一种用于裂纹方向识别的超声散射系数优化计算方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于裂纹方向识别的超声散射系数优化计算方法，属无损检测领域。本发明利用超声相控阵检测系统，采集裂纹缺陷的全矩阵数据，首先利用采集到的数据对缺陷进行全聚焦成像确定其位置，然后计算裂纹缺陷的散射系数空间分布，确定裂纹的角度。其中子阵列包含的晶片个数、相邻子阵列间隔晶片数对裂纹角度的测量精度影响较大。本发明利用多个评价指标评价不同子阵列包含的晶片个数、相邻子阵列间隔晶片数时裂纹角度测量结果的优劣，通过主成分分析法综合评价测量结果，得到最佳测量结果，其对应的参数——子阵列包含的晶片个数和相邻子阵列间隔晶片即为最佳检测参数。
【专利说明】一种用于裂纹方向识别的超声散射系数优化计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属无损检测领域，具体涉及一种超声散射系数优化计算方法，该方法用于 裂纹缺陷方向识别。
【背景技术】
[0002] 结构在长期服役过程中受到疲劳载荷、冲击及腐蚀、高温等环境因素的作用，容易 产生各种缺陷。裂纹是其中最常见的、危害性最大的缺陷类型之一，被认为是导致结构失效 的根源。同时，裂纹具有明显的方向性，不同方向的裂纹对结构的危害程度也不同。当裂纹 方向与结构承载相垂直时，裂纹的危害最大，结构极易发生突然断裂。因此，及时对结构中 裂纹缺陷进行检测及方向识别，对于预测结构的寿命、及时维修或更换零部件、保证设备安 全具有重要的意义。
[0003] 基于结构中超声波的传播特性，超声波技术已广泛应用于结构中裂纹检测。在结 构中传播的超声波遇到缺陷时，会发生反射和散射现象。超声波发生散射时，会改变其单 方向传播特性，向空间不同方向传播，形成超声散射场。该超声散射场中包含有丰富的缺 陷信息，如缺陷的位置、形状、大小及方向等，从中可以提取出缺陷的特征信息。与传统超 声阵列检测方法相比，超声相控阵也能够接收一定角度范围的散射信号，提取裂纹缺陷的 方向信息，其检测系统简单、分辨率高、成像质量高。Wilcox等利用矢量全聚焦方法对相控 阵探头采集到的全矩阵数据进行处理，通过裂纹缺陷的矢量场方向确定其方向（Wilcox et al "Advanced reflector characterization with ultrasonic phased arrays in NDE applications"，2007)。张杰等对相控阵探头采集的全矩阵数据对裂纹缺陷进行了全聚焦 成像，从中提取出缺陷的散射系数矩阵，并利用散射系数最大值对应的入射方向表征裂纹 方向，但研究中没有考虑子阵列参数选择对缺陷方向识别的影响（Jie Zhang et al"DefeCt Characterization Using an Ultrasonic Array to Measure the Scattering Coefficient Matrix"，2008,）。
[0004] 对于多参数影响系统，为了得到最佳的输出结果，必须综合考虑这些因素的影响。 利用多个指标能够较全面地反映这些参数对系统输出的影响，评价系统输出的优劣。由于 每个指标都在不同程度上反映了所研究问题的某些信息，并且指标之间彼此有一定的相关 性，因而所得的统计数据所反映的信息有一定程度的重叠或冗余。在实际问题分析时，指标 太多会增加计算量和增加分析问题的复杂性。因此，人们希望在进行综合评价分析的过程 中，涉及的指标较少，且得到的信息量较多。主成分分析法正是适应这一要求而产生的，是 解决这类问题的理想工具，广泛应运于地质、气象、生物、医学、经济等众多领域。主成分分 析法是客观赋权法的一种，其实质是研究如何利用尽可能少的指标，最大程度地反映原变 量的信息，同时保证各指标间相互无关（即信息不重叠）。
[0005] 本专利的创新点在于提出一种基于主成分分析法的超声散射系数优化计算方法， 对散射系数计算中涉及的子阵列参数进行优化，得到最佳检测参数，达到有效提高裂纹角 度测量精度和检测效率的目的。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于发展一种基于主成分分析法的超声散射系数优化计算方法，通 过该方法可以较精确地测量裂纹缺陷的角度。基于主成分分析法的超声散射系数优化计算 方法利用多个指标评价不同参数下得到裂纹角度测量结果的优劣，通过主成分分析法综合 评价测量结果，得到最佳裂纹方向测量结果，并得到最佳检测参数，从而达到提高裂纹缺陷 角度测量精度和检测效率的目的。
[0007] 该方法需要的超声相控阵检测系统包括计算机1、超声相控阵系统2、相控阵换能 器3以及待检测试件4。其中，超声相控阵系统2-端与计算机1连接，另一端与相控阵换 能器3连接，相控阵换能器3与被测试件4通过耦合介质进行耦合，如图1所示。在计算机 的控制下超声相控阵系统激励/接收模块产生激励信号，通过相控阵换能器激励出超声波 信号，沿待测试件传播，并通过相控阵传感器接收反射的超声波信号，然后通过相控阵系统 信号激励/接收模块进行接收传输到计算机中，通过计算机中相应采集软件即可获得检测 的A扫波形。所述的相控阵换能器采用由32个阵元组成的线阵相控阵探头。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于主成分分析法的超声散射系 数优化计算方法，其流程图如图2所示。具体可以按照以下步骤实施检测：
[0009] 步骤一：采集裂纹缺陷的全矩阵数据
[0010] 利用如图1所示的超声相控阵检测系统采集被测裂纹缺陷的全矩阵数据g(ih_(t) (i = l，2,3，…，N，j = l，2,3，···，N)，其中，下标⑴表示阵列换能器中第i个阵元激励，j 表示阵列换能器中第j个阵元接收；
[0011] 步骤二：计算不同参数（阵列包含的晶片个数、相邻子阵列间隔晶片数）下裂纹缺 陷的角度。当参数子阵列包含晶片个数a及相邻两个子阵列间隔的晶片数b-定时，裂纹 角度的计算方法如下：
[0012] (1)确定缺陷的位置。建立如图3所示坐标系，其原点定义在阵元序列的中心，其 中（X tx，ztx)为发射阵元的坐标，（XM，ZJ为接收阵元的坐标，（x，z)为成像点坐标，则成像 点的幅值
[0013]
【权利要求】
1. 超声相控阵检测系统，其特征在于：该系统包括计算机（1)、超声相控阵系统（2)、相 控阵换能器（3)以及待检测试件（4);其中，超声相控阵系统（2) -端与计算机连接，另一 端与相控阵换能器连接，相控阵换能器（3)与待检测试件（4)通过耦合介质进行耦合；在计 算机的控制下超声相控阵系统激励/接收模块产生激励信号，通过相控阵换能器激励出超 声波信号，沿待测试件传播，并通过相控阵传感器接收反射的超声波信号，然后通过相控阵 系统信号激励/接收模块进行接收传输到计算机中，通过计算机中相应采集软件即可获得 检测的A扫波形；所述的相控阵换能器采用由32个阵元组成的线阵相控阵探头。
2. 依权利要求1所述的超声相控阵检测系统，一种用于裂纹缺陷方向识别的超声散射 系数优化计算方法，其特征在于：该方法具体识别步骤如下， 步骤一：采集裂纹缺陷的全矩阵数据 利用超声相控阵检测系统采集被测裂纹缺陷的全矩阵数据g^_(t) (i = 1，2, 3,…，N， j = 1，2, 3,…，N)，其中，下标（i)表示阵列换能器中第i个阵元激励，j表示阵列换能器中 第j个阵元接收； 步骤二：计算不同参数下裂纹缺陷的角度；当参数子阵列包含晶片个数a及相邻两个 子阵列间隔的晶片数b -定时，裂纹角度的计算方法如下： (1) 确定缺陷的位置；建立坐标系，其原点定义在阵元序列的中心，其中（xtx，ztx)为发 射阵元的坐标，（XM，ZM)为接收阵元的坐标，（x，z)为成像点坐标，则成像点的幅值
式中guh一i晶片发射、j晶片接收时的阵数据；C一超声波波速；(X，Z)-成像点位置 坐标；根据裂纹缺陷成像幅值最大值下降3dB范围内点确定缺陷的位置（X(l，zQ); (2) 计算裂纹缺陷的角度；对于线性阵列，通常用阵列中多个晶片组成的子阵列接收 的信号计算缺陷的散射系数分布，以保证一定的空间分辨率，减少其他散射体对目标散射 体的影响；建立坐标系，原点位于线性阵列中心，子阵列全聚焦成像幅值I (X〇, zm ai)如 式2所示： ----ift. I ^
其中（X(l，。一缺陷在成像区域中的坐标，-第k个激励子阵列，ai-第1个激励子 阵列，d-子阵列到成像点的距离，c一波速，P-线性阵列声束指向性函数，B-声束扩散函 数，g_(t) -线性阵列中第i个阵元激励，第j个阵元接收的时域信号； 缺陷子阵列全聚焦成像幅值I与其散射系数S的关系如下式所示：
其中C一常数，S-散射系数，一入射信号中心频率，S' -子阵列散射系数；根据散 射系数矩阵与缺陷子阵列成像幅值的关系，可以求得缺陷的子阵列散射系数分布，即
根据子阵列散射系数分布，当入射角等于散射角且散射系数最大时，认为声束垂直入 射到缺陷表面，根据几何关系可知，裂纹缺陷与水平方向的夹角等于此时入射角； 步骤三：利用主成分分析法优化计算裂纹角度的关键影响参数：子阵列包含晶片个数 a及相邻两个子阵列间隔的晶片数b ; (1) 检测所用线性阵列探头共有N个晶片，不同子阵列包含晶片数及相邻子阵列 间隔晶片数组合共：
，因此先研究子阵列包含晶片数和相邻子阵列间隔晶片数 在1?队汎<N)范围内变化时，对裂纹方向识别的影响；计算子阵列包含晶片数为 a(ae [1，NJ)和相邻子阵列间隔晶片数为m(me [l，a])时，裂纹缺陷角度的测量结果；每 组测量结果有3个评价指标：绝对误差、角度分辨率及相对脊带宽度，分别用XpX2、X3表示； 其中角度分辨率用缺陷散射系数矩阵中相邻入射角之差的最大值表示； (2) 由于\、\、&量纲不同，首先对父=[\，^]7进行无量纲化，标准化是常用的 无量纲化方法，如下式所示：
(4)求解相关系数矩阵R的特征值X i (i = 1，2,…p)以及相应的单位正交特征向量 Uji = 1，2, 一p)，将其按从小到大的顺序排列；并计算方差贡献率及累计贡献率Di，确 定主成分的个数m, m由D > 85%决帝' :
由综合评价表达式可知，综合评价值是对原指标的两次加权求和，即综合评价值越小， 测量结果越好；故当综合评价值最小时所对应的子阵列包含晶片个数a及相邻两个子阵列 间隔的晶片数b即为最佳计算参数。
3.根据权利要求2所述的一种用于裂纹缺陷方向识别的超声散射系数优化计算方法， 其特征在于：利用CIVA仿真和检测实验得到的数据进行实例分析， 利用CIVA软件中的超声仿真模块，对超声相控阵缺陷检测进行仿真；在CIVA软件 中，建立含与水平方向成15°角的裂纹缺陷的仿真模型；其中，基体材料为铝，裂纹长度为 3mm ;激励信号中心频率为5MHz，采样频率为100MHz，相控阵检测模式为全矩阵数据采集模 式，探头基本参数设置如表1所示； 表1探头基本参数 Tablel Basic parameters of the probe
步骤一：采集裂纹缺陷的全矩阵数据 从CIVA软件中导出被测裂纹缺陷的全矩阵数据gWj(t)(i = 1，2,3,…，N，j = 1，2, 3,…，N)，其中，下标（i)表示阵列换能器中第i个阵元激励，j表示阵列换能器中第j 个阵元接收； 步骤二：计算不同参数下裂纹缺陷的角度； (1) 确定缺陷的位置；利用数值仿真数据进行全聚焦成像，以裂纹缺陷成像幅值最大 值下降3dB范围作为为缺陷区域； (2) 计算裂纹缺陷的角度；仿真所用相控阵探头含有32个晶片，不同子阵列包含晶片 数及相邻子阵列间隔晶片数组合共有种；为减少计算量，首先以子阵列包含晶片数a和相 邻子阵列间隔晶片数b在1?8范围内变化时，两个参数的取值变化对散射系数分布的影 响进行研究；根据式（2)及式（4)计算不同子阵列包含晶片数及相邻子阵列间隔晶片数时 裂纹的散射系数数分布得到其角度，结果如表2所示； 表2不同子阵列包含晶片数和相邻子阵列间隔晶片数下角度测量结果
步骤三：利用主成分分析法优化计算裂纹角度的关键影响参数； ⑴评价指标绝对误差久）、角度分辨率（X2)及相对脊带宽度（X3)如表2所示，由于
(3) 计算相关系数矩阵R的特征值和各主成分的方差贡献率如表3所示； 表3特征值与方差贡献率
由表3可知，第一主成分与第二主成分保留了原始指标87. 09 %的信息，故用第一主 成分与第二主成分可以综合评价测量结果的优劣；其特征值对应特征向量分别为= [-0? 7465,0? 2592, -0? 6128]，T2 =[-0? 1379,0? 8407,0? 5919]，则其主成分为：
兵琢甘评1冗轱米n」以衣不刃： Z = 0. 4868￥!+0, 3840Y2 (12) 由综合评价结果分析可知，综合评价较好的几组的编号分别为1、2、4、7、11、16、22、29， 其共同特点是间隔的晶片数量相同，且均为1 ;因此，在后续影响参数研究中，不再优化间 隔的晶片数量，将间隔晶片数量确定为1 ; (4) 计算裂纹缺陷角度时最佳相邻子阵列间隔晶片数为1改变子阵列包含晶片数，进 行散射系数分布的计算，确定裂纹的角度，结果如表4所示；由于当子阵列包含晶片数大于 18时，散射系数矩阵的空间分辨率很差且测量结果误差较大，故结果中仅列出包含晶片数 为1?18的计算结果； 表4不同子阵列包含晶片数下角度测量结果
(5)重复步骤三中（1)?（3)，计算相邻子阵列间隔晶片数为1，子阵列包含晶片数不同 时裂纹角度测量结果的综合评价值，确定最佳子阵列包含晶片数；由于间隔为1时，角度分 辨率相同，故仅需考虑测量误差与相对脊带宽度两个指标；根据标准化后圹=DC，X/]的 相关系数矩阵求解其主成分，相关系数矩阵&如式（12)所示成的特征值和各主成分的方 差贡献率如表5所示；
表5特征值与累计贡献率
由表5可知，需要同时用第一主成分与第二主成分才能完整的反映原指标的信息；特 征值对应特征向量为=[0? 7071，0? 7071]，T2 =[-0? 7071，0? 7071]，则第一主成分Yi、第 二主成分Y2为：
分析可知，当相邻子阵列间隔晶片数均为1时，子阵列包含晶片个数为12时，综合评价 值最小，即测量结果最佳； (6)利用实验验证CIVA仿真得到的最佳检测参数，采用与仿真中完全相同的线性阵列 相控阵探头，型号为5L-32A5 ;被测试件材料为铝，大小为120mm*80mm*25mm，试件上加工有 一 的槽型缺陷，近似替代裂纹缺陷，该缺陷与水平方向成15° ;激励信号中心频率 为5MHz，采样频率为100MHz，相控阵检测模式为全矩阵数据采集模式； a) 利用超声相控阵检测系统采集被测裂纹缺陷的全矩阵数据gQh_(t) (i = 1，2, 3,…，N，j = 1，2, 3,…，N)，对采集到的全矩阵数据进行全聚焦成像，缺陷位于距被测 表面30mm处； b) 根据步骤三中⑶仿真结果可知，当相邻子阵列间隔晶片数为1时，裂纹缺陷的角度 测量结果较好，故实验中，保持相邻子阵列间隔晶片数为1不变，仅改变子阵列包含的晶片 数，研究其对裂纹缺陷角度测量结果的影响，结果如表6所示； 表6不同子阵列包含晶片数下角度测量结果
C)重复步骤三中（5);根据标准化后x*= DC，X/]的相关系数矩阵求解其主成分，相 关系数矩阵R。如式（16)所示：R。的特征倌和各丰成分的方差贡献率如表7所示；
表7特征值与累计贡献率
由表7可知，第一主成分保留了原始指标85. 65%的信息，故可用第一主成分评价结果 的优劣；特征值1. 7131对应特征向量为= [0. 7071，0. 7071]，则其主成分为： Yi = 0? 7071X^+0. 7071X2* (18) 综合评价指标可表示为： Z = 0. 8565Y (19) 综合指标的评价结果分析可知，当子阵列包含晶片数为11，相邻子阵列间隔晶片数为 1时，综合评价值最小，即计算结果最佳。
【文档编号】G01N29/44GK104280455SQ201410514853
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】焦敬品, 马婷, 何存富, 吴斌 申请人:北京工业大学