一种基于超声兰姆波缺陷检测的成像方法及装置与流程

1.本技术涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于超声兰姆波缺陷检测 的成像方法及装置。


背景技术：

2.超声兰姆波(lamb wave)检测技术因具有检测范围大和检测效率高的特 点而备受关注，是一种适合于长距离大面积结构的快速有效的无损检测方法， 随着对兰姆波理论的深入研究，该技术在工程结构的检测与评价方面已得到 广泛应用。但是由于兰姆波的频散和多模式特性的影响，通常在应用兰姆波 进行检测时设法避开这些特性的影响，因而无法形成高分辨率的检测图像。
3.通常在应用兰姆波进行缺陷检测时，是有选择地激发单一模式的兰姆波 进行检测，但是当波传播到缺陷位置并与缺陷相互作用产生的频散和多模式 现象是无法避免的。常规成像算法通常只提取某一模式的兰姆波信号进行成 像，而忽略了多个模式频散的波之间蕴含的有用的信息，因此无法形成高分 辨率的检测图像。


技术实现要素：

4.本技术提供一种基于超声兰姆波缺陷检测的成像方法，应用该方法可以 获得高分辨率的检测图像。
5.第一方面，本技术提供了一种基于超声兰姆波缺陷检测的成像方法，包 括：获取待检测板状结构的缺陷回波信号，所述缺陷回波信号至少包括第一 模式的兰姆波回波信号和第二模式的兰姆波回波信号，其中，所述缺陷回波 信号为n个传感器中任一传感器接收到的回波信号，所述n个传感器布置于 所述待检测板状结构的待检测区域，所述n为大于或等于3的正整数；对所 述第一模式的兰姆波回波信号和第二模式的兰姆波回波信号进行聚焦处理， 确定聚焦回波信号；基于所述聚焦回波信号，确定第一距离，所述第一距离 表征所述缺陷回波信号对应的传感器所在位置与所述缺陷所在位置之间的距 离；基于所述n个缺陷回波信号对应的第一距离，确定所述待检测板状结构 的缺陷检测图像。
6.在另一个可能的实现中，所述对所述第一模式的兰姆波回波信号和第二 模式的兰姆波回波信号进行聚焦处理，确定聚焦回波信号，包括：
7.基于所述待检测板状结构的厚度、超声兰姆波的频散特性和预设第一距 离，确定所述第一模式的兰姆波回波信号的相位变化和第二模式的兰姆波回 波信号的相位变化，其中，所述超声兰姆波的频散特性包括超声兰姆波的信 号角频率、所述第一模式的兰姆波的传播速度和所述第二模式的兰姆波的传 播速度；
8.基于所述第一模式的兰姆波回波信号的相位变化和第二模式的兰姆波回 波信号的相位变化，确定频散补偿系数；
9.基于所述频散补偿系数和所述缺陷回波信号，确定所述聚焦回波信号。
10.在另一个可能的实现中，所述基于所述频散补偿系数和所述缺陷回波信 号，确定
所述聚焦回波信号，包括：
11.基于所述频散补偿系数和所述缺陷回波信号，确定频散补偿信号的频域 表达；
12.将所述频散补偿信号的频域表达转换为所述频散补偿信号的时域表达；
13.基于目标时间窗口和所述频散补偿信号的时域表达，确定所述聚焦回波 信号，所述目标时间窗口基于声源激发信号的时间长度、所述第一模式的兰 姆波的传播速度和所述第二模式的兰姆波的传播速度确定。
14.在另一个可能的实现中，所述基于所述聚焦回波信号，确定第一距离， 包括：
15.将最大幅值的所述聚焦回波信号对应的所述预设第一距离，确定为所述 第一距离。
16.在另一个可能的实现中，所述基于所述n个缺陷回波信号对应的第一距 离，确定所述待检测板状结构的缺陷检测图像，包括：
17.获取第二距离信息，所述第二距离信息包括像素坐标系中各个像素坐标 与所述n个传感器中各个传感器在所述像素坐标系中的位置坐标之间的距离， 所述像素坐标系基于所述待检测板状结构的表面确定；
18.基于所述第二距离信息和所述n个缺陷回波信号对应的第一距离，确定 所述像素坐标系中各个像素坐标的像素值；
19.基于所述像素坐标系中各个像素坐标的像素值，生成所述待检测板状结 构的缺陷检测图像。
20.第二方面，本技术提供了一种基于超声兰姆波缺陷检测的成像装置，包 括：
21.n个传感器，布置于待检测板状结构的待检测区域，用于接收所述待检测 板状结构的缺陷回波信号，所述n为大于或等于3的正整数；
22.通信接口，用于接收所述n个传感器接收到的缺陷回波信号，所述缺陷 回波信号至少包括第一模式的兰姆波回波信号和第二模式的兰姆波回波信号；
23.存储器，存储有计算机指令；
24.处理器，执行所述计算机指令，执行如下步骤：
25.对所述第一模式的兰姆波回波信号和第二模式的兰姆波回波信号进行聚 焦处理，确定聚焦回波信号；
26.基于所述聚焦回波信号，确定第一距离，所述第一距离表征所述缺陷回 波信号对应的传感器所在位置与所述缺陷所在位置之间的距离；
27.基于所述n个缺陷回波信号对应的第一距离，确定所述待检测板状结构 的缺陷检测图像。
28.在另一个可能的实现中，所述对所述第一模式的兰姆波回波信号和第二 模式的兰姆波回波信号进行聚焦处理，确定聚焦回波信号，包括：
29.基于所述待检测板状结构的厚度、超声兰姆波的频散特性和预设第一距 离，确定所述第一模式的兰姆波回波信号的相位变化和第二模式的兰姆波回 波信号的相位变化，其中，所述超声兰姆波的频散特性包括超声兰姆波的信 号角频率、所述第一模式的兰姆波的传播速度和所述第二模式的兰姆波的传 播速度；
30.基于所述第一模式的兰姆波回波信号的相位变化和第二模式的兰姆波回 波信号的相位变化，确定频散补偿系数；
31.基于所述频散补偿系数和所述缺陷回波信号，确定所述聚焦回波信号。
32.在另一个可能的实现中，所述基于所述频散补偿系数和所述缺陷回波信 号，确定所述聚焦回波信号，包括：
33.基于所述频散补偿系数和所述缺陷回波信号，确定频散补偿信号的频域 表达；
34.将所述频散补偿信号的频域表达转换为所述频散补偿信号的时域表达；
35.基于目标时间窗口和所述频散补偿信号的时域表达，确定所述聚焦回波 信号，所述目标时间窗口基于声源激发信号的时间长度、所述第一模式的兰 姆波的传播速度和所述第二模式的兰姆波的传播速度确定。
36.在另一个可能的实现中，所述基于所述聚焦回波信号，确定第一距离， 包括：
37.将最大幅值的所述聚焦回波信号对应的所述预设第一距离，确定为所述 第一距离。
38.在另一个可能的实现中，所述基于所述n个缺陷回波信号对应的第一距 离，确定所述待检测板状结构的缺陷检测图像，包括：
39.获取第二距离信息，所述第二距离信息包括像素坐标系中各个像素坐标 与所述n个传感器中各个传感器在所述像素坐标系中的位置坐标之间的距离， 所述像素坐标系基于所述待检测板状结构的表面确定；
40.基于所述第二距离信息和所述n个缺陷回波信号对应的第一距离，确定 所述像素坐标系中各个像素坐标的像素值；
41.基于所述像素坐标系中各个像素坐标的像素值，生成所述待检测板状结 构的缺陷检测图像。
42.本技术提供的基于超声兰姆波缺陷检测的成像方法，通过频散补偿的手 段，将对缺陷的定位问题转化为寻找补偿后信号峰值的问题，对缺陷的定位 和成像具有十分重要的意义和应用价值。
附图说明
43.图1为本技术实施例提供的基于超声兰姆波缺陷检测的成像方法的流程 图；
44.图2为本技术实施例提供的基于超声兰姆波缺陷检测的成像装置的结构 示意图。
具体实施方式
45.下面通过附图和实施例，对本技术的技术方案做进一步的详细描述。
46.图1为本技术实施例提供的基于超声兰姆波缺陷检测的成像方法的流程 图。如图1所示，该方法包括步骤s101
‑
步骤s104。
47.在步骤s101中，获取待检测板状结构的缺陷回波信号。
48.示例性的，将探头固定在待检测板状结构上，将n个传感器布置于待检 测板状结构的感兴趣区域(即待检测区域)，通过探头激励产生超声兰姆波， 当待检测板状结构中存在缺陷时，n个传感器接收到缺陷回波信号，通过获取 n个传感器接收到的缺陷回波信号得到待检测板状结构的缺陷回波信号。
49.需要说明的是，缺陷回波信号中包括多个模式的兰姆波回波信号，例如 第一模式的兰姆波回波信号和第二模式的兰姆波回波信号，n为大于或等于3 的正整数,下面以多个
模式的兰姆波回波信号为两个模式的兰姆波信号(即包 括第一模式的兰姆波回波信号和第二模式的兰姆波回波信号)为例对本技术 的基于超声兰姆波缺陷检测的成像方法的具体方案进行说明。
50.在步骤s102和步骤s103中，对第一模式的兰姆波回波信号和第二模式 的兰姆波回波信号进行聚焦处理，确定聚焦回波信号，然后基于聚焦回波信 号确定第一距离，第一距离表征缺陷回波信号对应的传感器所在位置与缺陷 所在位置之间的距离。
51.示例性的，在缺陷检测时，假设传播到缺陷处的入射信号频谱为s(r0,ω)， 接收点(即n个传感器中的某一传感器所处位置)与缺陷的距离为r，并假设 缺陷散射信号中含两个兰姆波模式，这时，缺陷回波信号的频谱可表示为
[0052][0053]
其中s(r0,ω)表示在缺陷处的声波振动信号频谱，ω为信号角频率，a1和a2对应兰姆波两个模式的幅度，和分别为这两个模式从缺陷传播 到接收点处的相位变化，缺陷与接收点的距离为r。在已知板的厚度h的前提 下，通过兰姆波频散理论公式，可以计算得到第i个模式兰姆波在频率为ω时 传播速度c
i
，不同模式从缺陷传播到接收点处的相位变化可以通过以下公式计 算得到：
[0054][0055]
根据相位的变化关系，我们可以对其进行反相补偿，补偿后的频域信号 函数为：
[0056][0057]
其中，和即为频散补偿系数，换言之，基于频散补偿系 数和接收到的缺陷回波信号，确定频散补偿信号的频域表达。
[0058]
将该频散补偿后的信号函数通过傅里叶变换，得到时间域下频散补偿信 号a(t)，也即频散补偿信号的时域表达：
[0059]
a(t)＝(a1 a2)s(r0,t) s
′1 s
′
2 (3)
[0060]
其中s(r0,t)是s(r0,ω)的傅里叶变换，也是得到完全频散补偿的模式信号， s
′
和s2′
表示未被完全补偿的干扰项。
[0061]
在(3)式中，s(r0,t)是两个模式信号经过完全补偿后的信号，与接收点位 置无关，为缺陷处信号振动的时间函数，(3)式中的后两项为干扰项，与接收 点位置r有关，在波形到达时间上分处在s(r0,t)的两侧。因此，我们可以在时 间上通过控制适当的时间窗(即目标时间窗口)来截取到完全补偿的时间信 号(a1 a2)s(r0,t)，时间窗口的长度δt与声源激发信号的时间长度t，以及不同 模式传播到缺陷处的频散特性有关：
[0062]
δt＝t (r0/c
min
‑
r0/c
max
)
[0063]
其中c
min
和c
max
为不同模式兰姆波传播速度c
i
中的最小值和最大值，即当多 个模式兰姆波包括第一模式兰姆波和第二模式兰姆波时，c
min
和c
max
则分别为 第一模式兰姆波和第二模式兰姆波中传播速度较小的传播速度和传播速度较 大的传播速度。
[0064]
(a1 a2)s(r0,t)就是缺陷散射回波信号中含有两个兰姆波模式时得到的聚焦 信号，为缺陷处的原始入射信号。
[0065]
当缺陷散射回波信号中包含多个模式时，可采用与以上类似的方法截取 得到缺陷处的原始入射信号。
[0066]
在缺陷检测过程中，接收点与缺陷之间的距离r是未知的，于是在对接收 到的缺陷回波信号进行聚焦接收时，我们采用预设距离r
′
来计算得到聚焦接收 信号a(t)，当预设距离r
′
越接近于缺陷和接收点之间的实际距离r时，这种频 散补偿的效果越好，得到的聚焦接收信号的峰值也就越大。因此，我们通过 不断地改变预设距离r
′
来得到最大峰值的聚焦回波信号，从而得到缺陷的实际 位置，即实现对缺陷的定位，也就是说，最大的聚焦回波信号对应的预设距 离r
′
，即为接收点与缺陷的实际距离r，也即第一距离。
[0067]
容易理解的是，将多个r
′
分别代入公式计算会得到多个聚焦接收信号a(t)， 最大的聚焦回波信号对应的预设第一距离(r
′
)的含义为，多个聚焦接收信号 a(t)中最大幅值的聚焦接收信号a(t)对应代入的r
′
，该r
′
即为缺陷和接收点之 间的实际距离r，即第一距离。
[0068]
预设第一距离r
′
的设置与待检测板状结构的结构有关，例如预设第一距离 r
′
为10
‑
50cm。
[0069]
在步骤s104中，基于n个缺陷回波信号对应的第一距离，确定待检测板 状结构的缺陷检测图像。
[0070]
示例性的，基于兰姆波传播的二维平面(x,y)，即待检测板状结构的表面， 确定像素坐标系，对感兴趣的成像区域布置n个传感器，对于各个传感器接 收的缺陷回波信号，应用上一步中对缺陷定位的方法得到缺陷与传感器之间 的距离r
i
(i＝1,2,...,n)(即第一距离)，我们提出以下兰姆波成像算法
[0071][0072]
其中h(x,y)代表像素点(x,y)处的像素值，l
i
表示像素点(x,y)与第i个传感 器之间的距离(即第二距离)。基于各个像素坐标系中各个像素坐标(即像 素点)的像素值，生成待检测板状结构的缺陷检测图像。
[0073]
选取计算得到的像素值的最大值所在位置作为缺陷的位置，该成像算法 可实现对二维板状结构中缺陷的高精度成像。
[0074]
与前述方法实施例基于相同的构思，本技术实施例中还提供了一种基于 超声兰姆波缺陷检测的成像装置200，该材基于超声兰姆波缺陷检测的成像装 置200包括用以实现图1所示的基于超声兰姆波缺陷检测的成像方法中各个 步骤的单元或手段。
[0075]
图2为本技术实施例提供的一种基于超声兰姆波缺陷检测的成像装置的 结构示意图。如图2所示，该一种基于超声兰姆波缺陷检测的成像装置200 至少包括：
[0076]
n个传感器201，布置于待检测板状结构的待检测区域，用于接收所述待 检测板状结构的缺陷回波信号，所述n为大于或等于3的正整数；
[0077]
通信接口202，用于接收所述n个传感器接收到的缺陷回波信号，所述缺 陷回波信号至少包括第一模式的兰姆波回波信号和第二模式的兰姆波回波信 号；
[0078]
存储器203，存储有计算机指令；
[0079]
处理器204，执行所述计算机指令，执行如下步骤：
[0080]
对所述第一模式的兰姆波回波信号和第二模式的兰姆波回波信号进行聚 焦处理，确定聚焦回波信号；
[0081]
基于所述聚焦回波信号，确定第一距离，所述第一距离表征所述缺陷回 波信号对应的传感器所在位置与所述缺陷所在位置之间的距离；
[0082]
基于所述n个缺陷回波信号对应的第一距离，确定所述待检测板状结构 的缺陷检测图像。
[0083]
在另一个可能的实现中，所述对所述第一模式的兰姆波回波信号和第二 模式的兰姆波回波信号进行聚焦处理，确定聚焦回波信号，包括：
[0084]
基于所述待检测板状结构的厚度、超声兰姆波的频散特性和预设第一距 离，确定所述第一模式的兰姆波回波信号的相位变化和第二模式的兰姆波回 波信号的相位变化，其中，所述超声兰姆波的频散特性包括超声兰姆波的信 号角频率、所述第一模式的兰姆波的传播速度和所述第二模式的兰姆波的传 播速度；
[0085]
基于所述第一模式的兰姆波回波信号的相位变化和第二模式的兰姆波回 波信号的相位变化，确定频散补偿系数；
[0086]
基于所述频散补偿系数和所述缺陷回波信号，确定所述聚焦回波信号。
[0087]
在另一个可能的实现中，所述基于所述频散补偿系数和所述缺陷回波信 号，确定所述聚焦回波信号，包括：
[0088]
基于所述频散补偿系数和所述缺陷回波信号，确定频散补偿信号的频域 表达；
[0089]
将所述频散补偿信号的频域表达转换为所述频散补偿信号的时域表达；
[0090]
基于目标时间窗口和所述频散补偿信号的时域表达，确定所述聚焦回波 信号，所述目标时间窗口基于声源激发信号的时间长度、所述第一模式的兰 姆波的传播速度和所述第二模式的兰姆波的传播速度确定。
[0091]
在另一个可能的实现中，所述基于所述聚焦回波信号，确定第一距离， 包括：
[0092]
将最大幅值的所述聚焦回波信号对应的所述预设第一距离，确定为所述 第一距离。
[0093]
在另一个可能的实现中，所述基于所述n个缺陷回波信号对应的第一距 离，确定所述待检测板状结构的缺陷检测图像，包括：
[0094]
获取第二距离信息，所述第二距离信息包括像素坐标系中各个像素坐标 与所述n个传感器中各个传感器在所述像素坐标系中的位置坐标之间的距离， 所述像素坐标系基于所述待检测板状结构的表面确定；
[0095]
基于所述第二距离信息和所述n个缺陷回波信号对应的第一距离，确定 所述像素坐标系中各个像素坐标的像素值；
[0096]
基于所述像素坐标系中各个像素坐标的像素值，生成所述待检测板状结 构的缺陷检测图像。
[0097]
应理解，在本技术实施例中，该处理器204可以是中央处理单元cpu，该 处理器204还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signalprocessor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit， asic)、现场可编程门阵列(field programmable gate array,fpga)或者 其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用 处理器可以是微处理器或者是任何常规的处理器等。
[0098]
该存储器203可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器204 提供指令和数据。存储器203还可以包括非易失性随机存取存储器。例如， 存储器203还可以存储计算机指令，处理器执行该计算机指令实现上述基于 超声兰姆波缺陷检测的成像方法。
[0099]
该存储器203可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性 和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read
‑
onlymemory,rom)、可编程只读存储器(programmable rom,prom)、可擦除可 编程只读存储器(erasable prom,eprom)、电可擦除可编程只读存储器 (electrically eprom,eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存 储器(random access memory,ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但 不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram, sram)、动态随机存取存储器(dram)、同步动态随机存取存储器(synchronousdram,sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data datesdram,ddr sdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced sdram, esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink dram,sldram)和直 接内存总线随机存取存储器(direct rambus ram,dr ram)。
[0100]
应理解，根据本技术实施例的基于超声兰姆波缺陷检测的成像装置200 可以对应于执行根据本技术实施例中图1所示方法中的相应主体，并且基于 超声兰姆波缺陷检测的成像装置200中的各个器件的上述和其它操作和/或功 能分别为了实现图1的方法的相应流程，为了简洁，在此不再赘述。
[0101]
本领域普通技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实 施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二 者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已 经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是 软件方式来执轨道，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普 通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但 是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0102]
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理 器执轨道的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储 器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、 寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd
‑
rom、或技术领域内所公知的任意其它形式 的存储介质中。
[0103]
以上所述的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式而 已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的精神和原则之内，所做 的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。