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CN106872576B - 基于全向磁声换能器导波散射成像方法和装置 - Google Patents

基于全向磁声换能器导波散射成像方法和装置 Download PDF

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CN106872576B CN201710076689.XA CN201710076689A CN106872576B CN 106872576 B CN106872576 B CN 106872576B CN 201710076689 A CN201710076689 A CN 201710076689A CN 106872576 B CN106872576 B CN 106872576B
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Abstract

本发明提出一种基于全向磁声换能器导波散射成像方法和装置，其中，方法包括：从均匀布置在待检测金属板检测区域内的N个全向磁声换能器中选择第n个全向磁声换能器激发全向超声导波，将剩下的N‑1个全向磁声换能器作为全向接收磁声换能器全向接收超声导波信号，并计算全向接收超声导波信号的走时和信号强度，判断激励磁声换能器和全向接收磁声换能器构成散射组时计算散射点位置，判断散射点位置位于预设的散射区域内时将散射点位置确定为有效散射点，重复上述过程至N个全向磁声换能器都进行过激发全向超声导波，将全部有效散射点进行曲线拟合得到待检测金属板的缺陷轮廓成像。由此，能够对金属板的实际复杂缺陷进行高精度轮廓成像，操作便捷，效率高。

Description

基于全向磁声换能器导波散射成像方法和装置
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于全向磁声换能器导波散射成像方法和装置。
背景技术
通常，在金属板构件检测工程中，大多只能判断缺陷的有无并确定其位置。另外，通过获得金属板构件缺陷的尺寸乃至轮廓形状等定量化的信息作为评价金属板结构健康状况、指导其维修和维护工作的重要依据。
随着对金属板构件安全的要求日益严格，对金属板构件的检测已不能满足于常规的判断缺陷有无及获得缺陷当量尺寸层面，缺陷定量描述必须向缺陷轮廓形状描述、缺陷高精度成像、缺陷检测结果可视化方向发展。
相关技术中，超声导波具有衰减小、传播距离远、声场100％覆盖构件厚度、易于调节导波模态等特点，采用全向磁声换能器从多角度对换能器阵列所包围区域进行导波检测，能够为缺陷的高精度成像提供更为丰富、准确的缺陷信息。
然而，当导波遇到缺陷发生较强程度的散射时，散射的影响和作用占主导地位，散射作用会使传统导波成像方法重建的缺陷图像中产生较多赝像，造成检测盲区，严重影响了金属材料结构件的缺陷定位及成像精度。操作不够简单便捷且效率低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于全向磁声换能器导波散射成像方法，该方法能够对金属板的实际复杂缺陷进行高精度轮廓成像，操作便捷，对散射点位置求解准确、运算速度快，对实际复杂缺陷轮廓的成像效率高。
本发明的第二个目的在于提出一种基于全向磁声换能器导波散射成像装置。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于全向磁声换能器导波散射成像方法，包括：S1，从均匀布置在待检测金属板检测区域内的N个全向磁声换能器中选择第n个全向磁声换能器作为激励磁声换能器激发全向超声导波，其中，N为正整数；S2，从所述N个全向磁声换能器中选择m个全向磁声换能器作为全向接收磁声换能器全向接收超声导波信号，并计算所述全向接收超声导波信号的走时和信号强度，其中，m为正整数且小于或者等于N；S3，判断所述激励磁声换能器和所述全向接收磁声换能器是否构成散射组，若是，则根据所述全向接收超声导波信号的走时和信号强度、所述散射组的位置计算散射点位置；S4，判断所述散射点位置是否位于预设的散射区域内，若是，将所述散射点位置确定为有效散射点；S5，重复执行所述步骤S1和步骤S4，直至所述N个全向磁声换能器都进行过激发全向超声导波，将获取的全部所述有效散射点进行曲线拟合得到所述待检测金属板的缺陷轮廓成像。
本发明实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像方法，通过从均匀布置在待检测金属板检测区域内的N个全向磁声换能器中选择第n个全向磁声换能器作为激励磁声换能器激发全向超声导波，并将m个全向磁声换能器作为全向接收磁声换能器全向接收超声导波信号，进而在判断激励磁声换能器和全向接收磁声换能器是否构成散射组时根据全向接收超声导波信号的走时和信号强度、散射组的位置计算散射点位置，并判断散射点位置位于预设的散射区域内时将散射点位置确定为有效散射点，最后N个全向磁声换能器都进行过激发全向超声导波，将获取的全部有效散射点进行曲线拟合得到待检测金属板的缺陷轮廓成像。由此，能够对金属板的实际复杂缺陷进行高精度轮廓成像，操作便捷，对散射点位置求解准确、运算速度快，对实际复杂缺陷轮廓的成像效率高。
另外，根据本发明上述实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像方法还可以具有如下附加的技术特征：
可选地，所述计算所述全向接收超声导波信号的信号强度AR的公式为，其中，所述全向接收超声导波信号为x(l)，其中l＝1,2，…，L，L为所述全向接收超声导波信号总数据点数。
可选地，所述判断所述激励磁声换能器和所述全向接收磁声换能器是否构成散射组，包括：所述全向接收超声导波信号的走时为tr，所述全向接收超声导波信号的传播速度为v，建立平面直角坐标系，所述激励磁声换能器的位置为T，所述全向接收磁声换能器的位置为R，所述全向接收超声导波信号沿直线从位置T传播到位置R所用的理论时间ts为：
其中，为平面直角坐标系中位置T到位置R的向量长度，若tr>ts，则确定所述激励磁声换能器和所述全向接收磁声换能器构成散射组。
可选地，所述根据所述全向接收超声导波信号的走时和信号强度、所述散射组的位置计算散射点位置的公式为：和其中，所述激励磁声换能器的位置为T，所述全向接收磁声换能器的位置为R，所述散射点位置的位置为P，为平面直角坐标系中位置T到位置P的向量长度，为平面直角坐标系中位置P到位置R的向量长度，ARS为在位置R接收到的散射波信号强度，A为所述激发全向超声导波的信号强度，as为所述全向接收超声导波信号散射时信号强度的散射衰减系数，以及ARD为在位置R接收到的直来波信号强度。
可选地，所述判断所述散射点位置是否位于预设的散射区域内，包括：获取所述激发全向超声导波理论衰减幅值为根据所述激发全向超声导波理论衰减幅值计算导波透射强度比较阈值为AHi∈Nδ(β*AThi)＝(β*AThi-δ,β*AThi+δ)，其中，β为导波模拟透射系数，Nδ(β*AThi)为以β*AThi为中心、以δ为半径的邻域；获取全向接收超声导波信号散射时信号强度的散射衰减系数为计算数量K为K＝Count(i)s.t.(ARi<AHi)，其中，Count(i)为对i进行计数的函数；根据计算K个的所述全向接收磁声换能器的位置和所述激励磁声换能器的位置得到预设的散射区域，以及判断所述散射点位置是否位于预设的散射区域内。
可选地，所述曲线拟合的公式为：
其中，S为总的所述有效散射点的个数，S为正整数，在平面直角坐标系中，第j个散射点位置为Pj(xj，yj),其中，j＝1,2，…，S。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种基于全向磁声换能器导波散射成像装置，包括：选择模块，用于从均匀布置在待检测金属板检测区域内的N个全向磁声换能器中选择第n个全向磁声换能器作为激励磁声换能器激发全向超声导波，其中，N为正整数；第一处理模块，用于从所述N个全向磁声换能器中选择m个全向磁声换能器作为全向接收磁声换能器全向接收超声导波信号，并计算所述全向接收超声导波信号的走时和信号强度，其中，m为正整数且小于或者等于N；第二处理模块，用于判断所述激励磁声换能器和所述全向接收磁声换能器是否构成散射组，若是，则根据所述全向接收超声导波信号的走时和信号强度、所述散射组的位置计算散射点位置；确定模块，用于判断所述散射点位置是否位于预设的散射区域内，若是，将所述散射点位置确定为有效散射点；第三处理模块，用于重复执行所述选择模块、所述第一处理模块、所述第二处理模块和确定模块，直至所述N个全向磁声换能器都进行过激发全向超声导波，并将获取的全部所述有效散射点进行曲线拟合得到所述待检测金属板的缺陷轮廓成像。
本发明实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像装置，通过从均匀布置在待检测金属板检测区域内的N个全向磁声换能器中选择第n个全向磁声换能器作为激励磁声换能器激发全向超声导波，并将m个全向磁声换能器作为全向接收磁声换能器全向接收超声导波信号，进而在判断激励磁声换能器和全向接收磁声换能器是否构成散射组时根据全向接收超声导波信号的走时和信号强度、散射组的位置计算散射点位置，并判断散射点位置位于预设的散射区域内时将散射点位置确定为有效散射点，最后N个全向磁声换能器都进行过激发全向超声导波，将获取的全部有效散射点进行曲线拟合得到待检测金属板的缺陷轮廓成像。由此，能够对金属板的实际复杂缺陷进行高精度轮廓成像，操作便捷，对散射点位置求解准确、运算速度快，对实际复杂缺陷轮廓的成像效率高。
另外，根据本发明上述实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像装置还可以具有如下附加的技术特征：
可选地，所述计算所述全向接收超声导波信号的信号强度AR的公式为，其中，所述全向接收超声导波信号为x(l)，其中l＝1,2，…，L，L为所述全向接收超声导波信号总数据点数。
可选地，所述第二处理模块用于判断所述激励磁声换能器和所述全向接收磁声换能器是否构成散射组，包括：所述全向接收超声导波信号的走时为tr，所述全向接收超声导波信号的传播速度为v，建立平面直角坐标系，所述激励磁声换能器的位置为T，所述全向接收磁声换能器的位置为R，所述全向接收超声导波信号沿直线从位置T传播到位置R所用的理论时间ts为：
其中，为平面直角坐标系中位置T到位置R的向量长度，若tr>ts，则确定所述激励磁声换能器和所述全向接收磁声换能器构成散射组。
可选地，所述根据所述全向接收超声导波信号的走时和信号强度、所述散射组的位置计算散射点位置的公式为：和其中，所述激励磁声换能器的位置为T，所述全向接收磁声换能器的位置为R，所述散射点位置的位置为P，为平面直角坐标系中位置T到位置P的向量长度，为平面直角坐标系中位置P到位置R的向量长度，ARS为在位置R接收到的散射波信号强度，A为所述激发全向超声导波的信号强度，as为所述全向接收超声导波信号散射时信号强度的散射衰减系数，以及ARD为在位置R接收到的直来波信号强度。
可选地，所述确定模块用于判断所述散射点位置是否位于预设的散射区域内，包括：获取所述激发全向超声导波理论衰减幅值为根据所述激发全向超声导波理论衰减幅值计算导波透射强度比较阈值为AHi∈Nδ(β*AThi)＝(β*AThi-δ,β*AThi+δ)，其中，β为导波模拟透射系数，Nδ(β*AThi)为以β*AThi为中心、以δ为半径的邻域；获取全向接收超声导波信号散射时信号强度的散射衰减系数为计算数量K为K＝Count(i)s.t.(ARi<AHi)，其中，Count(i)为对i进行计数的函数；根据所述K个所述全向接收磁声换能器的位置和所述激励磁声换能器的位置得到预设的散射区域，以及判断所述散射点位置是否位于预设的散射区域内。
可选地，所述曲线拟合的公式为：
其中，S为总的所述有效散射点的个数，S为正整数，在平面直角坐标系中，第j个散射点位置为Pj(xj，yj),其中，j＝1,2，…，S。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像方法的流程图；
图2为根据本发明一个实施例的实验结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的金属板缺陷轮廓成像结果图；
图4为根据本发明另一个实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像方法的流程图；
图5为根据本发明一个实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像方法和装置。
通常，金属板构件检测工程中，大多只能判断缺陷的有无并确定其位置。随着对金属板构件安全的要求日益严格，对金属板构件的检测技术也不断发展。
相关技术中，采用全向磁声换能器从多角度对换能器阵列所包围区域进行导波检测，能够为缺陷的高精度成像提供更为丰富、准确的缺陷信息。然而，当导波遇到缺陷发生较强程度的散射时，散射的影响和作用占主导地位，散射作用会使传统导波成像方法重建的缺陷图像中产生较多赝像，造成检测盲区，严重影响了金属材料结构件的缺陷定位及成像精度。
此外，实际缺陷的形状十分复杂，散射特征多种多样，几乎无法找到统一的模型去描述散射过程及提取散射特征；基于全向磁声换能器的导波散射检测，由于导波发射和传播方向不具有唯一确定性，使得由导波散射信号重建缺陷轮廓的模型很难构建。
为了避免上述问题，本发明提出一种基于全向磁声换能器导波散射成像方法，通过全向磁声换能器EMAT以均匀布置在检测区域周围，利用导波信号走时、各信号强度和对应的散射组位置关系，建立散射点位置的高精度求解模型和方法，并筛选出有效散射点，将所有有效散射点进行曲线拟合，构建实际复杂缺陷的清晰轮廓图像，计算准确、高效、快速，解决了金属板实际复杂缺陷电磁超声导波检测成像精度低、缺陷特征难以提取、全向换能器缺陷轮廓重建模型难以求解的问题。具体如下：
图1为根据本发明一个实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像方法的流程图。
如图1所示，该基于全向磁声换能器导波散射成像方法包括以下步骤：
步骤1，从均匀布置在待检测金属板检测区域内的N个全向磁声换能器中选择第n个全向磁声换能器作为激励磁声换能器激发全向超声导波，其中，N为正整数。
具体地，N个全向磁声换能器可以以任何形式只要均匀布置在待检测金属板检测区域内即可。比如以圆形阵列形式均匀布置。
可以理解的是，每个全向磁声换能器在待检测金属板检测区域内按照一定顺序激发全向超声导波，由此，可以选择从第n个全向磁声换能器作为激励磁声换能器激发全向超声导波。还可以理解的是，每个全向磁声换能器在待检测金属板检测区域内当有超声导波时全向接收超声导波信号。即每个全向磁声换能器都具有激发全向超声导波和全向接收超声导波信号的双重功能。
需要说明的是，全向磁声换能器主要由通入交变电流的饼型圆周密绕线圈、沿圆周方向顶磁化的开口镍带圆环以及全向磁声换能器下待检测金属板自身组成。
作为一种场景实现，采用16个全向磁声换能器EMAT，以圆形阵列形式均匀布置在待测钢板检测区域周围。钢板厚度为4mm，全向磁声换能器直径为35mm，该圆形磁声阵列的直径为54cm。选择第1个全向磁声换能器作为激励磁声换能器激发全向超声导波。
步骤2，从N个全向磁声换能器中选择m个全向磁声换能器作为全向接收磁声换能器全向接收超声导波信号，并计算全向接收超声导波信号的走时和信号强度，其中，m为正整数且小于或者等于N。
具体地，在金属板中有超声导波信号时，可以是全部全向磁声换能器或者是部分全向磁声换能器全向接收超声导波信号。
具体地，计算全向接收超声导波信号的信号强度AR的公式为：
其中，全向接收超声导波信号为x(l)，其中l＝1,2，…，L，L为全向接收超声导波信号总数据点数。
继续以上述场景实现描述，m可以为12。
步骤3判断激励磁声换能器和全向接收磁声换能器是否构成散射组，若是，则根据全向接收超声导波信号的走时和信号强度、散射组的位置计算散射点位置。
具体地，判断激励磁声换能器和全向接收磁声换能器是否构成散射组，包括：某一个全向接收超声导波信号的走时为tr，全向接收超声导波信号的传播速度为v，比如全向接收超声导波信号在金属板中的传播速度为v＝3200m/s，建立平面直角坐标系，激励磁声换能器的位置为T，全向接收磁声换能器的位置为R，全向接收超声导波信号沿直线从位置T传播到位置R所用的理论时间ts为：其中，为平面直角坐标系中位置T到位置R的向量长度，若tr>ts，则确定激励磁声换能器和全向接收磁声换能器构成散射组。
需要说明的是，如果tr>ts不成立，对于该全向接收超声导波信号来说激励磁声换能器和全向接收磁声换能器不构成散射组。
可以理解的是，每次激励磁声换能器只有一个，全向接收磁声换能器可为多个，在判断不构成散射组后，需要判断激励磁声换能器与下一个全向接收磁声换能器是否构成散射组。
具体地，根据全向接收超声导波信号的走时和信号强度、散射组的位置计算散射点位置的公式为：和其中，激励磁声换能器的位置为T，全向接收磁声换能器的位置为R，散射点位置的位置为P，为平面直角坐标系中位置T到位置P的向量长度，为平面直角坐标系中位置P到位置R的向量长度，ARS为在位置R接收到的散射波信号强度，A为激发全向超声导波的信号强度，as为全向接收超声导波信号散射时信号强度的散射衰减系数，以及ARD为在位置R接收到的直来波信号强度。
步骤4，判断散射点位置是否位于预设的散射区域内，若是，将散射点位置确定为有效散射点。
具体地，判断散射点位置是否位于预设的散射区域内，包括：获取激发全向超声导波理论衰减幅值为根据激发全向超声导波理论衰减幅值计算导波透射强度比较阈值为AHi∈Nδ(β*AThi)＝(β*AThi-δ,β*AThi+δ)，其中，β为导波模拟透射系数，Nδ(β*AThi)为以β*AThi为中心、以δ为半径的邻域；获取全向接收超声导波信号散射时信号强度的散射衰减系数为计算数量K为K＝Count(i)s.t.(ARi<AHi)，其中，Count(i)为对i进行计数的函数；根据计算K个的全向接收磁声换能器的位置和激励磁声换能器的位置得到预设的散射区域，以及判断散射点位置是否位于预设的散射区域内。
可以理解的是，散射点位置是否位于此扇形区域内，若是，则此散射点为有效散射点。否则，此散射点为无效散射点，并从散射点求解结果集合中剔除。
步骤5，重复执行步骤1和步骤4，直至N个全向磁声换能器都进行过激发全向超声导波，将获取的全部有效散射点进行曲线拟合得到待检测金属板的缺陷轮廓成像。
具体地，曲线拟合的公式为：
其中，S为总的所述有效散射点的个数，S为正整数，在平面直角坐标系中，第j个散射点位置为Pj(xj，yj),其中，j＝1,2，…，S。
为了本领域人员更加清楚本发明的上述过程及其结果，下面结合图2和图3举例说明如下：
图2为根据本发明一个实施例的实验结构示意图。图2可以结合上述实施例描述解释，图3为根据本发明一个实施例的金属板缺陷轮廓成像结果图。如图3所示，16个全向磁声换能器，L为5000，v为3200m/s，β为导波模拟透射系数取为0.9，共得到39个散射点，根据散射点位置和散射边方向形成的拟合曲线已非常接近此钢板缺陷的实际轮廓。利用本发明的方法进行金属板缺陷轮廓的成像检测，成像精度较高，且可以获得缺陷的清晰轮廓图像。
综上所述，本发明实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像方法，通过从均匀布置在待检测金属板检测区域内的N个全向磁声换能器中选择第n个全向磁声换能器作为激励磁声换能器激发全向超声导波，并将m个全向磁声换能器作为全向接收磁声换能器全向接收超声导波信号，进而在判断激励磁声换能器和全向接收磁声换能器是否构成散射组时根据全向接收超声导波信号的走时和信号强度、散射组的位置计算散射点位置，并判断散射点位置位于预设的散射区域内时将散射点位置确定为有效散射点，最后N个全向磁声换能器都进行过激发全向超声导波，将获取的全部有效散射点进行曲线拟合得到待检测金属板的缺陷轮廓成像。由此，能够对金属板的实际复杂缺陷进行高精度轮廓成像，操作便捷，对散射点位置求解准确、运算速度快，对实际复杂缺陷轮廓的成像效率高。
图4为根据本发明另一个实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像方法的流程图。
S21：采用20个全向磁声换能器EMAT，以圆形阵列形式均匀布置在待测钢板检测区域周围。钢板厚度为3mm，全向发射/接收EMAT直径为35mm，该圆形磁声阵列的直径为66cm。
S22：选择第n个全向磁声换能器作为本次检测的激励磁声换能器Tn，其中，n＝1,2,…，20，并在金属板中激发全向超声导波。
S23：全向磁声换能器接收金属板中的超声导波信号，假设共M个全向接收磁声换能器全向接收超声导波信号(由于不同全向发射EMAT检测时M数量不同，此处未给出M的具体数值)，表示为Rm，其中，m＝1,2，…，M；计算全向接收EMAT接收到各导波检测信号的走时和信号强度，导波检测信号数据可表示为x(l)，其中l＝1,2，…，L，L为导波检测信号数据总数据点数(本示例为6500)，接收到导波检测信号的信号强度AR为：
S24：利用全向接收超声导波信号的走时判断接收到全向接收超声导波信号的全向接收磁声换能器(Rm)与此时进行全向激发的激励磁声换能器(全向发射磁声换能器)(Tn)是否构成散射组，对于全向接收磁声换能器接收到的某一超声导波检测信号，其实测走时为tr，全向接收超声导波信号在金属板中的传播速度为v＝3200m/s，建立平面直角坐标系，激励磁声换能器的位置为T，全向接收磁声换能器的位置为R，则该超声导波信号沿直线直接从位置T传播到位置R所用的理论时间ts为：
其中，
为平面直角坐标系中位置T到位置R的向量长度。
若tr>ts，则对于该超声导波信号来说Rm与Tn构成散射组；否则，对于该超声导波信号来说Rm与Tn不构成散射组。
逐一判断S23中的Rm与S22中的Tn是否构成散射组(Tn，Rm)，若是，进行S25；若不是，则全向接收磁声换能器变为Rm+1，并返回S23。
S25：对于散射组(Tn，Rm)，利用Tn和Rm的位置关系、导波信号强度和接收到导波信号的走时tr求解散射点的位置P，在平面直角坐标系中，通过求解向量的长度和向量的长度即可确定散射点的位置P。根据全向接收超声导波信号走时、全向接收超声导波信号在传播和散射时发生的信号强度衰减关系，计算散射点位置P的方法为
其中，A为在激励磁声换能器位置T处激发导波的信号强度，as为导波发生散射时信号强度的散射衰减系数，ARS为全向接收磁声换能器位置R处接收到的散射波信号强度。
求解激励磁声换能器位置T处激发导波信号强度A的方法为
其中，ARD为全向接收磁声换能器位置R处接收到的导波直来波信号强度。根据全向接收磁声换能器接收到的除散射波外的信号强度ARi与激发导波信号理论衰减幅值AThi的关系，来求解导波发生散射时信号强度的散射衰减系数as。激发导波信号理论衰减幅值AThi的求解方法为
根据激发导波信号理论衰减幅值AThi求解导波透射强度比较阈值AHi
AHi∈Nδ(β*AThi)＝(β*AThi-δ,β*AThi+δ)
其中，β为导波模拟透射系数，本实施例取为0.85，Nδ(β*AThi)为以β*AThi为中心、以δ为半径的邻域。
导波发生散射时信号强度的散射衰减系数as求解方法为
其中，数量K的求解方法为
K＝Count(i)s.t.(ARi<AHi)
其中，Count(i)为对i进行计数的函数。
S26：根据求解出的K个全向接收磁声换能器的位置Ri以及激励磁声换能器的位置T，求得散射区域为扇形R1TRK，判断S25中所求得的散射点是否位于此扇形区域内，若是，则此散射点为有效散射点，并进行S27；否则，此散射点为无效散射点，并从散射点求解结果集合中剔除此结果。
S27：判断是否所有的全向磁声换能器都已在金属板中进行了全向超声导波的激发，若是，则进行S28；若不是，则全向磁声换能器变为Tn+1，并返回S22。
S28：将得到的所有有效散射点按照各自的散射边方向进行曲线拟合，共得到52个散射点，在平面直角坐标系中，第j个散射点的位置为Pj(xj，yj),其中，j＝1,2，…，52，对散射点的拟合曲线D(x)为：
另外，本发明实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
综上所述，本发明实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像方法，采用全向磁声换能器EMAT以圆形阵列形式均匀布置在检测区域周围，利用导波信号走时、各信号强度和对应的散射组位置关系，建立散射点位置的高精度求解模型和方法，并筛选出有效散射点，将所有有效散射点进行曲线拟合，构建实际复杂缺陷的清晰轮廓图像，计算准确、高效、快速，解决了金属板实际复杂缺陷电磁超声导波检测成像精度低、缺陷特征难以提取、全向换能器缺陷轮廓重建模型难以求解的问题。
为了实现上述实施例，本发明还提出一种基于全向磁声换能器导波散射成像装置。
图5为根据本发明一个实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像装置的结构示意图。
如图5所示，该基于全向磁声换能器导波散射成像装置包括：选择模块51、第一处理模块52、第二处理模块53、确定模块54和第三处理模块55。
其中，选择模块51用于从均匀布置在待检测金属板检测区域内的N个全向磁声换能器中选择第n个全向磁声换能器作为激励磁声换能器激发全向超声导波，其中，N为正整数。
第一处理模块52从N个全向磁声换能器中选择m个全向磁声换能器作为全向接收磁声换能器全向接收超声导波信号，并计算全向接收超声导波信号的走时和信号强度，其中，m为正整数且小于或者等于N。
第二处理模块53用于判断激励磁声换能器和全向接收磁声换能器是否构成散射组，若是，则根据全向接收超声导波信号的走时和信号强度、散射组的位置计算散射点位置；
确定模块54用于判断散射点位置是否位于预设的散射区域内，若是，将散射点位置确定为有效散射点；
第三处理模块55用于重复执行选择模块、第一处理模块、第二处理模块和确定模块，直至N个全向磁声换能器都进行过激发全向超声导波，并将获取的全部有效散射点进行曲线拟合得到待检测金属板的缺陷轮廓成像。
其中，在本发明的一个实施例中，计算全向接收超声导波信号的信号强度AR的公式为，其中，全向接收超声导波信号为x(l)，其中l＝1,2，…，L，L为全向接收超声导波信号总数据点数。
其中，在本发明的一个实施例中，第二处理模块53用于判断激励磁声换能器和全向接收磁声换能器是否构成散射组，包括：
全向接收超声导波信号的走时为tr，全向接收超声导波信号的传播速度为v，建立平面直角坐标系，激励磁声换能器的位置为T，全向接收磁声换能器的位置为R，全向接收超声导波信号沿直线从位置T传播到位置R所用的理论时间ts为：其中，为平面直角坐标系中位置T到位置R的向量长度，若tr>ts，则确定激励磁声换能器和全向接收磁声换能器构成散射组。
其中，在本发明的一个实施例中，根据全向接收超声导波信号的走时和信号强度、散射组的位置计算散射点位置的公式为：
和其中，激励磁声换能器的位置为T，全向接收磁声换能器的位置为R，散射点位置的位置为P，为平面直角坐标系中位置T到位置P的向量长度，为平面直角坐标系中位置P到位置R的向量长度，ARS为在位置R接收到的散射波信号强度，A为激发全向超声导波的信号强度，as为全向接收超声导波信号散射时信号强度的散射衰减系数，以及ARD为在位置R接收到的直来波信号强度。
其中，在本发明的一个实施例中，确定模块54用于判断散射点位置是否位于预设的散射区域内，包括：获取激发全向超声导波理论衰减幅值为根据激发全向超声导波理论衰减幅值计算导波透射强度比较阈值为AHi∈Nδ(β*AThi)＝(β*AThi-δ,β*AThi+δ)，其中，β为导波模拟透射系数，Nδ(β*AThi)为以β*AThi为中心、以δ为半径的邻域；获取全向接收超声导波信号散射时信号强度的散射衰减系数为计算数量K为K＝Count(i)s.t.(ARi<AHi)，其中，Count(i)为对i进行计数的函数；根据K个全向接收磁声换能器的位置和激励磁声换能器的位置得到预设的散射区域，以及判断散射点位置是否位于预设的散射区域内。
其中，在本发明的一个实施例中，曲线拟合的公式为：
其中，S为总的所述有效散射点的个数，S为正整数，在平面直角坐标系中，第j个散射点位置为Pj(xj，yj),其中，j＝1,2，…，S。
需要说明的是，前述对基于全向磁声换能器导波散射成像方法实施例的解释说明也适用于本实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像装置，此处不再赘述。
综上所述，本发明实施例的基于全向磁声换能器导波散射成像装置，通过从均匀布置在待检测金属板检测区域内的N个全向磁声换能器中选择第n个全向磁声换能器作为激励磁声换能器激发全向超声导波，并将m个全向磁声换能器作为全向接收磁声换能器全向接收超声导波信号，进而在判断激励磁声换能器和全向接收磁声换能器是否构成散射组时根据全向接收超声导波信号的走时和信号强度、散射组的位置计算散射点位置，并判断散射点位置位于预设的散射区域内时将散射点位置确定为有效散射点，最后N个全向磁声换能器都进行过激发全向超声导波，将获取的全部有效散射点进行曲线拟合得到待检测金属板的缺陷轮廓成像。由此，能够对金属板的实际复杂缺陷进行高精度轮廓成像，操作便捷，对散射点位置求解准确、运算速度快，对实际复杂缺陷轮廓的成像效率高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种基于全向磁声换能器导波散射成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，从均匀布置在待检测金属板检测区域内的N个全向磁声换能器中选择第n个全向磁声换能器作为激励磁声换能器激发全向超声导波，其中，N为正整数；
S2，从所述N个全向磁声换能器中选择m个全向磁声换能器作为全向接收磁声换能器全向接收超声导波信号，并计算所述全向接收超声导波信号的走时和信号强度，其中，m为正整数且小于或者等于N；
S3，判断所述激励磁声换能器和所述全向接收磁声换能器是否构成散射组，若是，则根据所述全向接收超声导波信号的走时和信号强度、所述散射组的位置计算散射点位置；
S4，判断所述散射点位置是否位于预设的散射区域内，若是，将所述散射点位置确定为有效散射点；
S5，重复执行所述步骤S1和步骤S4，直至所述N个全向磁声换能器都进行过激发全向超声导波，将获取的全部所述有效散射点进行曲线拟合得到所述待检测金属板的缺陷轮廓成像。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述全向接收超声导波信号的信号强度AR的公式为，其中，所述全向接收超声导波信号为x(l)，其中l＝1,2，…，L，L为所述全向接收超声导波信号总数据点数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述判断所述激励磁声换能器和所述全向接收磁声换能器是否构成散射组，包括：
所述全向接收超声导波信号的走时为tr，所述全向接收超声导波信号的传播速度为v，建立平面直角坐标系，所述激励磁声换能器的位置为T，所述全向接收磁声换能器的位置为R，所述全向接收超声导波信号沿直线从位置T传播到位置R所用的理论时间ts为：其中，为平面直角坐标系中位置T到位置R的向量长度，若tr>ts，则确定所述激励磁声换能器和所述全向接收磁声换能器构成散射组。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述全向接收超声导波信号的走时和信号强度、所述散射组的位置计算散射点位置的公式为：
和其中，所述激励磁声换能器的位置为T，所述全向接收磁声换能器的位置为R，所述散射点位置的位置为P，为平面直角坐标系中位置T到位置P的向量长度，为平面直角坐标系中位置P到位置R的向量长度，ARS为在位置R接收到的散射波信号强度，A为所述激发全向超声导波的信号强度，as为所述全向接收超声导波信号散射时信号强度的散射衰减系数，tr为所述全向接收超声导波信号的走时，以及ARD为在位置R接收到的直来波信号强度。
5.如权利要求1所述的方法，所述判断所述散射点位置是否位于预设的散射区域内，包括：
获取所述激发全向超声导波理论衰减幅值为
根据所述激发全向超声导波理论衰减幅值计算导波透射强度比较阈值为AHi∈Nδ(β*AThi)＝(β*AThi-δ,β*AThi+δ)，其中，β为导波模拟透射系数，Nδ(β*AThi)为以β*AThi为中心、以δ为半径的邻域；
获取全向接收超声导波信号散射时信号强度的散射衰减系数为
计算数量K为K＝Count(i)s.t.(ARi<AHi)，其中，Count(i)为对i进行计数的函数；
根据计算K个的所述全向接收磁声换能器的位置和所述激励磁声换能器的位置得到预设的散射区域，以及判断所述散射点位置是否位于预设的散射区域内。
6.如权利要求1所述的方法，所述曲线拟合的公式为：其中，S为总的所述有效散射点的个数，S为正整数，在平面直角坐标系中，第j个散射点位置为Pj(xj，yj),其中，j＝1,2，…，S。
7.一种基于全向磁声换能器导波散射成像装置，其特征在于，包括：
选择模块，用于从均匀布置在待检测金属板检测区域内的N个全向磁声换能器中选择第n个全向磁声换能器作为激励磁声换能器激发全向超声导波，其中，N为正整数；
第一处理模块，从所述N个全向磁声换能器中选择m个全向磁声换能器作为全向接收磁声换能器全向接收超声导波信号，并计算所述全向接收超声导波信号的走时和信号强度，其中，m为正整数且小于或者等于N；
第二处理模块，用于判断所述激励磁声换能器和所述全向接收磁声换能器是否构成散射组，若是，则根据所述全向接收超声导波信号的走时和信号强度、所述散射组的位置计算散射点位置；
确定模块，用于判断所述散射点位置是否位于预设的散射区域内，若是，将所述散射点位置确定为有效散射点；
第三处理模块，用于重复执行所述选择模块、所述第一处理模块、所述第二处理模块和确定模块，直至所述N个全向磁声换能器都进行过激发全向超声导波，并将获取的全部所述有效散射点进行曲线拟合得到所述待检测金属板的缺陷轮廓成像。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算所述全向接收超声导波信号的信号强度AR的公式为，其中，所述全向接收超声导波信号为x(l)，其中l＝1,2，…，L，L为所述全向接收超声导波信号总数据点数。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二处理模块用于判断所述激励磁声换能器和所述全向接收磁声换能器是否构成散射组，包括：
所述全向接收超声导波信号的走时为tr，所述全向接收超声导波信号的传播速度为v，建立平面直角坐标系，所述激励磁声换能器的位置为T，所述全向接收磁声换能器的位置为R，所述全向接收超声导波信号沿直线从位置T传播到位置R所用的理论时间ts为：其中，为平面直角坐标系中位置T到位置R的向量长度，若tr>ts，则确定所述激励磁声换能器和所述全向接收磁声换能器构成散射组。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述根据所述全向接收超声导波信号的走时和信号强度、所述散射组的位置计算散射点位置的公式为：
和其中，所述激励磁声换能器的位置为T，所述全向接收磁声换能器的位置为R，所述散射点位置的位置为P，为平面直角坐标系中位置T到位置P的向量长度，为平面直角坐标系中位置P到位置R的向量长度，ARS为在位置R接收到的散射波信号强度，A为所述激发全向超声导波的信号强度，as为所述全向接收超声导波信号散射时信号强度的散射衰减系数，tr为所述全向接收超声导波信号的走时，以及ARD为在位置R接收到的直来波信号强度。
11.如权利要求7所述的装置，所述确定模块用于判断所述散射点位置是否位于预设的散射区域内，包括：
获取所述激发全向超声导波理论衰减幅值为
根据所述激发全向超声导波理论衰减幅值计算导波透射强度比较阈值为AHi∈Nδ(β*AThi)＝(β*AThi-δ,β*AThi+δ)，其中，β为导波模拟透射系数，Nδ(β*AThi)为以β*AThi为中心、以δ为半径的邻域；
获取全向接收超声导波信号散射时信号强度的散射衰减系数为
计算数量K为K＝Count(i)s.t.(ARi<AHi)，其中，Count(i)为对i进行计数的函数；
根据所述K个所述全向接收磁声换能器的位置和所述激励磁声换能器的位置得到预设的散射区域，以及判断所述散射点位置是否位于预设的散射区域内。
12.如权利要求7所述的装置，所述曲线拟合的公式为：其中，S为总的所述有效散射点的个数，S为正整数，在平面直角坐标系中，第j个散射点位置为Pj(xj，yj),其中，j＝1,2，…，S。
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