅值，记作i
21
‑
i
2s
，从而得到位置2处的声压总幅值其中，i
2i
表示第2成像位置处第i个特征的声压幅值；
[0023]
以此类推，依次计算n个成像位置处的声压总幅值；
[0024]
对n个成像位置处的声压总幅值进行归一化处理，得到被检测区域的全聚焦c扫描成像图。
[0025]
本发明还公开一种超声相控阵界面脱粘缺陷全聚焦c扫描成像系统，所述系统包括：
[0026]
全矩阵数据集确定模块，用于采集复合构件界面的回波信号，并构成全矩阵数据
集；所述全矩阵数据集由n
×
n个回波信号组成的，其中，n为相控阵列换能器中阵元的个数；
[0027]
相关系数矩阵确定模块，用于基于皮尔逊相关法计算所述全矩阵数据集中两个回波信号间的相关系数，并构建相关系数矩阵；
[0028]
有效孔径下的全矩阵数据集确定模块，用于根据所述相关系数矩阵确定有效孔径下的全矩阵数据集；
[0029]
全聚焦c扫描成像模块，用于根据所述有效孔径下的全矩阵数据集实现界面脱粘缺陷的全聚焦c扫描成像。
[0030]
可选地，所述基于皮尔逊相关法计算所述全矩阵数据集中两个回波信号间的相关系数的具体公式为：
[0031][0032]
其中，h
ii
表示第i个阵元发射超声波由第i个阵元接收的回波信号，h
ij
表示第i个阵元发射超声波由第j个阵元接收的回波信号，k
ij
表示回波信号h
ii
与回波信号h
ij
间的相关系数，m表示信号的采样点个数。
[0033]
可选地，所述有效孔径下的全矩阵数据集确定模块，具体包括：
[0034]
归一化处理单元，用于根据所述相关系数矩阵进行归一化处理，获得归一化矩阵；
[0035]
有效孔径个数确定单元，用于统计所述归一化矩阵中每行为1的个数，并选取最小个数作为超声阵列脱粘检测的有效孔径个数s；
[0036]
强相关系数矩阵确定单元，用于从所述相关系数矩阵中每行按照相关系数从大到小依次选取s个，形成强相关系数矩阵；
[0037]
有效孔径下的全矩阵数据集确定单元，用于根据所述强相关系数矩阵确定有效孔径下的全矩阵数据集。
[0038]
可选地，归一化处理的条件为：|k
ij
|≥0.6的设为1，|k
ij
|＜0.6的设为0；其中，h
ii
表示第i个阵元发射超声波由第i个阵元接收的回波信号，h
ij
表示第i个阵元发射超声波由第j个阵元接收的回波信号，k
ij
表示回波信号h
ii
与回波信号h
ij
间的相关系数。
[0039]
可选地，所述全聚焦c扫描成像模块，具体用于：
[0040]
从1号阵元下方开始，以阵元间距大小d为步进，到n号阵元下方位置结束，共有n个成像位置；
[0041]
在成像位置1处；从有效孔径下的全矩阵数据集h1中选取第一行数据，依次提取有效孔径下的全矩阵数据h
′
11
‑
h
′
1s
界面位置处特征的声压幅值，记作i
11
‑
i
1s
，从而得到位置1处的声压总幅值其中，i
1i
表示成像位置1处第i个特征的声压幅值，s表示有效孔径下的全矩阵数据集h1中总列数；
[0042]
在成像位置2处；从有效孔径下的全矩阵数据集h1中选取第二行数据，依次提取有效孔径下的全矩阵数据h
′
21
‑
h
′
2s
界面位置处特征的声压幅值，记作i
21
‑
i
2s
，从而得到位置2
处的声压总幅值其中，i
2i
表示第2成像位置处第i个特征的声压幅值；
[0043]
以此类推，依次计算n个成像位置处的声压总幅值；
[0044]
对n个成像位置处的声压总幅值进行归一化处理，得到被检测区域的全聚焦c扫描成像图。
[0045]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0046]
本发明公开一种超声相控阵界面脱粘缺陷全聚焦c扫描成像方法及系统，先基于皮尔逊相关法计算全矩阵数据集中两个回波信号间的相关系数，并构建相关系数矩阵，然后根据相关系数矩阵确定有效孔径下的全矩阵数据集；最后根据有效孔径下的全矩阵数据集实现界面脱粘缺陷的全聚焦c扫描成像。本发明在成像时基于皮尔逊相关法确定超声相控阵检测时的超声阵列有效孔径下的全矩阵数据集，进而基于有效孔径下的全矩阵数据集实现界面脱粘缺陷的全聚焦c扫描成像，从而提高成像效果的同时可减少冗余计算信息，提高成像效率。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1为本发明超声相控阵界面脱粘缺陷全聚焦c扫描成像方法流程图；
[0049]
图2为本发明全矩阵数据采集示意图；
[0050]
图3为本发明确定有效孔径下的全矩阵数据集流程图；
[0051]
图4为本发明有效孔径下的全聚焦c扫描成像示意图；
[0052]
图5为本发明超声相控阵界面脱粘缺陷全聚焦c扫描成像系统结构框图。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
本发明的目的是提供一种超声相控阵界面脱粘缺陷全聚焦c扫描成像方法及系统，提高成像效果的同时减少冗余计算信息，提高成像效率。
[0055]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0056]
实施例1
[0057]
如图1所示，本发明公开超声相控阵界面脱粘缺陷全聚焦c扫描成像方法，所述方法包括：
[0058]
步骤s1：采集复合构件界面的回波信号，并构成全矩阵数据集；所述全矩阵数据集
由n
×
n个回波信号组成的，其中，n为相控阵列换能器中阵元的个数；
[0059]
步骤s2：基于皮尔逊相关法计算所述全矩阵数据集中两个回波信号间的相关系数，并构建相关系数矩阵；
[0060]
步骤s3：根据所述相关系数矩阵确定有效孔径下的全矩阵数据集；
[0061]
步骤s4：根据所述有效孔径下的全矩阵数据集实现界面脱粘缺陷的全聚焦c扫描成像。
[0062]
下面对各个步骤进行详细论述：
[0063]
步骤s1：采集复合构件界面的回波信号，并构成全矩阵数据集，具体为：
[0064]
如图2所示，设相控阵列换能器一共有n个阵元，构成超声阵列，每次激励一个阵元发射超声波，超声阵列中所有的阵元均接收反射回来的回波信号；然后依次将第二个阵元，第三个阵元
…
，直至第n个阵元发射超声波，得到n*n组回波信号，构成全矩阵数据集，具体公式为：
[0065][0066]
其中，h
ij
表示第i个阵元发射超声波，第j个阵元接收回波信号，i＝1,2
……
n，j＝1,2
……
n。
[0067]
步骤s2：基于皮尔逊相关法计算所述全矩阵数据集中两个回波信号间的相关系数，并构建相关系数矩阵，具体包括：
[0068]
步骤s21：基于皮尔逊相关法计算所述全矩阵数据集中两个回波信号间的相关系数的具体公式为：
[0069][0070]
其中，h
ii
表示第i个阵元发射超声波由第i个阵元接收的回波信号，h
ij
表示第i个阵元发射超声波由第j个阵元接收的回波信号，k
ij
表示回波信号h
ii
与回波信号h
ij
间的相关系数，m表示信号的采样点个数。
[0071]
步骤s22：构建相关系数矩阵，具体公式为：
[0072][0073]
其中，ρ表示相关系数矩阵,k
nn
表示回波信号h
nn
与回波信号h
nj
间的相关系数,j＝1,2
……
n。
[0074]
如图3所示，步骤s3：根据所述相关系数矩阵确定有效孔径下的全矩阵数据集，具体包括：
[0075]
步骤s31：根据所述相关系数矩阵进行归一化处理，获得归一化矩阵；归一化处理的条件为：|k
ij
|≥0.6的设为1，|k
ij
|＜0.6的设为0。
[0076]
步骤s32：统计所述归一化矩阵中每行为1的个数，并选取最小个数作为超声阵列脱粘检测的有效孔径个数s。
[0077]
步骤s33：从所述相关系数矩阵中每行按照相关系数从大到小依次选取s个，形成强相关系数矩阵，具体公式为：
[0078][0079]
其中，ρ
′
表示强相关系数矩阵,k
′
ns
表示第n行第s列对应的强相关系数。
[0080]
步骤s34：根据所述强相关系数矩阵确定有效孔径下的全矩阵数据集，具体公式为：
[0081][0082]
其中，h1表示有效孔径下的全矩阵数据集，h
′
ns
表示第n行第s列对应的有效孔径下的全矩阵数据。
[0083]
例如阵元数n＝16，有效孔径个数s为4，假设计算得到的强相关矩阵为：
[0084][0085]
其中，ρ
′
表示强相关矩阵,k
′
ns
表示第n行第s列对应的相关系数。
[0086]
根据所述强相关矩阵可得到有效孔径下的全矩阵数据为：
[0087][0088]
其中，h1表示有效孔径下的全矩阵数据，h
′
ns
表示第n行第s列对应的有效孔径下的全矩阵数据。
[0089]
步骤s4：根据所述有效孔径下的全矩阵数据集实现界面脱粘缺陷的全聚焦c扫描成像，具体包括：
[0090]
针对复合构件粘接检测的特点，即脱粘缺陷只出现在粘接界面位置处，采用全聚焦c扫描成像方式，成像区域为超声阵列下方界面位置区域，如图4所示，从1号阵元下方开始，以阵元间距大小d为步进，到n号阵元下方位置结束，共有(1，2，...n)n个成像位置。
[0091]
在成像位置1处。从有效孔径下的全矩阵数据集h1中选取第一行数据，依次提取有效孔径下的全矩阵数据h
′
11
‑
h
′
1s
界面位置处特征的声压幅值，记作i
11
‑
i
1s
，从而得到位置1处的声压总幅值其中，i
1i
表示第1成像位置处第i个特征的声压幅值，s表示有效孔径下的全矩阵数据集h1中总列数。
[0092]
在成像位置2处。从有效孔径下的全矩阵数据集h1中选取第二行数据，依次提取有效孔径下的全矩阵数据h
′
21
‑
h
′
2s
界面位置处特征的声压幅值，记作i
21
‑
i
2s
，从而得到位置2处的声压总幅值其中，i
2i
表示第2成像位置处第i个特征的声压幅值。
[0093]
以此类推，依次计算n个成像位置处的声压总幅值。
[0094]
对n个成像位置处的声压总幅值进行归一化处理，得到被检测区域的全聚焦c扫描成像图。
[0095]
实施例2
[0096]
如图5所示，本发明公开一种超声相控阵界面脱粘缺陷全聚焦c扫描成像系统，所述系统包括：
[0097]
全矩阵数据集确定模块501，用于采集复合构件界面的回波信号，并构成全矩阵数据集；所述全矩阵数据集由n
×
n个回波信号组成的，其中，n为相控阵列换能器中阵元的个数。
[0098]
相关系数矩阵确定模块502，用于基于皮尔逊相关法计算所述全矩阵数据集中两个回波信号间的相关系数，并构建相关系数矩阵。
[0099]
有效孔径下的全矩阵数据集确定模块403，用于根据所述相关系数矩阵确定有效孔径下的全矩阵数据集。
[0100]
全聚焦c扫描成像模块504，用于根据所述有效孔径下的全矩阵数据集实现界面脱粘缺陷的全聚焦c扫描成像。
[0101]
作为一种可选的实施方式，本发明所述基于皮尔逊相关法计算所述全矩阵数据集中两个回波信号间的相关系数的具体公式为：
[0102][0103]
其中，h
ii
表示第i个阵元发射超声波由第i个阵元接收的回波信号，h
ij
表示第i个
阵元发射超声波由第j个阵元接收的回波信号，k
ij
表示回波信号h
ii
与回波信号h
ij
间的相关系数，m表示信号的采样点个数。
[0104]
作为一种可选的实施方式，本发明所述有效孔径下的全矩阵数据集确定模块503，具体包括：
[0105]
归一化处理单元，用于根据所述相关系数矩阵进行归一化处理，获得归一化矩阵；归一化处理的条件为：|k
ij
|≥0.6的设为1，|k
ij
|＜0.6的设为0；其中，h
ii
表示第i个阵元发射超声波由第i个阵元接收的回波信号，h
ij
表示第i个阵元发射超声波由第j个阵元接收的回波信号，k
ij
表示回波信号h
ii
与回波信号h
ij
间的相关系数。
[0106]
有效孔径个数确定单元，用于统计所述归一化矩阵中每行为1的个数，并选取最小个数作为超声阵列脱粘检测的有效孔径个数s。
[0107]
强相关系数矩阵确定单元，用于从所述相关系数矩阵中每行按照相关系数从大到小依次选取s个，形成强相关系数矩阵。
[0108]
有效孔径下的全矩阵数据集确定单元，用于根据所述强相关系数矩阵确定有效孔径下的全矩阵数据集。
[0109]
作为一种可选的实施方式，本发明所述全聚焦c扫描成像模块504，具体用于：
[0110]
从1号阵元下方开始，以阵元间距大小d为步进，到n号阵元下方位置结束，共有n个成像位置。
[0111]
在成像位置1处；从有效孔径下的全矩阵数据集h1中选取第一行数据，依次提取有效孔径下的全矩阵数据h
′
11
‑
h
′
1s
界面位置处特征的声压幅值，记作i
11
‑
i
1s
，从而得到位置1处的声压总幅值其中，i
1i
表示成像位置1处第i个特征的声压幅值，s表示有效孔径下的全矩阵数据集h1中总列数。
[0112]
在成像位置2处；从有效孔径下的全矩阵数据集h1中选取第二行数据，依次提取有效孔径下的全矩阵数据h
′
21
‑
h
′
2s
界面位置处特征的声压幅值，记作i
21
‑
i
2s
，从而得到位置2处的声压总幅值其中，i
2i
表示第2成像位置处第i个特征的声压幅值。
[0113]
以此类推，依次计算n个成像位置处的声压总幅值。
[0114]
对n个成像位置处的声压总幅值进行归一化处理，得到被检测区域的全聚焦c扫描成像图。
[0115]
与实施例相同的步骤或公式在此不再一一论述，具体详见实施例1。
[0116]
本发明在成像时基于相关匹配方法确定超声相控阵检测时的阵列的有效孔径，从而在提高成像效果的同时可减少冗余计算信息，提高成像效率。
[0117]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0118]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。