基于超声检测技术的金属材料内部夹杂物三维重构方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声显微镜检测领域，是一种基于超声检测技术的金属材料内部夹杂 物三维重构方法。
【背景技术】
[0002] 在利用超声显微镜进行检测时，由压电换能器发出的超声波经过水的传播，汇聚 到材料的某一区域上。当材料内部存在夹杂物时，会导致材料的不连续性，造成声阻抗的不 一致。由超声波的反射定理可知，超声波在传播过程中，当遇到两种不同声阻抗的介质时， 在介质的交界面上就会发生反射。根据上述原理可知，在材料内部的夹杂物与基体之间形 成了一个不同介质的交界面，当超声波遇到这个界面之后，就会发生反射。反射回来的超声 波会被探头接收，数据转换模块把声信号转换为电信号后，可以得到反射回波。根据反射回 波的波形特征，例如回波的幅值大小，则可以在一定程度上定性地判断出夹杂物的大小。在 相同的深度情况下，夹杂物的尺寸越大，其反射回波的幅值就越高，但仅从回波幅值的大小 不能完全确定夹杂物的具体尺寸，而且在利用超声方法对材料进行检测时，超声信号在传 输、放大和调制等过程中，由于受到电磁干扰等影响，实际采集到的信号中不可避免地存在 本底噪声，尤其是增益较大的时候，噪声水平也会随之增高，导致超声信号的信噪比降低。
[0003] 传统的超声检测主要有三种最基本的成像方式，分别为A扫成像、B扫成像和C扫 成像。以上三种超声成像方式只能反映夹杂物的一维或二维信息，不能很好地反映夹杂物 在空间上的分布情况。
【发明内容】
[0004] 为解决上述问题，本发明提供了一种分析计算速度快，准确度高而且成像清晰的 基于超声检测技术的金属材料内部夹杂物三维表面重构方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明公开以下技术方案：
[0006] -种基于超声检测技术的金属材料内部夹杂物三维重构方法，所述方法利用超声 显微镜获取夹杂物的超声回波数据，通过数据处理剔除噪声信号，再提取出夹杂物的X、Y、Z 空间坐标，利用曲面插值拟合的方法，对夹杂物所在位置的离散点进行拟合，获得夹杂物的 三维形貌，在此基础上对夹杂物的尺寸大小进行统计分析。
[0007] 所述方法主要包括以下步骤：
[0008] 步骤一，采集数据；
[0009] 步骤二，超声数据预处理；
[0010] 步骤三，夹杂物位置坐标提取；
[0011] 步骤四，夹杂物形貌重构。
[0012] 进一步的，所述步骤一具体为：选择频率合适的探头，聚焦在材料内部，以较大步 进值对整个材料内部进行粗扫，获得材料内部夹杂物的C扫成像图，然后在C扫图中找到待 分析的目标区域，再以较小的步进值进行精确扫查，并保存全波数据。
[0013] 进一步的，所述步骤二具体为：统计多组无夹杂物处的信号幅值的均值μ与方差 〇，并以（μ ±3〇 )作为判别夹杂物信号的阈值，将幅值大于（μ+3σ )或小于（μ-3σ )的 超声信号作为夹杂物信号提取出来。
[0014] 进一步的，所述步骤三具体为：根据夹杂物的回波信号，提取夹杂物所在位置的 Χ、Υ、Ζ空间物理坐标，扫查方式为沿X方向的等间距平行线扫查，所有扫查点呈mXn的矩阵 排列，其中，m是平行线的扫查条数，η是每条平行线上的扫查点数，获取的夹杂物坐标按照 扫查顺序排列，对所提取的夹杂物位置坐标进行聚类，将同一夹杂物处的坐标点归为一类。
[0015] 进一步的，所述步骤四具体为：利用曲面插值拟合的方法，将不同的夹杂物表面离 散点分别进行曲面拟合，重构出三维曲面，并对目标区域内夹杂物的尺寸及数量进行统计。
[0016] 进一步的，所述步骤三中X、Y、Z空间物理坐标的获取方法为：根据超声显微镜的 扫查原理，可以首先确定夹杂物的X、Y坐标，然后根据纵波的传播原理，超声波在材料内是 沿垂直方向传播的，通过公式h = cXt，其中，C为超声波在材料中的传播速度，t为A扫波 形中夹杂物回波距界面波的时间，h则表示的是超声波在被测表面与夹杂物之间一个来回 h 所经过的距离，因此可以得出夹杂物在深度方向上的z坐标为一。 2
[0017] 进一步的，所述步骤四中曲面插值拟合方法为：分别输入各个夹杂物的离散坐标 点，并根据离散点的稀疏情况，进行三次样条插值，将三维的离散点数据插值为网格型数 据，根据插值后的数据画出三维曲面。
[0018] 本发明的有益之处在于：实现了对材料内部夹杂物的三维成像，对夹杂物的回波 信号设定了阈值，并不是对所有采样点都进行成像，提高了后续计算与分析的速度；与传统 的成像方式相比，本方法不仅能直观地显示夹杂物的三维立体结构，还能够在空间中对结 构进行旋转和缩放，从而可以从各个角度观察夹杂物在材料内部的存在形式与分布状态， 这对判断夹杂物的类型具有重要意义；通过三维成像的结果对材料内部夹杂物尺寸及数量 进行统计分析，可以有效确定金属材料的纯净度。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明方法流程示意图；
[0020] 图2为本发明步进值较大的初步C扫图；
[0021] 图3为本发明步进值较小的局部C扫图；
[0022] 图4为本发明正常信号的A扫图；
[0023] 图5为本发明夹杂物回波信号的A扫图；
[0024] 图6本发明方法多个夹杂物的三维重构图；
[0025] 图7本发明目标区域内夹杂物尺寸和数量的统计图。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0027] 相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修 改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细 节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的 描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与【具体实施方式】，对本发明进一步说明。
[0028] 【实施例1】
[0029] 如图1所示，一种基于超声检测技术的金属材料内部夹杂物三维重构方法，所述 方法利用超声显微镜获取夹杂物的超声回波数据，通过数据预处理剔除本底噪声，再提取 出夹杂物的X、Y、Z空间坐标，然后利用曲面插值拟合的方法，对夹杂物所在位置的离散点 进行拟合，最后获得夹杂物的三维形貌，并在此基础上对夹杂物的尺寸大小进行统计分析， 所述方法主要包括以下步骤：
[0030] 步骤一，采集数据：选择频率合适的探头，聚焦在材料内部，以较大步进值对整个 材料的内部进行粗扫，获得材料内部夹杂物的C扫成像图；然后在C扫图中找到待分析的目 标区域，再以较小的步进值进行精确扫查，并保存全波数据。在本实施例中，被检材料为某 种金属材料，厚度为4mm，选择频率为50MHz的高频探头，将探头焦点聚焦在材料内部。首 先，以较大步进值对整个材料内部进行粗扫，获得材料内部夹杂物的C扫成像图，如图2所 示。其次，在粗扫图中找到待分析的目标区域，以较小的步进值精确扫查该区域，得到精扫 图，如图3所示，并保存全波数据。
[0031] 步骤二，超声数据预处理：统计多组无夹杂物处的信号（即正常信号）幅值的均 值μ与方差σ，并以（μ ±3 σ )作为判别夹杂物信号的阈值，将幅值大于（μ+3 σ )或小于 (μ-3 〇 )的超声信号作为夹杂物信号提取出来。在本实施例中，对超声数据进行预处理，