一种基于角域信号重构的水浸超声检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利属于超声无损检测领域，特别涉及一种适用于工件微小缺陷成像的水 浸超声检测方法。
【背景技术】
[0002] 超声检测是无损检测领域最重要的方法之一，在产品设计、制造、成品检验及设备 服役安全监测等各阶段都起着非常重要的作用。其中水浸超声检测方法是以水作为耦合 剂，通过扫查架对工件进行自动超声检测及成像，因其耦合效果好，能避开近场影响，且具 有检测成本低、自动化控制方便等优点，在现代工业无损检测中得到广泛应用。然而在对粗 晶体材料、各项异性材料，以及多层介质材料等工件内微小缺陷进行水浸超声检测时，由于 受材料结构不均引起的散射噪声及检测系统随机噪声的影响，使得回波信噪比降低，使得 成像分辨率下降，导致工件内微小孔隙、微小裂纹、弱粘接等缺陷难以准确检出，严重影响 了重要工件的无损检测和评价结果。
[0003] 为有效提高超声检测成像分辨率，可采用高频率换能器来进行超声检测，如申请 公布号CN103018339A，公布日为2013年4月3日的专利文献公开了一种高速高精度的超声 显微扫查装置，选用50MHz以上的高频聚焦换能器进行超声检测，获取图像理论分辨精度 可达3um。但换能器频率提高，其声束传播衰减越严重，使得检测厚度范围越小。另一种途 径是从成像算法上进行改善，如采用合成孔径聚焦技术（SAFT)，并结合延时叠加等手段，通 过对实验数据进行重构来提高图像分辨率。然而，目前SAFT技术主要用于单探头及相控阵 探头接触法超声检测成像，没有直接应用于水浸检测，更重要的是SAFT技术依然难以有效 降低检测系统随机噪声对特征信号的影响。
[0004] 此外，在医学超声成像领域，为降低随机噪声造成的图像散斑、杂点等成像缺陷， 使用了空间复合技术，如授权公告号为CN101199430B，授权公告日2011年12月28日的 专利文献公开了一种空间复合成像方法，在忽略耦合介质与人体组织之间声阻抗差异前提 下，通过控制相控阵多个阵元的声束偏转来对各个角度的图像进行合成，以此降低超声图 像中的斑点噪声、声影、混响等。利用该方法能有效实现快速成像，以及对各帧图像进行实 时复合成像。然而在实际工业水浸超声检测时，由于耦合介质与被测工件声阻抗差异明显， 因此这种方法不能直接用于水浸超声检测。
【发明内容】
[0005] 为提高水浸超声检测微小缺陷或复杂材料构件时的超声成像分辨率和信噪比，降 低工件内部结构噪声及系统随机噪声对成像质量的影响，本发明提出了一种基于角域（即 入射角度改变范围内的工件声束传播区域）信号重构的水浸超声检测方法。
[0006] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，
[0007] -种基于角域信号重构的水浸超声检测方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤一：构建角域水浸自动超声检测装置，所述的装置包括将工件固定在其中的 水槽，对工件进行超声检测的可X/Y/Z/A四轴运动的超声自动扫查装置以及处理超声数据 的数据处理装置；
[0009] 步骤二：对工件进行角域B扫查及角域信号采集，首先将工件置于水槽中，调整超 声自动扫查装置的超声探头并使探头中心轴线与工件表面法线方向重合，并使探头中心距 离工件表面距离为d，以此时探头中心作为原点0建立检测坐标系Χ0Ζ，然后根据在水中入 射到工件的第一临界角，确定探头中心轴线与工件表面法线的夹角即入射角取值范围，根 据成像分辨率需求及扫查装置控制精度确定探头X轴方向移动步距，然后探头由原点起对 工件进行多次B扫查，每次均以入射角取值范围内即角域的不同入射角角度进行B扫查，并 采集角域超声B扫查回波数据；
[0010] 步骤三：计算角域信号渡越时间及位置偏移，首先由已知的或采用超声脉冲反射 法测量得到的水中及待测工件中的声速，并根据斯涅尔折射定律计算得到声束在水及工件 中的传播路径、声束折射角、声束在水中传播距离、声束在工件中传播距离，由此得到声束 由探头中心传播到工件内成像点的渡越时间计算公式，最后根据检测坐标系内探头和工件 几何位置关系及声束传播路径，得到工件内成像点与超声探头中心在X方向上的位置关系 即位置偏移量计算公式；
[0011] 步骤四：角域信号重构B成像，首先提取步骤二中得到的角域超声B扫查回波数 据，采用Hilbert变换法对回波数据进行包络，然后根据步骤三中得到的渡越时间计算公 式和位置偏移量计算公式，将回波数据转换为对应工件内的B扫查数据，最后进行角域信 号重构，完成角域重构后的超声B扫查成像。
[0012] 所述的方法，所述的步骤一中，所述的装置中，超声扫查装置包括水槽、X/Y/Z/A四 轴超声自动扫查架、超声换能器和运动控制装置，所述的数据处理装置包括超声脉冲发生 接收仪、高频数据数据采集卡和工控机，所述的X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架设置于水槽 上方，超声换能器安装在X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架上并由X/Y/Z/A四轴超声自动扫查 架驱动沿X/Y/Z轴运动及绕A轴旋转，所述的运动控制装置的输出端连接X/Y/Z/A四轴水 浸超声自动扫查架的控制端，输入端连接工控机，超声脉冲发生接收仪接收超声换能器发 出的信号并通过高频数据数据采集卡发送至工控机。其中运动控制装置包括互相通信连接 的运动控制卡和运动控制电器系统，运动控制卡通信连接工控机，运动控制电器系统通信 连接X/Y/Z/A四轴超声自动扫查架。
[0013] 所述的方法，所述的步骤二中，对工件进行角域B扫查及角域信号采集的步骤包 括：
[0014] 步骤1 :将已知材料声学特性和几何结构参数的工件水平放置于水槽内，同时通 过调整探头位姿，使得探头中心轴线与工件表面法线方向重合，此时探头中心轴线与工件 表面法线的夹角即入射角〇。=〇°。通过超声测距法获取探头中心到工件表面垂直距离 即水声距，调整z轴运动使得水声距达到合适值d，d值由探头型号及工件z方向厚度确定， 以工件检测起点处对应的探头中心为原点0,建立检测坐标系XOZ ;
[0015] 步骤2 :根据声束在水中入射到工件的第一临界角，确定探头中心轴线与工件表 面法线的夹角取值范围[-α_, α_]，其中α_小于第一临界角，将α _划分为2n个等 份，即选取2n+l个角度位置：α η，α n+1，…，α。，…，α n α n，确定B扫查的探头X方向移 动步距△ X ;△ X根据工件内缺陷大小及成像需求确定。
[0016] 步骤3:以α "角度进行B扫查，调整A轴使探头中心轴线与工件表面法线成α n 角度，即入射角为α n，并将超声探头中心调整到起始位置〇,即调整X、Z轴使得探头中心 P点即入射点与检测坐标系〇点重合，并使入射点P到工件表面的水声距为d，根据设定的 探头X方向移动步距A X，控制扫查架在XZ平面内沿X方向运动，实现超声B扫查，由计算 机实时将每个步距Ax所形成的检测点位置的超声回波信号进行保存，记为 e(t，s，α n)， 扫查完成后，控制探头回到起始位置〇并继续进行入射角为α n+1的扫查，即依次获得 e(t，s，a n+2)，...，e(t，s，a0)，...，e(t，s，αη);
[0017] 所述的方法，所述的步骤三中，计算角域信号渡越时间及位置偏移的步骤包括：
[0018] 设水中和工件中的声速分别为(^、C2，当入射角为α，水声距为d时，根据斯涅尔 折射定律得到声束在水及工件两层介质中的传播路径，入射角α和折射角β的关系为 sina/sinP =C1A2，由此计算出声束折射角β，再依据三角几何函数关系计算出声束在 水中传播距离A= d/cos a，以及声束在工件中传
[0019] 播距离r2= (Z-d)/C〇si3，计算出声束由探头中心传播到工件内的C(x，z)点的渡 越时间为
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