一种基于声源定位的激光超声检测系统及方法

1.本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于声源定位的激光超声检测系统及方法。


背景技术：

2.随着科学技术和工业的进步，航空航天、汽车、建筑等领域得到了飞速的发展，对材料的质量提出了越来越高的要求。然而，在材料冷热加工和产品服役过程中时常出现非预期的工件质量问题，例如因冷却速度不均匀产生的裂纹会导致残余应力集中，熔融金属在凝固时因未及时排出气体而产生的气孔会削弱材料的连续性，工件长期处于运转状态而造成抗疲劳强度下降，上述出现的问题可能会致使试件的报废，严重时可能导致设备系统停止运行，对工件及时进行非破坏性的定量化检测可有效避免危害生产安全的事故发生。
3.传统的激光超声检测技术，一般是使用聚焦的激光束，配合扫描振镜来控制激光束的偏转，以实现对于目标区域的扫查。然而，由于聚焦的激光束光斑直径较小，一次只能激发单点的超声信号，因此完成对目标区域的扫查所花费的时间较长。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种基于声源定位的激光超声检测系统及方法，解决了现有技术中激光超声信号检测花费时间长的问题。
5.本技术第一方面提供了一种基于声源定位的激光超声检测系统，包括：激光器，与计算机电连接，并用于根据计算机设置的参数发出激光束；扩束镜，设置于激光器与待检测物体之间，用于扩大所述激光束的直径；麦克风阵列，用于接收待检测物体发出的激光超声信号，并将激光超声信号输入计算机；所述麦克风阵列包括多种中心频率的麦克风，每种中心频率的麦克风均为多个，同种中心频率的多个麦克风环绕麦克风阵列中心均匀分布；计算机，分别与麦克风阵列和激光器电连接，并用于根据接收到的激光超声信号，在激光束于待检测物体的照射范围内进行声源定位，再对定位的声源进行缺陷分析。
6.可选的，计算机中，所述根据接收到的激光超声信号，在激光束于待检测物体的照射范围内进行声源定位，具体为：将激光束的照射范围设置为搜索区域并划分为多个小区域，先确定声源所在的小区域，再在声源所在小区域中确定声源的精确位置。
7.可选的，所述确定声源所在的小区域具体为：将搜索区域内的激光超声信号根据空间位置转换为信号矩阵，根据信号矩阵以最优路径概率算法确定声源所在的小区域。
8.可选的，所述在声源所在小区域中确定声源的精确位置具体为：根据声源所在小区域对应的信号矩阵的元素，以多重信号分类算法确定声源的精确位置。
9.可选的，所述同种中心频率的多个麦克风环绕麦克风阵列中心均匀分布具体为：每种中心频率的多个麦克风环绕麦克风阵列中心呈环形均匀分布，多种中心频率的麦克风构成多个环形阵列。
10.可选的，所述多个环形阵列的半径各不相同，且各环形阵列与麦克风阵列安装基板的高度与半径成反比。
11.本技术第二方面提供了一种基于声源定位的激光超声检测方法，包括：以激光器根据设置的参数发出激光束，并通过扩束镜增加所述激光束的直径，照射在待检测物体上；以麦克风阵列接收待检测物体发出的激光超声信号；所述麦克风阵列包括多种中心频率的麦克风，每种中心频率的麦克风均为多个，同种中心频率的多个麦克风环绕麦克风阵列中心均匀分布；根据接收到的激光超声信号，在激光束于待检测物体的照射范围内进行声源定位，再对定位的声源进行缺陷分析，得到待检测物体的检测结果。
12.可选的，所述根据接收到的激光超声信号，在激光束于待检测物体的照射范围内进行声源定位，具体为：将激光束的照射范围设置为搜索区域并划分为多个小区域，先确定声源所在的小区域，再在声源所在小区域中确定声源的精确位置。
13.可选的，所述确定声源所在的小区域具体为：将搜索区域内的激光超声信号根据空间位置转换为信号矩阵，根据信号矩阵以最优路径概率算法确定声源所在的小区域。
14.可选的，所述在声源所在小区域中确定声源的精确位置具体为：根据声源所在小区域对应的信号矩阵的元素，以多重信号分类算法确定声源的精确位置。
15.本技术提供的基于声源定位的激光超声检测系统，通过激光器发出的激光束经过扩束器扩束后，使激光束照射区域覆盖待检测物体表面，并通过麦克风阵列获取激光束在待检测物体上激发的激光超声信号，在计算机中进行的声源定位能得到缺陷声源的位置，再对定位后的声源进行分析，得到缺陷的类型等信息，以扩大检测区域来减少现有技术以振镜逐点扫描所消耗的时间，再以声源定位法，对声源定位后进行缺陷分析，提高了检测效率。
附图说明
16.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，下面将对实施例或现有技术描述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它的附图。
17.图1为本技术提供的基于声源定位的激光超声检测系统的第一个结构示意图；图2为本技术提供的基于声源定位的激光超声检测系统的声源定位流程示意图；图3为本技术提供的基于声源定位的激光超声检测系统的麦克风阵列结构示意图图4为本技术提供的基于声源定位的激光超声检测系统的第二个结构示意图；
图5为本技术提供的基于声源定位的激光超声检测方法的流程示意图。
18.其中，附图标记为：10、激光器；20、扩束镜；30、麦克风阵列；31、麦克风；32、pcb板；40、计算机；50、数据处理器。
具体实施方式
19.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
20.本技术提供了一种基于声源定位的激光超声检测系统，解决了现有技术中，激光超声信号检测花费时间长的问题。
21.请参阅图1，图1为本技术提供的基于声源定位的激光超声检测系统的结构示意图。
22.本实施例第一方面提供了一种基于声源定位的激光超声检测系统，包括：激光器10，与计算机40电连接，并用于根据计算机40设置的参数发出激光束；需要说明的是，对于激光器的参数设置，可以直接在激光器中设置，也可以通过计算机40预设参数后，发送至激光器10的控制参数设置。
23.扩束镜20，设置于激光器10与待检测物体之间，用于调整所述激光束的直径；需要说明的是，扩束镜20使得激光器10原本发出的直径较小的激光束扩大为光斑直径较大的激光束，以此增加在待检测物体的照射区域面积，放大倍数根据待检测物体表面积确定。扩束镜20与激光器10之间只有激光束传导的关系，因此在物理上可以不连接，保证扩束镜20在激光器10和待检测物体之间，能实现扩束即可，被扩束后的激光束照射在待检测物体上后，一次性在一片区域中激发出激光超声信号。
24.麦克风阵列30，用于接收待检测物体发出的激光超声信号，并将激光超声信号输入计算机40；所述麦克风阵列30包括多种中心频率的麦克风，每种中心频率的麦克风均为多个，同种中心频率的多个麦克风环绕麦克风阵列30中心均匀分布；需要说明的是，麦克风为声学麦克风，多种中心频率的麦克风能增加对超声波的波段的接收范围，并以麦克风环形均布的设置提高了激光超声信号接收的灵敏度，对信号完整采样。进一步的，麦克风相比压电换能器和光学干涉仪，具有成本低，体积小，灵敏度高的优点，检测距离可高达几十至几百毫米，易于大规模阵列的工业制备。
25.计算机40，分别与麦克风阵列30和激光器10电连接，并用于根据接收到的激光超声信号进行声源定位，在激光束于待检测物体的照射范围内进行声源定位，再对定位的声源进行缺陷分析。
26.需要说明的是，现有技术中是以激光束逐点扫描待检测物体，检测得到的缺陷即为该点处的缺陷，而本实施例中经过扩束镜20将激光束扩束后，在待检测物体上形成较大的光斑，对一片区域进行激光超声信号的激发，因此需要在计算机40上进行声源定位，确定在激光束于待检测物体照射范围的何处存在发出激光超声信号的声源，然后再对其进行缺
陷的分析和检测。
27.在本实施例中，激光器发出的激光束经过扩束器扩束后，激发待检测物体一片区域的激光超声信号，通过麦克风阵列获取信号并传输至计算机，在计算机中进行声源定位得到声源的位置，再对定位后的声源进行分析，得到缺陷的类型等信息，以扩大检测区域来减少现有技术以振镜逐点扫描所消耗的时间，并以声源定位法快速定位声源，对声源定位后进行缺陷分析，提高了检测效率。
28.以上为本技术提供的一种基于声源定位的激光超声检测系统的第一个实施例的详细说明，下面为本技术提供的一种基于声源定位的激光超声检测系统的第二个实施例的详细说明。
29.本实施例中的麦克风具体为声学麦克风。激光超声激发的超声信号为宽频带信号，其没有具体范围，检测人员在使用换能器时，为确保检测分辨率，检测的超声波频率范围常在20-100mhz，忽略了其他激发的低频段超声信号，也就不会考虑以较低接收频率的声学麦克风来进行信号接收，且在激光超声检测领域发展初期，声学麦克风的灵敏度和响应范围也不足以满足检测需求，检测人员存在对声学麦克风的行业偏见。
30.请参阅图2，图2为本技术提供的基于声源定位的激光超声检测系统的麦克风阵列结构示意图；前述的麦克风阵列30具体为：每种中心频率的多个麦克风环绕麦克风阵列中心呈环形均匀分布，多种中心频率的麦克风构成多个环形阵列。
31.进一步的，所述多个环形阵列的半径各不相同，且各环形阵列与麦克风阵列安装基板的高度与半径成反比。
32.需要说明的是，不同中心频率的麦克风环形阵列可以设置在同一平面上，即都在基板上以同心环的方式依次排布；而本实施例中采用高低落差的方式，各麦克风环形阵列的半径和距离安装基板的高度都不相同，且高度与半径成反比，即半径越小，麦克风环形阵列越靠近中心，其设置的高度就越高。
33.本实施例中采用双环形阵列，分别由紧贴pcb板32面上安装的麦克风环形阵列，以及在pcb板32上的环形均布凸起上安装的另一麦克风环形阵列组成，pcb板32面阵列的环形半径大于凸起阵列的环形半径；检测人员可以根据实际检测情况设置麦克风阵列30上麦克风环形阵列的数量。
34.需要说明的是，多高度同心且半径不同的环形结构的阵列，可以使得麦克风阵列30接收的激光超声信号蕴含三维信息，以便于计算机40进行声源定位后，能够实现信号三维定位以及构建三维成像。
35.进一步的，同一麦克风阵列中，各麦克风之间布置的间距小于等于待测激光超声波的半波长。
36.需要说明的是，为了避免空间混叠，发生取样信号被还原成连续信号时产生彼此交叠而失真的现象取样信号被还原成连续信号时产生彼此交叠而失真的现象，相邻麦克风之间的距离需要满足空间采样定理，即：
其中d为同中相邻麦克风的间距，λ为麦克风阵列中最高中心频率对应的声波波长。
37.进一步的，参考图2，本实施例采用每环形阵列3个麦克风的设置，检测人员可以根据实际的检测需求和麦克风种类进行麦克风设置，使麦克风间距满足采样定理即可。
38.进一步的，麦克风阵列中心还可以设置开口，使得激光束可以穿过麦克风阵列而不会被影响，开口的面积远大于激光扫描范围。
39.进一步的，麦克风阵列中的麦克风的空间分辨率为20khz-100khz，且麦克风类型为多种，包括：多频段mems数字麦克风、多频段mems模拟麦克风、多频段ecm模拟麦克风和多频段ecm数字麦克风。麦克风的尺寸能达到毫米级，相对光学干涉仪和换能器有体积小的优点；多种的不同空间分辨率或类型的麦克风可以采用依次交替排布来设置，组合不同频段的麦克风，可以接收到频率更广的激光超声信号，并从中获取更多的信息；麦克风接收的超声信号相对频率较低，在空气中传播衰减慢，有检测距离远的优点，提高激光超声信号的接收效果。
40.请参阅图3，图3为本技术提供的基于声源定位的激光超声检测系统的第二个结构示意图；激光超声检测系统还包括：数据处理器50，用于对麦克风阵列采集的信号进行放大、滤波、锁相和采集处理。
41.需要说明的是，数据处理器50能够收集麦克风阵列30接收的信号，并进行放大、滤波、锁相和采集等处理后，输入计算机40中，以便于检测人员对激光超声信号进行声源定位和缺陷检测，提高检测的精度和效率。
42.所述激光器10中，发出的激光束波长范围在红外光和可见光之间，即处于309nm-1000μm范围内，检测人员可以针对待检测物体的材料和特性选择调整激励的激光的波长；进一步的，激光器可以是幅度调制的连续激光和脉冲激光，可以改变脉冲激光器的脉冲宽度或者改变连续激光器的调制频率，调制频率覆盖麦克风的频率范围，并配合不同中心频率的麦克风来实现对不同类型缺陷的检测。
43.进一步的，计算机40通过预先输入的激光参数驱动所述激光器10发出激光束。
44.在本实施例中，通过设置麦克风阵列中多环形阵列的排布，使其能采集到完整且包含三维信息的激光超声信号，并通过设置麦克风类型组合不同频段的麦克风，可以接收到频率更广的激光超声信号，并从中获取更多的信息。
45.以上为本技术提供的一种基于声源定位的激光超声检测系统的第二个实施例的详细说明，下面为本技术提供的一种基于声源定位的激光超声检测系统的第三个实施例的详细说明。
46.请参阅图4，图4为本技术提供的基于声源定位的激光超声检测系统的声源定位流程示意图；本实施例提供了一种激光超声检测系统的声源定位方法。
47.所述计算机内预先设有快速声源定位的成像算法，所述快速声源定位算法为最优转移路径概率算法和多重信号分类算法，其中最优转移路径概率算法包括蚁群算法、遗传算法等。
48.前述计算机40中，所述根据接收到的激光超声信号进行声源定位，再对定位的声
源进行缺陷分析的流程具体为：s1，将激光束在待检测物体上的照射区域作为搜索区域，并划分为若干个小区域，对划分后的区域利用最优转移路径概率算法定位出缺陷所在区域，即得到粗略位置。
49.需要说明的是，根据计算机设置的激光器参数、扩束镜的扩束参数和系统与待检测物体的距离，得到激光束在待检测物体上形成的光斑，即照射区域，将该照射区域作为搜索区域，并进行声源的搜索定位。
50.最优转移路径概率算法步骤为：根据麦克风阵列同步接收的激光超声信号构成矩阵x(t)，并计算矩阵协方差矩阵的特征值与特征向量；求噪声子空间，并得到每个区域的空间谱值；根据每个区域的空间谱值计算转移概率，对比转移概率得到声源的粗定位。
51.麦克风阵列接收到的信号矩阵为x(t)的计算方式具体为：其中，；；s(t)为d个声源信号组成的二维矩阵，n(t)为阵列收到的高斯白噪声，ni(t)表示第i个阵元接收到的高斯白噪声。
52.阵列流行矢量的计算模型为：其中，其中，表示第j个声源与yoz和 xoz平面之间的夹角；，f为声源信号的中心频率；τ
ij
表示第j个声源传播到第i个麦克风与传播到参考阵元(0，0，0)之间的时间差，可以通过公式τ
ij
=d
ij
/c计算；c为声速。
53.搜索点qi(r，，)与第i个麦克风(xi，yi，zi)和原点(0，0，0)之间的距离差为：其中，，分别为搜索点qi(r，，)与平面yoz、xoz的夹角，xi、yi分别表示搜索点与原点(0，0，0)之间的距离。
54.进一步的，计算转移概率采用最优转移路径概率算法，其通常用来搜寻最优路径。以蚁群算法为例，该算法具有信息素正反馈、分布计算和启发式搜索特征。在路径搜索过程中，每个蚂蚁个体会释放出信息素来改变周围的环境，通过环境中信息素的量来决定每个蚂蚁个体的下一步搜寻方向，使得搜寻过程不断收敛，最终收敛于全局最优解。
55.蚁群算法的流程为：（1）初始化蚁群；（2）计算搜索区域的每个小区间的适应度值；（3）根据适应度值计算转移概率；（4）对蚁群进行转移，（5）更新禁忌表，残留信息素；（6）判
断禁忌表是否全为0，否则返回第（4）步，是则进入精定位算法s2。
56.进一步的，对于有i行、j列组成的二维蚁群系统，蚂蚁a
ij
的转移规则，步骤（3）适应度计算转移概率的模型可表示为：其中： p
ijk
表示第i行、第j列的蚂蚁向方向k转移的概率；fk表示向方向k转移的适应度值，表示信息启发式因子；τ
ijk
表示第i行、第j列的蚂蚁在方向k的信息量，为期望启发因子；n表示转移方向个数，对于二维蚁群来说总共有4种转移方向，分别是x轴正方向、x轴负方向、y轴正方向和y轴负方向。
57.在所有蚂蚁进行一次转移之后，需要对信息量进行更新，其更新规则为：其中，ρ是信息挥发因子，表示第i行、第j列的蚂蚁在方向k的信息量变量。
58.s2，基于粗定位结果，以多重信号分类算法对激光超声声源进行精定位，得到声源精确位置。
59.需要说明的是，经过粗定位后，在完整的信号矩阵x(t)中选择粗定位区域对应的元素，作为粗定位矩阵xi(t)，设其数据协方差矩阵为r。
60.数据协方差矩阵的具体计算模型为：其中，rs和rn分别表示信号部分和噪声部分，h表示共轭转置运算，e(x)表示求x的期望值，a为阵列流行矢量，，其中，表示高斯白噪声的功率大小，i表示声强。
61.对矩阵r进行特征分解，并将所得的特征值从小到大进行排序，再将特征向量对应特征值进行排序，可得到矩阵u，根据子空间理论，矩阵u的前m-d列组成噪声子空间，剩余的d列构成信号子空间。
62.上述假设噪声与信源不相关，则信号与噪声满足正交特性，即，则music算法的空间谱估计函数可以表示如下：
进一步的，空间谱为功率谱中的一种。
63.需要说明的是，多重信号分类算法可以以x(t)计算r和空间谱值，作为步骤s1粗定位中空间谱值计算方法。
64.步骤s1和步骤s2的快速声源定位算法，在最终搜索步距相同时，能够大幅缩减定位过程中的计算量，从而在不降低定位精度的前提下大幅提高计算效率和定位准确度，可满足实时定位或成像的要求。
65.s3，通过幅值、渡越时间和频率，根据激光超声信号对定位后的声源实现表面及内部缺陷检测。
66.需要说明的是，在前述声源定位步骤后，得到缺陷声源所在位置，再根据激光超声信号的幅值、渡越时间和频率等参数，分析判断该声源是否是缺陷，以及是什么类型的缺陷，实现对待检测物体的表面及内部缺陷检测。
67.本实施例中，通过分别对激光超声信号进行粗定位和精定位，得到缺陷声源的定位，直接覆盖待检测物体进行缺陷的定位，使得不需要逐点扫描也能得到缺陷的确切位置，再对信号分析实现缺陷检测，减少了检测时间，提高了检测的效率。
68.以上为本技术提供的一种基于声源定位的激光超声检测系统的第三个实施例的详细说明，下面为本技术第二方面提供的一种基于声源定位的激光超声检测方法的详细说明。
69.请参阅图5，本实施例提供了一种基于声源定位的激光超声检测方法，包括：s100，以激光器根据设置的参数发出激光束，并通过扩束镜增加所述激光束的直径，照射在待检测物体上；s200，以麦克风阵列接收待检测物体发出的激光超声信号；所述麦克风阵列包括多种中心频率的麦克风，每种中心频率的麦克风均为多个，同种中心频率的多个麦克风环绕麦克风阵列中心均匀分布；s300，根据接收到的激光超声信号进行声源定位，在激光束于待检测物体的照射范围内进行声源定位，再对定位的声源进行缺陷分析，得到待检测物体的检测结果。
70.进一步的，步骤s300中，所述根据接收到的激光超声信号，在激光束于待检测物体的照射范围内进行声源定位，具体为：将激光束的照射范围设置为搜索区域并划分为多个小区域，先确定声源所在的小区域，再在声源所在小区域中确定声源的精确位置。
71.进一步的，所述确定声源所在的小区域具体为：将搜索区域内的激光超声信号根据空间位置转换为信号矩阵，根据信号矩阵以最优路径概率算法确定声源所在的小区域。
72.进一步的，所述在声源所在小区域中确定声源的精确位置具体为：根据声源所在小区域对应的信号矩阵的元素，以多重信号分类算法确定声源的精确位置。
73.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置
的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
74.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
75.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
76.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom，read-only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
77.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。