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。

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。

基于全模式全聚焦方法的裂纹超声成像定量检测

利用超声成像方法对关注区域成像,对获取缺陷形状、尺度和取向等特征具有重要意义。考虑了21种不同声束路径的模式波,复合叠加各重建点能量最强信号,提出全模式全聚焦方法(FTFM)。利用一组探头楔块,通过一次信号采集实现未知裂纹的轮廓重建与定量检测。针对厚度40 mm碳钢中长度4 mm,中心深度25 mm,取向角度分别为0°、±20°、±50°和±80°的裂纹,采用64阵元、中心频率5 MHz线阵探头配合45°纵波楔块实施全矩阵捕捉(FMC)和FTFM成像,仿真和实验均重建了裂纹完整轮廓,裂纹长度、取向和中心深度定量误差分别不超过0.60 mm、2.39°和0.73 mm。最后,为保证FTFM成像质量,检测时应合理选择相控阵探头参数,并移动探头至最佳位置处采集FMC信号。

复杂结构焊缝缺陷双线阵全聚焦超声成像方法

某型航空发动机高温合金盘由涡轮盘本体和外层整体叶片环焊接而成,采用常规单通道超声方法检测焊接面缺陷时,存在检测分辨率低、信噪比差等问题,为此,提出了一种采用两组线性阵列换能器的检测方案。利用全聚焦方法(TFM)对焊接面缺陷进行成像表征,与常规全聚焦方法不同,阵列孔径和波形模式均能随检测深度动态变化,其最优参数通过理论仿真确定。制备了含预埋缺陷的航空发动机高温合金盘试样,开展了检测实验。结果表明:提出的双线阵全聚焦超声成像方法能有效提高高温合金盘未焊合面积型缺陷的检测能力,是一种可行的检测方案。

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。

基于Omega-K算法的快速全聚焦超声成像研究

针对现有超声全聚焦技术难以实时成像的问题,提出基于w-k算法的快速全聚焦技术。首先将用于全聚焦方法（TFM）成像的三维全矩阵数据分解为N个二维子矩阵;利用快速傅里叶变换,将1～N号子矩阵由时域I（t,x）转换为频域D（kZ,kx）;基于w-k算法构建波数迁移因子F（kZ,kx）,对D（kZ,kx）进行加权得到ID（kx,kz）,实现频域中的声束聚焦;通过快速傅里叶逆变换得到子矩阵聚焦图像,并将其进行图像融合,最终获得全聚焦图像。结果表明,单核测试条件下,快速全聚焦方法获得具有200×300像素点的64阵元图像所需平均时间仅为0.65 s,而常规全聚焦算法需要1 467.36 s。综上,基于ω-k算法的全聚焦技术具有成像速度快、对硬件要求低等优点,为实时的高精度在线无损检测提供了一种可行方法。

超声阵列方法在层状结构损伤检测中的应用

层状钢筋混凝土结构常见的裂缝、层间离缝等损伤具有尺度小、隐蔽的特点,常规检测方法无法对其精确查明与定量评价。以高铁层状无砟轨道结构为研究对象,使用阵列式超声装备采集半矩阵数据,利用全聚焦算法对轨道内部结构及损伤成像,通过线性旅行时插值射线追踪算法计算超声波在层状介质中传播的最短到达时间代入全聚焦成像公式,具有深度准确、分辨率高、聚焦性好的特点。提出一种层间密实度评价方法,以表面超声直达波能量为基准分析反射波能量差异计算密实指数,可定量分析无砟轨道层间状态。文中层状介质的检测和层间损伤定量评价方法有效查明层状无砟轨道层内裂缝和层间离缝,对使用超声波检测层状结构及层间损伤具有借鉴意义。

基于超声全聚焦成像的输气管线焊接缺陷高度测量技术

介绍了一种通过全聚焦图像评价焊缝内部缺陷高度的超声阵列方法。利用超声相控阵全矩阵捕获数据的时域信息对缺陷进行重构,通过对所获缺陷图像的归一化、背景噪声消除等处理,并按照实际板厚对图像进行标定后,直接利用缺陷图像进行缺陷自身高度测量,并将其结果与手工超声、超声衍射时差法及阵列扇扫结果进行对比。结果表明,缺陷全聚焦成像具有较高的成像质量和横向分辨率,缺陷高度定量精度也较基于相位控制的常规阵列超声技术高。

超声相控阵全聚焦成像算法比较分析

先进的成像算法推动了超声相控阵技术的发展,全聚焦方法(Total Focusing Method,TFM)是一种基于全矩阵捕获的虚拟聚焦后处理及缺陷图像重构算法。文章基于一维线阵相控阵纵波探头全矩阵数据模式,利用Matlab软件结合Field II自带开源函数包编写了算法程序,比较了TFM和1/2矩阵方法成像效果并对缺陷分辨率影响因素进行分析,最后用标准试块对算法进行实验验证。仿真结果表明,TFM和1/2矩阵方法都能用于缺陷重构且效果无明显差异,激励脉冲的宽度和频率对图像分辨率影响较大;实验表明,1/2矩阵的成像方法虽可有效降低计算数据量,但同时也丢失了检测区边缘处缺陷的部分信息,因而成像效果较TFM稍差。

考虑余高的焊缝内部缺陷全聚焦超声成像检测

针对存在余高对接焊缝检测空间受限、垂直入射声能发散,导致焊缝内部缺陷检测困难问题,开展全聚焦(Total Focusing Method,TFM)超声成像检测研究。仿真建立曲率半径6 mm、余高高度2.4 mm的碳钢对接焊缝模型,并设置深度20 mm的?2横通孔。利用TFM对焊缝模型表面轮廓位置进行提取,进而实现横通孔检出,成像质量优于B扫描、合成孔径聚焦技术和表面契合超声法,缺陷幅值和信噪比分别可达-14.96 dB和17.82 dB。试验得到的横通孔幅值和信噪比分别为-21.39 dB和7.51 dB,验证了方法可行性。在曲率半径18 mm、余高高度3.6 mm的对接焊缝内部设置5~30 mm不同深度?2横通孔,仿真检测结果显示,受超声衰减和参与成像信号数量影响,横通孔回波幅值随孔深增加呈现先降低、后升高再降低的现象。

评析全聚焦法焊缝检测灵敏度特性

全聚焦法(TFM)是用后处理算法增强的超声技术。基于全矩阵捕获(FMC)采集数据,由TFM生成的图像几乎聚焦在每个像素上,因而能提高缺陷检出率,改善缺陷定量和表征技术.本文评析焊缝检测中某些方向性面型缺陷引起的信号波幅变化,并对此与其他技术一一超声相控阵检测(PAUT)、射线检测(RT)和金相检测结果作了比较。强调声传播模式适当选定对方向性面型缺陷TFM成像质量的重要性。最后还研讨了影响全聚焦法检测灵敏度特性的其他若干要素。

缺陷的多模式全聚焦三维重构

分别采用超声相控阵扇扫、多模式全聚焦、多模式融合等3种成像方法,对焊缝夹渣缺陷进行了三维重构,并通过刻槽试块验证了多模式融合图像的真实性。结果表明,多模式融合成像法能够整合不同模式的有效信息,显示缺陷相对完整的立体轮廓,对焊缝缺陷的走向分析与类型识别有重要意义。

带不锈钢堆焊层的主管道焊缝全聚焦超声检测

针对带不锈钢堆焊层的主管道焊缝在进行超声检测时,存在结构噪声干扰严重的问题,开展了全聚焦(TFM)超声成像试验研究。以堆焊层内部深度为65 mm,直径为2 mm的侧钻孔为例,当所用阵元数从16增加到64时,其TFM图像信噪比提高了5.3 dB,阵列性能指数降低了35%。在此基础上,进一步引入相位相干成像(PCI)法,对TFM图像进行加权处理。与原始TFM图像相比,PCI法能有效改善图像的信噪比和分辨力。对于64阵元得到的图像,信噪比提高了13.19 dB,阵列性能指数降低了约65%。

基于AR-TFM方法的超声成像分辨力提升

将多频带自回归(AR)谱外推和全聚焦方法(TFM)相结合,提出了一种AR-TFM方法,可将超声成像分辨力从波长级提升至亚波长级。采用基于高阶累积量的奇异值分解方法确定AR阶数,选择多组有效频带外推处理全矩阵数据中的阵列信号,并对结果进行平均加权,最后实施延时叠加和逐点成像,提高该方法的适用性和鲁棒性。分别采用TFM和AR-TFM方法对碳钢试块进行检测,并对其检测结果进行对比。仿真和试验结果表明,AR-TFM方法能够突破瑞利准则的限制,有效提高超声成像分辨力,实现了碳钢试块3个中心距为0.7λ(λ为超声波长)的相邻圆孔的分离,缺陷深度定位误差不超过1.8%,中心距定位误差不超过15%。

基于符号相干系数自适应加权的全聚焦成像

全聚焦成像是前沿的阵列超声成像检测算法,但易受到噪声和过程扰动的影响而降低成像质量.针对上述问题,本文将基于符号相干系数的自适应加权方法与全聚焦全矩阵成像算法相结合,提出TFM-SCF算法.利用带有常见人工缺陷的模拟试块进行验证试验,结果表明,该算法与原始TFM算法一样保持了对各种类型缺陷识别判读的准确性;且TFM-SCF算法的成像分辨力和对比度均优于原始TFM算法,经统计,横向分辨力的平均提升量为0.129 mm,纵向分辨力的平均提升量为0.160 mm,对比度CR的平均提高量为22.252dB,证明提出的基于符号相干系数的自适应加权方法可以有效地提升全聚焦的成像质量.

超声全矩阵数据联合稀疏重构的多测量向量模型应用

针对单测量向量模型等传统压缩感知方法处理超声全矩阵捕捉数据时,存在重构精度低和重构耗时长等问题,该文研究了多测量向量模型应用的可行性。针对铝合金试块中不同深度的Ф2mm横通孔,分别使用多测量向量模型中的多测量稀疏贝叶斯算法和单测量向量模型中的稀疏贝叶斯算法进行超声全矩阵数据重构,并实施全聚焦成像。随后,引入归一化均方误差和阵列性能因子评价图像和信号的重构效果。实验结果表明,稀疏贝叶斯算法在25%采样率时的归一化均方误差为1.9%,而多测量稀疏贝叶斯算法仅需15%采样率即可达到相似效果且耗时更少。

粉末高温合金微缺陷的超声环形阵列全聚焦成像检测

为了满足大厚度粉末高温合金零件的高灵敏度检测需求,提出了基于超声环形阵列的全聚焦成像检测方法。从检测灵敏度、信噪比和近表面分辨力3个方面入手,验证了该检测方法的可行性。与常规相控阵多深度聚焦检测方法进行试验对比,结果表明,该方法在灵敏度一致性、近表面分辨力等方面具有显著优势,可为粉末高温合金微缺陷的检测提供一种先进可行的技术。

超声相控阵与全聚焦法成像特性比照评析

综述超声相控阵(PAUT)与全聚焦法(TFM)成像特性,给出了焊接试样缺陷显示实例。依据比照评析结果,提议:焊缝全覆盖检测宜用PAUT,重要缺陷区或关键区宜用TFM,以改善缺陷定量、表征结果。