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CN112485336B - 一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法 - Google Patents

一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法，包括：激光扫描参数和成像区域进行预定义；样品有缺陷和无缺陷数据集获取；采用差分技术获得反射波差集数据；计算所有激光激发位置的超声反射波的飞行时间，索引至差集数据的对应幅值并叠加，遍历整个成像区域内所有像素点获得成像区域的叠加结果；对叠加结果进行Hilbert变化并去模量得到最终成像结果。本方法极大的抑制了其他波模式对成像区域的影响，提升了缺陷的检测能力的同时保留了全部的缺陷反射波信息，可实现内部多缺陷的高信噪比成像和精确定位。

Description

一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法
技术领域
本发明属于激光和超声成像领域，涉及一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法。
背景技术
激光扫描阵列是常用的增强激光超声检测能力的方法之一，通过激光的阵列扫描，并通过适当的激发延时，可实现材料内部超声波束的聚焦和偏转，增强缺陷检测的灵敏度和精度；由于激发和检测光源便于移动的特点，还可通过不同的成像算法，如合成孔径聚焦技术(SAFT)和全聚焦技术(TFM)对材料内部缺陷进行成像。
常规SAFT技术需在激发激光位置处探测超声波，进而无法避免被激光在材料表面引起热膨胀的影响，给数据处理带来困难；不仅如此，激发光会在材料中产生多种模式的超声波，激光激发的高幅值声表面波及其他模式转换波等其他模式的超声波同时叠加在成像区域内，造成成像区域背景不均匀甚至将缺陷的像淹没，影响缺陷的有效检测和精确定位。
发明内容
鉴于以上陈述的已有技术的不足，本发明旨在一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法，以抑制其他模式波对缺陷成像的影响，实现内部缺陷的高信噪比成像及精确定位。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法，包括：
步骤1：对激光扫描参数和成像区域进行预定义，包括：激光参数、扫描参数、成像区域参数等等；
步骤2：采用激光扫描激发、固定点探测超声波的方式分别在无缺陷样品和有缺陷样品上获得无缺陷和有缺陷数据集；
步骤3：对有缺陷数据集和无缺陷数据集进行归一化操作，并采用差分技术获得差集数据；
步骤4：对于成像区域内的每个像素点，计算所有激光激发位置的超声反射波的飞行时间，索引至差集数据的对应幅值并叠加获得该像素点成像幅值，遍历所有像素点获得成像区域的叠加结果；
步骤5：对成像区域的叠加结果进行Hilbert变换得到最终的成像结果。
在所述步骤1中，对激光扫描参数和成像区域进行预定义，具体包括：激光光斑大小、扫描区间、扫描步长、超声波探测位置、成像区域范围、成像区域分辨率。
在所述步骤2中，所述有缺陷和无缺陷数据集采用激光扫描激发、固定点探测超声波的方式在有缺陷和无缺陷样品上获得，对于激光扫描n次的过程，获得的数据集包含n个反射波信号。
在所述步骤3中，采用差分技术获得差集数据，具体方法为：采用在有缺陷样品上每次激光激发获取的有缺陷数据减去在无缺陷样品上同样的激发探测位置处采集到的无缺陷数据。
在所述步骤4中，超声反射波的飞行时间具体计算方法为：
Figure BSA0000225441030000021
其中，v为超声波速，超声波探测点坐标为(x0，z0)，激光激发点坐标为(xi，zi)，像素点坐标为(x，z)。该像素点成像幅值具体计算方法为：
Figure BSA0000225441030000031
其中，di是步骤3得到的差集数据中的每个反射波时域波形。
在所述步骤5中，最终成像结果是步骤4中得到成像幅值的Hilbert变化模量，具体为：
Figure BSA0000225441030000032
其中，H{·}表示Hilbert变换，|·|表示取绝对值。
本发明的一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法，充分考虑了激光超声多模态激发的特性，在有缺陷和无缺陷样品上分别采集超声波数据集，通过差分技术在显著滤出其他模式波的同时极大程度的保留缺陷反射波。有效的避免了高幅值的声表面波及其他模式转换波对成像区域的影响，极大提升缺陷成像的识别能力，实现对内部多缺陷的高信噪比成像和精确定位。
附图说明如下：
图1为根据本发明的一个实施例的基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法的流程图；
图2为常规激光超声合成孔径成像方法与基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法的检测结果对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
本发明的发明思路是针对常规激光超声合成孔径技术所存在的易受其他波模式影响的问题，利用差分技术对反射波数据进行处理，实现内部缺陷高分辨率的成像及精确定位。所述基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法流程如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：对激光扫描参数和成像区域进行预定义，包括：激光光源半径 0.2mm、扫描步长0.1mm、扫描点个数100，扫描区间坐标为(-6mm，-1mm)和 (1mm，6mm)，探测点坐标为(0，0)，成像区域如图2所示，成像区域分辨率为0.01mm；
步骤2：基于步骤1定义的参数，采用Abaqus有限元软件分别建立包含三个圆孔缺陷和无缺陷铝板模型，三个缺陷的位置坐标分别为(-3.0mm，6.0mm)， (0，7.7mm)，(3.0mm，6.7mm)。通过温度-位移耦合分析步解析求解，获得的有缺陷和无缺陷数据集数据集为1×100的矩阵阵列形式。
步骤3：将步骤2得到的有缺陷数据集和无缺陷数据集进行归一化操作，采用对应相减的差分技术得到差集数据，获得的差集数据集为1×100的矩阵阵列形式。
步骤4：对于成像区域内的每个像素点，采用式(1)计算超声反射波的飞行时间，对于上述的差集数据，获得对应的100个飞行时间。采用式(2)计算该点像素，其中n等于100，遍历成像区域内的所有像素点，获得成像区域的叠加结果。
步骤5：采用式(3)计算最终的成像结果，即步骤4得到的成像区域的叠加结果的Hilbert变化的模量。
为验证本发明方法的有效性，采用常规激光超声合成孔径成像方法与本发明基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法的检测结果进行对比。在采用常规激光超声合成孔径成像方法获得的有缺陷模型成像(左)和无缺陷模型成像 (中)中，因为高幅值声表面波的影响，图像的上部分呈现出高幅值区，不利于缺陷的识别，在深度为5-7mm的范围内，缺陷反射回波在采用常规激光超声合成孔径成像方法获得的有缺陷模型成像(左)中生成了三个高幅值区域，由于反射波的能量远低于其他模式波，缺陷的像被高幅值的背景淹没。与两者相比，本发明提出的差分技术的激光超声合成孔径成像方法对的缺陷成像(右) 可清晰的看到设置的三个缺陷，极大抑制了其他模式波对成像区域的影响，从而图像上方由于声表面波叠加形成的高幅值区被明显减弱，图像的背景幅值低且平均。
采用图2中X和Z方向的归一化幅值对三个缺陷进行定位，缺陷坐标分别是：(-2.8mm，5.9mm)，(0，6.6mm)，(2.8mm，7.5mm)，与模型中缺陷的设置位置差异很小，三个缺陷的位置误差均小于0.2mm。结果表明，采用差分数据集进行SAFT成像可在有效抑制其他模式波的情况下，保留缺陷反射波的全部信息，即使此模型中三个缺陷距离在毫米级，反射波到达时间接近甚至相同时，亦能实现所有缺陷清晰的重构和成像。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例可以做出各种变化。应当指出，在不脱离本发明方法实质的前提下，在实际实施中所作的简单、等效变化与修饰(比如激光扫描方式，改变超声波探测方式)，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (4)

1.一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法，其特征在于，包括：
步骤1：对激光扫描参数和成像区域进行预定义，包括：激光参数、扫描参数、成像区域参数；
步骤2：采用激光扫描激发、固定点接收超声波的方式分别在无缺陷样品和有缺陷样品上获得无缺陷和有缺陷数据集；
步骤3：对有缺陷数据集和无缺陷数据集进行归一化操作，并采用差分技术获得差集数据；
步骤4：对于成像区域内的每个像素点，计算所有激光激发位置的超声反射波的飞行时间，索引至差集数据的对应幅值并叠加获得该像素点成像幅值，遍历所有像素点获得成像区域的叠加结果；
步骤5：对成像区域的叠加结果进行Hilbert变换得到最终的成像结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法，其特征在于，在所述步骤3，所述差集数据通过有缺陷样品上每个特定激光激发-超声探测位置获取的有缺陷数据减去在无缺陷样品上相同的激发-探测位置处采集到的无缺陷数据获得。
3.根据权利要求1所述的一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法，其特征在于，在所述步骤4，所述每个像素点的幅值根据所有激光激发-超声探测位置的超声反射波的飞行时间，索引至步骤3的差集数据对应幅值并叠加获得。
4.根据权利要求1所述的一种基于差分技术的激光超声合成孔径成像方法，其特征在于，在所述步骤5，最终成像结果是步骤4成像区域的叠加结果的Hilbert变化模量。
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