一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法

技术特征：
1.一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法，其特征在于，方法包括：s1、使用超声相控阵采集设备对复合材料的单向板进行一次相控阵全矩阵数据采集，得到一组全矩阵数据；s2、根据s1仅一次采集获得的全矩阵数据，提取不同传播角度下a扫信号的准纵波与准横波的回波渡越时间进而计算获得各个弹性常数；s3、建立弹性常数与任意传播角度下准纵波的群速度分布之间的关系，计算获得不同铺层内准纵波的群速度分布；所述步骤s3具体为：s31、建立角速度与波矢相关的函数进行求解并从中提取准纵波解；s32、根据求解获得的准纵波解结合步骤s2获得的各个弹性常数处理获得角速度w相对于传播角度的三个方向的微分量；s33、最后按照公式处理获得三维方向上的群速度矢量作为准纵波的群速度；s34、根据不同铺层的传播角度设定不同的三个方向处理获得各个铺层内的准纵波的群速度，从而获得不同铺层内准纵波的群速度分布；s4、针对任意铺层顺序的复合材料处理得到准纵波的群速度分布，利用准纵波的群速度分布作为传播声速分布进行自适应校正延时，对复合材料的缺陷区域进行全聚焦成像。2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法，其特征在于：所述s1中，提供与复合材料相同的材料与工艺制成的固定厚度的单向板，将超声相控阵采集设备的相控阵探头平行于材料纤维方向地置于材料一侧，对材料进行一次相控阵超声采集获得全矩阵数据。3.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法，其特征在于：所述步骤s2中，提取的回波渡越时间包括全矩阵数据中传播角度为90
°
的a扫信号中准纵波与准横波的回波渡越时间、传播角度为0
°
的a扫信号中准纵波的回波渡越时间以及传播角度为0
°
到90
°
之间的准纵波的回波渡越时间。4.根据权利要求1或3所述的一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法，其特征在于：所述步骤s2中，根据提取的回波渡越时间计算弹性常数c
11
、c
22
、c
55
和c
13
的具体过程为：s21、利用提取的传播角度为90
°
的a扫信号的准纵波、准横波的回波渡越时间，按照以下公式分别计算得到弹性常数c
22
和c
55
，公式如下：c
22
=ρ(2d/t
qp
(90
°
))2c
55
=ρ(2d/t
qsv
(90
°
))2其中，ρ为复合材料单向板密度，d为复合材料单向板厚度，t
qp
(90
°
)与t
qsv
(90
°
)分别为传播角度为90
°
的第一次准纵波和第一次准横波的回波渡越时间；c
22
、c
55
分别表示复合材料刚度矩阵中第二行与第二列对应位置的弹性常数和第五行与第五列对应位置的弹性常数；s22、利用提取的传播角度为非90
°
的a扫回波信号，提取沿纤维方向传播的准纵波的回波渡越时间，计算弹性常数c
11
：c
11
=ρ(l/t
qp
(0
°
))2其中，l为超声相控阵采集设备的相控阵探头中发射阵元与接收阵元之间水平距离，t
qp
(0
°
)为准纵波表面波渡越时间；c
11
表示刚度矩阵中第一行与第一列对应位置的弹性常数；s23、利用传播角度为非90
°
的a扫回波信号，提取第一次准纵波的回波渡越时间，结合三个弹性常数c
11
、c
22
与c
55
，按照以下通过全局优化算法求解得到剩余弹性常数c
13
：f(c
13
)=min∑(v
g
(c
11
,c
22
,c
55
,c
13
)-2d/(sin(θ)t
qp
(θ)))
2vg
(c
11
,c
22
,c
55
,c
13
)=sqrt((v
gx
)2 (v
gz
)2)v
gx
=(k
x
/ρw)[-(c
11
c
55
)ρw2 2c
11
c
55
k
x2
(c
11
c
22-c
132-2c
13
c
55
)k
z2
]/[(c
22
c
55
)k
z2
(c
11
c
55
)k
x2-2ρw2]v
gz
=(k
z
/ρw)[-(c
22
c
55
)ρw2 2c
22
c
55
k
x2
(c
11
c
22-c
132-2c
13
c
55
)k
x2
]/[(c
22
c
55
)k
z2
(c
11
c
55
)k
x2-2ρw2]其中，f()为优化目标函数，min表示取最小值，v
g
(c
11
,c
22
,c
55
,c
13
)是和弹性常数c
11
,c
22
,c
55
和c
13
相关的群速度，θ是波传播角度，t
qp
(θ)是对应传播角度θ下的第一次准纵波到达时间，c
13
表示剩余弹性常数，w为相速度对应的角速度，ρ为复合材料单向板密度，sqrt()表示求平方根。5.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法，其特征在于：所述步骤s3中，每个传播角度均采用三个方向传播的波矢量进行描述，分别表示为：k
x
=ksinθcosφk
y
=ksinθsinφk
z
=kcosθ其中，k为沿任意方向的传播波矢量大小，φ表示相速度的传播角度θ和xy平面上的x轴之间所夹的极化角，θ表示相速度的传播方向；k
x
、k
y
、k
z
分别表示波矢量投影在x轴、y轴、z轴方向上波矢量分量。6.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法，其特征在于：所述步骤s3具体为：s31、建立以下角速度与波矢相关的函数作为方程进行求解：建立以下角速度与波矢相关的函数作为方程进行求解：其中，g为角速度和波矢相关矩阵，g
11
、g
12
、g
13
、g
22
、g
23
、g
33
分别表示g矩阵中对应下标行与列对应位置的矩阵元素，ρ为复合材料单向板密度，w为相速度对应的角速度，det表示求矩阵行列式；求解行列式获得纯横波解、准纵波解和准横波解，从中提取准纵波解g(w,k
i
)；s32、针对准纵波，根据求解获得的准纵波解g(w,k
i
)结合各个弹性常数c
11
、c
22
、c
55
和c
13
按照以下公式进一步求解获得角速度w相对于传播角度的三个方向的微分量：g(w,k
i
)=(ρw2)
2-a(ρw2) ba=(c
22
c
55
)(k
y2
k
z2
) (c
11
c
55
)k
x2
b=c
22
c
55
(k
y2
k
z2
)2 c
11
c
55
k
x4
(c
11
c
22-c
132-2c
13
c
55
)(k
y2
k
z2
)k
x2
其中，g(w,k
i
)表示与准纵波相关的角速度与波矢相关函数，k
i
表示x、y、z三个方向上的波矢分量，a表示g(w,k
i
)中角速度二次项参数，b表示角速度零零次项参数；s33、最后按照以下公式处理获得三维方向上的群速度矢量作为准纵波的群速度v
g
：
v
g
=δw/δk
x
×
e1 δw/δk
y
×
e2 δw/δk
z
×
e3其中，w为角速度，k
x
、k
y
、k
z
为传播角度投影在三个方向上的波矢大小，e1、e2、e3为三个方向上的单位矢量，δ表示偏导；s34、根据不同铺层的传播角度设定不同的三个方向，进而重复按照上述步骤s31～s33处理获得各个铺层内的准纵波的群速度，从而获得不同铺层内准纵波的群速度分布。7.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法，其特征在于：所述步骤s4中，确定待检测复合材料内的铺层，针对各层铺层以当前铺层内部的铺层角度作为传播角度由步骤s3处理得到对应的准纵波的群速度作为当前铺层的传播声速；依据实际待检测复合材料内的铺层顺序，根据不同铺层内的传播声速，计算得到超声相控阵采集设备的相控阵探头中由第i阵元发射、第j阵元接收、成像区域对应点(x,y)的整条声传播路径自适应校正后的延时t
ij
(x,y)，从而完成延时校正。8.根据权利要求1所述的一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法，其特征在于：所述步骤s4中，根据延时按照以下公式进行处理获得校正后的全聚焦成像：i(x,y)=∑
i=1
∑
j=1
amp[h
ij
(t
ij
(x,y))]其中，i(x,y)为复合材料的成像区域中某一像素点的值，t
ij
(x,y)代表由第i阵元发射、第j阵元接收、对应点(x,y)的整条声传播路径自适应校正后的延时，h
ij
()是希尔伯特变换，amp[]是a扫信号对应t
ij
(x,y)延时位置的幅值大小。

技术总结
本发明公开了一种用于复合材料的自适应超声全聚焦缺陷成像方法。本发明是采用超声相控阵对复合材料单侧进行仅一次全矩阵数据采集，利用不同传播角度A扫信号计算得到四种弹性常数；利用四种弹性常数与各个播角度下准纵波的群速度分布之间的关系，进而计算不同铺层内准纵波群速度分布；针对实际检测利用准纵波群速度分布自适应校正延时，进行全聚焦成像以表征缺陷。本发明利用弹性常数与群速度分布间的关系获得了准确的延时，并能够自适应校正，简化了任意铺层复合材料层合板的声速分布曲线计算过程，满足复合材料层合板内部缺陷自动化无损检测需求。化无损检测需求。化无损检测需求。


技术研发人员：陈剑 俞振炀 吴施伟
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/8/14