一種多模態(tài)超聲Lamb波復(fù)雜缺陷層析成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多模態(tài)超聲Lamb波復(fù)雜缺陷層析成像方法，屬于無損檢測技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用超聲Lamb波缺陷層析成像技術(shù)可以快速、有效地獲得缺陷的輪廓和尺寸等 具體信息。該技術(shù)繼承了傳統(tǒng)超聲Lamb波檢測的諸多優(yōu)點。Lamb波走時（Time-of-flight， T0F，指Lamb波在收發(fā)換能器對之間的傳播時間）跨孔層析成像技術(shù)，利用線性換能器陣列 進行扇束投影和成像，是一種基于迭代法的高效、快速的層析成像方法。該成像方法的直接 輸出結(jié)果為Lamb波的慢度（速度的倒數(shù)）分布，其通過不同區(qū)域中慢度的變化情況來反映 缺陷的分布情況。通常，在成像過程中，多選擇使用單一模態(tài)Lamb波，這種方法操作簡單， 收發(fā)環(huán)境純凈，對于形狀參數(shù)較為簡單的缺陷，如單圓孔缺陷的圖像重建，不但計算快速而 且成像精度高。然而，當遇到含有深度逐漸變化的復(fù)雜缺陷時，其求得的慢度分布上會疊加 有較多的噪聲，缺陷導(dǎo)致的慢度變化在一定程度上會被噪聲所掩蓋，進而會使得從慢度分 布圖中提取缺陷特征信息的難度和誤差增大，從而影響到成像結(jié)果。中國專利文獻公開了 一種"一種射線追蹤式超聲Lamb波缺陷層析成像方法"該技術(shù)涉及一種錯板缺陷超聲Lamb 波在線檢測方法，采用EMT (電磁聲換能器）陣列收發(fā)單一 Lamb波，通過聯(lián)合迭代重建算 法及射線追蹤修正算法重建層析圖像，可較為精確地實現(xiàn)對鋁板單圓孔缺陷的全面檢測及 缺陷分析，但該技術(shù)局限于深度統(tǒng)一的規(guī)則缺陷，而對深度變化的復(fù)雜缺陷的具體尺寸和 輪廓并不能達到十分精確的估計，存在一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。
[0004] 為此，本發(fā)明的目的在于提出一種多模態(tài)超聲Lamb波復(fù)雜缺陷層析成像方法。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一方面的實施例公開了一種多模態(tài)超聲Lamb波復(fù)雜 缺陷層析成像方法，包括如下步驟：1)在待測板材上選擇一個矩形區(qū)域作為缺陷層的成像 區(qū)域，將所述成像區(qū)域橫縱分割成&乂隊個網(wǎng)格；在所述成像區(qū)域的一側(cè)設(shè)置M個發(fā)射電磁 聲換能器，在所述成像區(qū)域與所述發(fā)射磁聲換能器的相對側(cè)設(shè)置M個接收電磁聲換能器； 其中，Np N2、M為自然數(shù)；2)使用射頻功率放大器分兩次激勵所述M個發(fā)射電磁聲換能器， 其中，第一次全向激發(fā)AO模態(tài)Lamb波，所述M個接收電磁聲換能器依次接收所述AO模態(tài) Lamb波；第二次全向激發(fā)SO模態(tài)Lamb波，M個接收電磁聲換能器依次接收所述AO模態(tài) Lamb波；3)利用偽Wigner-Ville分布對MXM個AO模態(tài)電磁聲換能器檢測波形和MXM個 SO模態(tài)電磁聲換能器檢測波形進行時頻分析和模態(tài)識別；4)提取所述MXM個AO電磁聲換 能器檢測波形的時頻分析結(jié)果并記錄對應(yīng)的走時T 1 (AO)~Tmxm(AO);提取所述MXM個SO 電磁聲換能器檢測波形的時頻分析結(jié)果并記錄對應(yīng)的走時!\ (SO)~Tmxm(SO) ;5)使用聯(lián)合 迭代重建算法確定所述AO模態(tài)和所述SO模態(tài)下所述NixN2個網(wǎng)格中每個網(wǎng)格的慢度：
[0007] 其中，Sj為待求的第j個網(wǎng)格的慢度；L ^為第i條投影射線在第j個網(wǎng)格中的長 度；Ti為第i條投影射線的實測走時；η為正整數(shù)，且n = N1XN2;!!!為正整數(shù)，且m = MXM ; 6)使用圖像融合方法將所述AO模態(tài)和所述SO模態(tài)下得到的兩組慢度分布結(jié)果轉(zhuǎn)化為板厚 分布結(jié)果，再進行疊加，并求取平均，從而得到最終的缺陷分布結(jié)果。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明實施例的一種多模態(tài)超聲Lamb波復(fù)雜缺陷層析成像方法，使用AO波 EMT陣列和SO波EMT陣列，在不同頻率下進行AO波跨孔層析成像和SO波跨孔層析成像， 并通過圖像融合，得到最終的圖像重建結(jié)果。該方法的優(yōu)勢在于，可以充分利用不同模態(tài) Lamb波的敏感區(qū)域不同的特點，進行敏感區(qū)域的互補，從而擴大層析成像方法的整體敏感 區(qū)域，降低噪聲的影響，有效減少從慢度分布圖中提取缺陷特征信息的難度，提高對復(fù)雜缺 陷的識別效率和成像精度，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0009] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的一種多模態(tài)超聲Lamb波復(fù)雜缺陷層析成像方法， 還可以具有如下附加的技術(shù)特征：
[0010] 進一步地，步驟1)中，所述發(fā)射電磁聲換能器和所述接收電磁聲換能器直徑范 圍均為20~60mm，相鄰所述發(fā)射電磁聲換能器和所述接收電磁聲換能器的中心間距均為 30 ~90mm。
[0011] 進一步地，步驟2)中，所述射頻功率放大器的激發(fā)頻率為（100~1000) kHz ;第一 次激發(fā)的Lamb波為純凈單一的AO模態(tài)Lamb波；第二次激發(fā)的Lamb波為純凈單一的SO模 態(tài)Lamb波。
[0012] 進一步地，步驟2)中，所述AO模態(tài)Lamb波和所述SO模態(tài)Lamb波的激發(fā)頻率方 法進一步包括：201)定義Lamb波對板厚變化的敏感度函數(shù)：
[0013] SEN (f, d, Δ d) = I Sthe (f, d- Δ d) -Sthe (f, d) | / Δ d
[0014] 其中，Stte(f，d-Δ d)和Stte(f，d)分別為所用模態(tài)Lamb波在缺陷區(qū)域和基礎(chǔ)板 厚區(qū)域的慢度值；f為所用模態(tài)Lamb波的工作頻率；d為基礎(chǔ)板厚；△ d為缺陷區(qū)域的板 厚相比于基礎(chǔ)板厚的減小量；（Cl-Ad)為缺陷區(qū)域的板厚；202)設(shè)置Lamb波敏感度函數(shù) SEN (f，d)的閾值 THs:
[0015] THs = SNRnin X Snolse/dnin
[0016] 其中，SNRnilJP (1_分別為層析成像所需的最小信噪比和板厚分辨率；Snc_為噪聲 幅值；203)分別計算所述AO波和所述SO波的板厚變化敏感度函數(shù)SEN(f，d)隨d變化的 曲線，得到兩種模態(tài)波SEN(f，d)的幅值在f-d上的二維分布圖；其中，工作頻率f的取值 為（100~1000)kHz。204)在所述SO模態(tài)波的SEN(f, d)分布圖上，找到SEN(f, d) = THs 對應(yīng)的等高線；205)計算曲線fd = xs與直線d = d。的交點坐標，記為（d(j，fs)，取:^為SO 模態(tài)波的工作頻率；其中，所述fd = Xs對應(yīng)的虛線曲線是SO波工作區(qū)域的邊界；d。為鋁板 健康區(qū)域的板厚；206)計算直線f =匕與等高線SEN (f，d) = THs的交點（d ^ fs)，得到SO 波在工作頻率匕下的工作區(qū)域為[d yd。] ;207)在所述AO模態(tài)波的SEN (f，d)分布圖上，找 到SEN(f，d) = THs對應(yīng)的等高線；208)計算曲線fd = xJP SEN(f，d) = THs與直線d = Clddz的交點坐標（d Jdz，fal)和（c^+dz，fa2)，取f al和f a2中相對較小的一個作為AO波的工 作頻率fa;其中，d z (dz>0)是為保證AO和SO波的敏感區(qū)域重疊而設(shè)置的一個死區(qū)，使得AO 波的敏感區(qū)域的上限值dH滿足dH>c^+dz;fd = X a對應(yīng)的虛線曲線是AO波工作區(qū)域的邊界； 209)為提高對微小缺陷的檢測靈敏度，取匕為SO模態(tài)波的工作頻率，得到AO波在工作頻 率匕下的工作區(qū)域為[0, c^+dj。
[0017] 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0018] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中：
[0019] 圖1為本發(fā)明一個實施例的多模態(tài)超聲Lamb波層析成像流程圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明一個實施例的含復(fù)雜缺陷鋁板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ]圖3a為本發(fā)明一個實施例的多模態(tài)Lamb波層析成像方法中，AO模態(tài)波工作頻率 選擇的原理示意圖；
[0022] 圖3b為本發(fā)明一個實施例的多模態(tài)Lamb波層析成像方法中，SO模態(tài)波工作頻率 選擇的原理示意圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明一個實施例的成像區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖；
[0024] 圖5為本發(fā)明一個實施例的一個實施例的成像區(qū)域及缺陷位置示意圖；
[0025] 圖6為本發(fā)明一個實施例的使用270kHz的AO波缺陷層析成像結(jié)果；
[0026] 圖7為本發(fā)明一個實施例的使用700kHz的SO波缺陷層析成像結(jié)果；
[0027] 圖8為本發(fā)明一個實施例的使用多模態(tài)Lamb波（A0波和SO波）缺陷層析成像結(jié) 果。
【具體實施方式】
[0028] 下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0029] 在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語"中心"、"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、"前"、 "后"、"左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底"、"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基于 附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所 指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā) 明的限制。此外，術(shù)語"第一"、"第二"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要 性。
[0030] 在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語"安裝"、"相 連"、"連接"應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可 以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是 兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本 發(fā)明中的具體含義。
[0031] 參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實施例的這些和其他方面。在這些描述 和附圖中，具體公開了本發(fā)明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發(fā)明的實施 例的原理的一些方式，但是應(yīng)當理解，本發(fā)明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的 實施例包括落入所附加權(quán)利要求書的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。
[0032] 以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的一種多模態(tài)超聲Lamb波復(fù)雜缺陷層析成 像方法。
[0033] 1)如圖2、圖4和圖5所示，取一塊厚度為3mm的待測鋁板，在其上表面選擇面積 為600mmX600mm的矩形作為缺陷成像區(qū)域，將該成像區(qū)域劃分成120X 120個小網(wǎng)格（即 120 X 120個像素）；圓孔缺陷中心點位于（310mm，350mm)，缺陷區(qū)域1開口直徑120mm，孔深 1mm，缺陷區(qū)域2開口直徑60mm，孔深2mm ;在成像區(qū)域的一側(cè)設(shè)置14個發(fā)射EMAT(電磁聲 換能器），對側(cè)相同位置處設(shè)置14個接收EMAT ;收發(fā)EMAT直徑為30mm，相鄰EMT中心間 距為4