[发明专利]声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法及系统

说明书

本发明公开了一种声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法，包括以下步骤：根据待测曲面零件确定检测参数；将待测曲面零件浸入水中，对待测曲面零件的凸面和凹面位置进行检测，采集全矩阵数据；将待测区域划分为凸面区域和凹面区域，进行各阵元声场在双介质曲面中的仿真；将各阵元声场强度的最大值的一定比例作为阈值，将各阵元成像区域进行阈值分割，生成有效区域系数矩阵，获得零件曲面的全聚焦优化成像；分析待测曲面零件凸面区域和凹面区域的缺陷尺寸和位置。本发明在保证成像质量的同时，有效提高全聚焦成像速率，对于复杂零件的水浸超声全聚焦高灵敏度检测和快速成像具有重要的工业应用价值。

技术领域

本发明属于超声波无损检测技术领域，具体涉及一种声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法，适用于不同曲率凸面/凹面几何特征的金属零件超声检测。

背景技术

超声相控阵采用多阵元聚焦成像具有更好的缺陷表征能力和更高的检测精度，在航空航天、石油化工、风电核能和轨道交通等领域应用日益广泛。特别是对于航空机匣异型环件、石油管道、风电轴承的滚道等曲面构件的无损检测，超声相控阵更具优势。目前针对复杂曲面构件，一般采用超声相控阵柔性探头或者曲面阵列探头，此类探头采用接触式检测，存在耦合条件不稳定，检测效率低等问题。水浸超声相控阵检测具有耦合效果好，可适用于曲率变化的复杂表面并可以实现快速自动化扫查，在工业中广泛应用。

全聚焦成像算法由于成像分辨率高，信噪比高，成为超声无损检测领域的研究热点。该算法通过采集全矩阵信号，利用全矩阵数据对成像区域内各像素点位置进行信号叠加，其数据量大，计算过程更加复杂，因此全聚焦加速算法和实时成像是目前研究的重点。另外，全聚焦曲面检测存在声场复杂，以及曲面交界面造成的严重信号噪声干扰，检测灵敏度低，这是曲面全聚焦成像检测迫切需要解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法，通过该方法可以实现具有不同曲率凸面/凹面截面几何特征的金属零件超声全聚焦高分辨率快速成像，解决曲面全聚焦成像噪声严重的问题，利用阵元声场仿真确定有效成像区域，在提高成像质量的同时，提高成像速率。

本发明为达上述目的所采用的技术方案是：

提供一种声场阈值分割的相控阵曲面全聚焦成像优化方法，包括以下步骤：

步骤(1)：根据待测曲面零件的材料和曲面几何特征，确定检测参数，包括超声相控阵探头频率f、阵元数量N、阵元宽度d和水层高度h；

步骤(2)：将待测曲面零件浸入水中，按照确定的检测参数放置超声相控阵探头，分别对待测曲面零件的凸面和凹面位置进行检测，采集全矩阵数据，依次激发N个阵元，总共获得N×N组数据；

步骤(3)：根据待测曲面零件的截面几何形状，将待测区域划分为凸面区域和凹面区域，分别针对凸面和凹面几何参数和探头参数进行各阵元声场在双介质曲面中的仿真；

步骤(4)：将各阵元声场强度的最大值的一定比例作为阈值，将各阵元成像区域进行阈值分割，生成有效区域系数矩阵；

步骤(5)：将待测曲面零件的各阵元有效区域内的网格点逐一成像，实现阵元有效区域全聚焦优化成像，获得零件曲面的全聚焦优化成像；

步骤(6)：根据零件曲面的全聚焦优化成像，分析待测曲面零件凸面区域和凹面区域的缺陷尺寸和位置。

接上述技术方案，曲面全聚焦的检测参数的确定过程如下：

根据待测曲面零件的材料和检测深度范围，确定探头频率f和阵元间隔p：对于粗晶材料和厚壁零件检测采用低频探头，对于薄壁零件选择高频探头；小缺陷的高分辨率检测要求阵元间隔p更小；

曲面全聚焦检测的相控阵探头参数和检测参数满足以下条件：

a.各阵元在凹面内的纵波发射盲区小于待测区域的1/4；