管道超声相控阵全聚焦成像仿真及算法优化

针对厚壁管道内部缺陷识别困难、可视化差等问题,提出基于超声相控阵理论和全聚焦算法对厚壁管道内部缺陷进行图像重构。并针对全聚焦成像效率低的缺点,采用有限元法对外径为550 mm,壁厚为65 mm的厚壁管道超声相控阵全聚焦成像进行仿真,模拟缺陷检测过程和成像结果,并使用稀疏矩阵对算法进行优化。结果表明:在基本满足成像质量要求的情况下,采用激发中心频率为5 MHz,阵元宽度为0.5 mm,阵元间距为1 mm,阵元数量为32时,稀疏激发矩阵比全矩阵全聚焦成像效率提高了74.81%,有效提高了成像速度,满足全聚焦快速成像的需求。

基于分割环阵的CFRP分层缺陷超声全聚焦成像

碳纤维复合材料在钻孔加工时易产生分层缺陷,分层缺陷严重影响了构件的力学性能,存在严重的安全隐患。针对碳纤维复合材料孔边分层缺陷的检测,提出一种基于分割环形阵列的1/4矩阵全聚焦成像方法。设计了R4×S8、R3×S12、R3×S16和R4×S12四种分割环形阵列结构,通过数值仿真对比分析了各阵列的聚焦声场特点,最终确定分割环阵探头为5 MHz的R4×S12探头。使用该探头对碳纤维复合材料孔边分层试块的上层、中层、下层缺陷进行全矩阵采集,利用VTK工具包分别进行全矩阵三维成像和1/4矩阵三维成像。结果表明,1/4矩阵方法比全矩阵方法三维成像的缺陷对比度更高,1/4矩阵方法的缺陷尺寸表征误差更小,误差不超过6%。与全矩阵成像相比,1/4矩阵成像信噪比提升范围为3.43~7.61 dB,有效提升了图像质量。

超声全聚焦成像的裂纹类缺陷定量误差分析

虽然超声全聚焦成像(total focusing method,TFM)具有直观显示裂纹特征的明显优势,但通过TFM图像进行裂纹定量时不可避免地出现测量误差。该文采用模拟与实验对比的方式,分析TFM技术的裂纹定量误差。从超声波波长对缺陷深度的影响规律入手,分析和研究裂纹长度和取向的全聚焦图像测量误差原因。最后,通过模拟实验对比的方式验证裂纹定量误差。研究结果表明,裂纹上、下尖端的测量深度比实际深度均有所下沉,但两者下沉的深度基本相同,相差在0.6 mm以内,裂纹长度的测量误差范围为0~1 mm,带取向裂纹的取向测量误差基本保持在3°以内。因此,上、下尖端在深度上的测量误差对裂纹长度和取向的影响极小。经实验验证,裂纹深度、长度及取向误差的结论与模拟的结论一致。

滤波预处理对提高全聚焦算法重建图像质量的比较研究

针对超声波无损检测方法中全聚焦算法重建缺陷图像伪影严重的问题,提出在全聚焦算法中加入滤波处理来进行压制,以提高图像质量和成像分辨率。首先分析了全聚焦算法重建缺陷图像的不足之处,然后提出分别使用R-L、S-L、Cosine和Hamming四种滤波函数对超声反射实验系统采集的全矩阵数据进行处理,最后将原始信号和分别经过四种滤波函数处理的回波信号通过全聚焦算法进行缺陷图像重建。成像结果表明,由经过四种滤波后重建的缺陷图像信噪比均优于由原始信号重建的图像,且R-L和S-L在四种滤波函数中对于提高图像重建质量的效果最好。试件Ⅰ经过R-L和S-L滤波重建的图像信噪比较未滤波的分别提高了8.99 dB和8.96 dB,试件Ⅱ分别提高了9.56 dB和9.55 dB。

复合绝缘子内部缺陷超声全聚焦检测仿真及实验研究

针对复合绝缘子高声衰减性导致的内部缺陷超声检测定位定量差的问题,采用全聚焦方法(TTFM)改善检测质量。基于k-Wave工具箱开展复合绝缘子内部缺陷超声全聚焦检测仿真研究,讨论频率、相控阵阵元数、缺陷尺寸等因素对检测结果的影响并开展检测实验。结果表明,采用全聚焦方法检测复合绝缘子内部缺陷的效果良好。频率对检测结果的影响较大,选择较大频率时超声波的穿透力减弱,超声波在复合绝缘子中的衰减系数增加;选择较小频率时探头检测分辨力降低,影响缺陷的定量,所以在检测复合绝缘子时应选用合适的频率,选用的4种不同频率中2.5 MHz频率的成像效果综合最佳。阵元数和缺陷尺寸对检测结果影响较小,在实际检测中应根据实际工程需要选择合适的阵元数。研究结果为超声全聚焦方法检测复合绝缘子内部缺陷提供了理论依据。

基于灰狼算法的轨道交通钢轨缺陷的稀疏全聚焦成像方法

[目的]采用超声相控阵技术可实现轨道交通钢轨缺陷的高精度成像检测,但广泛应用的全矩阵捕获全聚焦成像方法存在计算耗时长、实时性不高的缺点。为缩短成像计算时间,采用稀疏矩阵替代全矩阵进行超声成像,但传统智能优化算法在解决稀疏阵列设计问题时存在收敛慢、易陷入局部最优的问题。为提高收敛性能和全局搜索能力,提出基于灰狼算法的轨道交通钢轨缺陷的稀疏全聚焦成像方法。[方法]对优化算法下的稀疏阵列性能进行了分析;利用超声相控阵仪器在钢轨试样上采集超声信号,通过稀疏矩阵进行全聚焦成像,以分析成像质量和成像时间。[结果及结论]利用优化算法得到的稀疏阵列具有较高的旁瓣抑制力,PSL(峰值旁瓣水平)可达到-12.83 dB;当PSL阈值为-6 dB时,稀疏阵列主瓣宽度与全阵列2.8°的主瓣宽度相当;稀疏率为75%时,钢轨成像性能指标质量接近全阵列,成像时间缩短了56.35%。

管道环焊缝的全聚焦检测

全聚焦技术是一种基于全矩阵采集的虚拟聚焦图像后处理技术,全聚焦算法将成像区域分割为多个网格,对每一网格都进行聚焦,使得超声成像结果更加均匀平滑,成像质量优于常规相控阵超声检测方法的质量。根据全聚焦成像的技术特点开展管道环焊缝相控阵超声全聚焦检测工艺方案的研究,参照管道环焊缝试块设计标准设计并制作全聚焦验证试块,针对全聚焦验证试块、全自动超声检测(AUT)校准试块开展相控阵超声全聚焦检测试验。试验结果表明,对于V型坡口,全聚焦成像效果好;对于小角度的自动焊坡口,常规全聚焦检测时接收超声回波困难,存在检测灵敏度低的问题;通过对全聚焦算法的优化改进,提高了小角度缺陷的检出率,证明全自动焊焊缝可采用全聚焦技术进行检测。

超声相控阵全聚焦成像检测缺陷的定位定量优势分析

超声相控阵全聚焦成像具有成像分辨率好、信噪比高等优势,是近些年压力管道无损检测的研究热点。定量分析全聚焦成像与常规相控阵对不同深度、尺寸缺陷的识别精度,对于进一步认识并推广超声相控阵全聚焦成像技术具有一定意义。采用常规相控阵检测及全聚焦成像检测,对相控阵B型试块中的各缺陷孔进行定量识别和对缺陷信息进行对比的结果表明:超声相控阵全聚焦成像技术检测出的缺陷深度和缺陷直径优于常规相控阵检测。

超声平面阵全聚焦三维成像方法

针对全矩阵—全聚焦成像数据量大与后处理效率低的问题,提出使用平面阵全聚焦(PATFM)方法对平面阵数据进行成像。通过分析全聚焦成像算法特点,结合体平面阵波场特征,使用程函方程计算下行平面阵波前时间,基于延时叠加原理,利用上下行超声波传播时间改进全聚焦成像公式,针对平面阵推导指向性和扩散校正系数,对平面阵下方较大范围的成像点进行聚焦成像。利用FieldⅡ仿真,对比了相控扫描成像、全矩阵数据采集与全聚焦成像以及平面波数据采集与全聚焦成像3种成像方法。结果表明,平面阵全聚焦成像方法可以对单次平面阵数据进行大范围聚焦成像,在获得相应精度的同时,大大提高了计算效率,为阵列式声波三维成像提供了可行的技术手段。

基于环形统计矢量阈值加权的上表面开口裂纹横波全跨全聚焦成像

为了有效抑制非目标模式反射体回波伪影,本文提出环形统计矢量阈值(CSVT)加权的上表面开口裂纹横波全跨全聚焦成像技术。利用延时信号构建环形统计矢量(CSV),并根据Weibull分布确定伪影噪声的CSV值范围后,通过阈值将其剔除得到CSVT因子。研究表明,在32~64阵元有效孔径范围内,非目标模式反射体回波伪影噪声的CSV值范围在0.2~0.4之间,TT-TT模式(目标模式)下的上表面缺陷回波CSV值接近于1。因此,阈值处理后的CSVT因子值可有效保留缺陷的权重因子,同时抑制绝大多数非目标模式反射体伪影及相位随机分布的噪声。相比于横波全跨TFM成像,CSVT加权后的铝块TFM成像图中,上表面-45°~45°人工刻槽下尖端的裂纹信噪比提升范围为7.7~14 dB。

航空机匣环件曲面结构超声全聚焦检测与缺陷定量方法

航空发动机机匣所用环形锻件的沟槽和圆角部位容易产生各类缺陷。针对环形锻件的曲面结构,提出了超声全聚焦检测与缺陷定量方法。在待测区域建立圆柱坐标系并划分网格点,设计了Φ0.8 mm当量缺陷对比试块,采集了网格点处缺陷最大幅值数据集,将数据集在深度和角度两个方向拟合,建立了距离-角度-幅值曲面缺陷定量评价方法。某机匣环件试样实验结果表明缺陷定量方法的误差小于1 dB。

基于MDLatLRR和KPCA的光场图像全聚焦融合

为了提升光场成像的空间分辨率,结合光场图像数字重聚焦与多聚焦图像融合,提出了一种基于多尺度潜在低秩分解和核主成分分析的光场图像全聚焦融合算法。首先,对光场图像进行数字重聚焦得到重聚焦图像,然后对各重聚焦图像进行多尺度分解提取出基础层和显著层,对基础层、显著层分别采用局部梯度差值加权算法和多尺度梯度域显著性提取算法计算相应的特征系数;其次,联立基础层和各显著层的特征系数矩阵,然后用核主成分分析进行降维融合得到融合特征系数矩阵,使得经融合特征系数生成的聚焦决策图能充分考虑基础层和显著层的特征信息;最后,用聚焦决策图引导重聚焦图像进行全聚焦融合。实验结果表明,该算法与传统方法相比在视觉效果和边缘信息丰富度上具有更优表现,所生成的光场全聚焦图像具有更高的分辨率和更好的视觉效果。

基于二维等效声速的频域全聚焦超声成像研究

为了提高对碳纤维增强复合材料分层缺陷定位定量的精度,提出了一种基于二维等效声速映射的精准频域全聚焦方法三维成像技术。该技术首先将子矩阵的划分标准从激励点位置变为激励-接收间距,获得了一个新的全矩阵数据;然后将变换后的二维子矩阵变换至频域,根据深度和空间频率的变化推导出精准的二维等效声速映射,来匹配子矩阵数据中的收发分离信号,并结合角谱运算得到子矩阵频域重构图;运用快速傅里叶逆变换得到子矩阵聚焦图并将其融合得到全聚焦图像;最后运用多平面三维重构技术得到最终三维图像。结果表明,与传统F-TFM和F-SAFT算法相比,所提算法有效抑制了旁瓣效应的产生,双缺陷间距的定量误差缩减了20.31%,缺陷宽度定量误差分别缩减了5.43%和6.3%;当缺陷深度和双缺陷间距发生变化时仍可保证较高的检测灵敏度。

多模式全聚焦法对焊缝内部条状缺陷的检测及定量

研究多模式全聚焦方法对钢板对接焊缝内部不同倾斜角度缺陷的定量能力。以矩形刻槽代表焊缝内的条状缺陷,采用有限元方法获取刻槽单频散射系数,同时与波传播模型结合进行全矩阵数据模拟,对倾角不同的刻槽进行仿真成像。结果表明,LL-L,TT-T,TT-L等3种半跨模式可覆盖0°~40°倾角的缺陷,TL-LT,LL-LL,TL-TL,TT-TL,TT-LL等5种全跨模式可覆盖10°~70°倾角的缺陷,对缺陷角度表征能力最佳,应在实际检测中优先考虑。另外,刻槽长度定量易受散射强度影响,用同一阈值进行定量识别并不适合全部模式。

接管焊缝超声相控阵多模全聚焦检测技术

接管角焊缝是承压设备的关键部位,也是易于出现危害性缺陷的薄弱环节,因此,针对该薄弱区域的定期检测非常重要。相对于传统超声无损检测,超声相控阵全聚焦对焊缝内部缺陷的定位和定量具有优势。提出了一种针对焊缝内部缺陷的超声相控阵全聚焦方法,将多模成像方法应用于小口径接管焊缝的缺陷检测,实现对焊缝内部缺陷的有效检出。同时,根据检测对象的实际尺寸,通过智能算法计算声束入射参数,选择最佳成像区域,获得了一种有效区域多模融合成像方法。试验结果表明,本方法可检出直径为0.53 mm的角焊缝内部气孔缺陷,相对于单视图成像和普通超声能够有效提高缺陷定量和定位的准确性。

面向非规则界面双层介质超声全聚焦成像

为解决盲测工况下双层介质全聚焦成像困难的问题,提出了一种基于虚拟源(VS)的全聚焦(TFM)成像技术。首先,利用全矩阵数据集中的对角线信号一次界面回波飞行时间,在非规则双层介质界面建立一系列虚拟源点。通过对虚拟源点插值或拟合处理得到实现非规则介质界面的重建。最后,通过重构的界面寻找可能的折射点,以满足盲测条件下非规则界面双层介质TFM的成像条件。盲测条件下的结果表明,VS-TFM图像中的非规则界面和缺陷位置与实际吻合。与基于虚拟源的合成孔径聚焦技术(SAFT)相比,对于凸面试块,VS-TFM图像的信噪比提升了4.66~13.31 dB;对于凹面试块,VS-TFM图像的信噪比提升了4.74~12.8 dB,且API值基本相同,成像时间几乎不增加。因此,本文所提方法将全聚焦成像的应用对象拓展至盲测工况下非规则双层介质。

奥氏体不锈钢焊缝中的声学仿真模型与全聚焦成像检测

声波在奥氏体不锈钢焊缝中传播时声束弯曲,为超声成像带来了困难。基于Ogilvy焊缝模型,建立了奥氏体不锈钢焊缝非均匀各向异性声场仿真模型,采用Dijkstra路径搜索算法对各向异性条件下的声传播路径和声传播时间进行了数值模拟和分析。在此基础上,采用Verasonics超声相控阵成像系统,进行了奥氏体不锈钢焊缝的全聚焦成像实验,采集全矩阵回波数据,并结合理论模型计算的声传播路径和相应的传播时间,进行了成像结果修正。结果表明,与均匀介质模型的全聚焦成像结果相比,基于该文模型的焊缝全聚焦成像检测结果具有更高的缺陷定位精度和分辨率,验证了该方法的可行性,为奥氏体不锈钢焊缝成像检测提供了新的思路。

基于虚拟源的楔块斜入射全聚焦超声成像

在楔块斜入射检测工况下,为获得更好的缺陷成像质量,提出一种全聚焦(TF)和虚拟源(VS)相结合的超声成像方法。首先,利用楔块和被检工件界面之间的回波飞行时间在界面上构建VS;然后,借助所建VS,计算双层介质下各阵元的延时时间;最后,对成像区域中的各点进行延时叠加处理,得到斜入射检测工况下的TF图像。结果表明:构建VS引起的信号相位偏差不超过π/2,因而VS-TF图像能够准确呈现出楔块倾角和缺陷的位置。

基于超声相控阵全聚焦修正技术的焊接缺陷定量检测方法

超声相控阵全聚焦成像算法可用于焊接缺陷的定量化检测,然而超声波在介质中传播会产生能量的衰减,影响成像质量,从而降低被检缺陷定量的准确性。针对以上问题,提出一种基于检测声场模型的超声相控阵全聚焦修正技术,利用多元高斯叠加模型计算了被检工件内的声场分布情况,利用计算结果对超声相控阵全聚焦矩阵数据进行修正处理。为验证该方法的可行性,对一块包含人工缺陷的试件开展超声相控阵全聚焦成像检测试验,试验结果表明,该方法不仅可以改善成像质量,还可以提高缺陷定量精度。

异质结构焊缝检测的相控阵超声全聚焦算法优化

船舶异质结构焊缝检测的相控阵超声全聚焦算法信噪比高、适应性强,但该算法存在超大计算量和伪影等诸多问题。依据声束指向性提出该算法的优化方案。过滤非声束指向性声场中的重构点可大幅提升计算速度,并可优化相同路径默认调取全矩阵中同一幅值的伪影问题。将优化算法用于异质结构,获得高效高质量的检测结果,为满足铝钛钢复合接头大批量在线无损检测的工程需求提供思路。