[发明专利]一种基于无监督流形分割的超声波缺陷检测方法

说明书

一种基于无监督流形分割的超声波缺陷检测方法，属于碳纤维聚合物内部缺陷无损检测技术领域。它包括以下步骤：1)获取聚合物内部缺陷图像数据集；2)缺陷超声数据预处理；3)统一流形逼近与投影降维；4)无监督图像分割；5)缺陷可视化。本发明利用统一流形逼近与投影，保存局部信息和全局数据结构，对数据进行高质量的降维，并结合无监督图像分割方法进行了像素级的分割和聚类，完成了缺陷区域提取，提升了聚合物内部缺陷超声成像的可识别性，有助于提高超声波无损检测的准确性。

技术领域

本发明属于碳纤维聚合物内部缺陷无损检测技术领域，具体涉及一种基于无监督流形分割的超声波缺陷检测方法。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有密度低、强度高和高化学稳定性等优质特性，一直是传统金属材料的竞替代品，在航空和汽车等工业领域具有重要的应用。但在制造和使用过程中，受制备工艺和外部冲击等因素影响，CFRP结构容易产生缺陷和损伤。为确保CFRP的完整性和可靠性，在制造和使用CFRP材料的过程中进行无损检测显得尤为重要。

目前，已经开发了多种超声成像数据分析方法，然而，这些算法的分类器的训练需要大量的历史数据，目前获得大规模的样本数据集比较困难，一些图像处理的算法基本上不能直接用于复合材料超声缺陷检测。因此，实现无监督超声的自动化检测显得格外重要。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于无监督流形分割的超声波缺陷检测方法，方法充分利用流形学习降维和无监督图像分割的优势，实现了模型的高效检测。

本发明提供如下技术方案：一种基于无监督流形分割的超声波缺陷检测方法，无监督流形分割Ums(Unsupervised manifold segmentation)包括统一流形逼近与投影降维及无监督语义分割，包括以下步骤:

(1)获取聚合物内部缺陷图像数据集

采用超声相控检测仪发射连续的固定间隔的超声脉冲到工件表面，从聚合物内部中采集超声图像，声波在工件内部传播，在测试介质的上表面、下表面以及介质与缺陷构成的界面都将发生反射，使用接收器捕获超声回波，最后，将获取的超声缺陷图像保存为三维矩阵记录下来；

(2)缺陷超声数据预处理

将以三维矩转形式记录的超声缺陷图像转换为二维矩阵，并对二维矩阵进行预处理，以平衡不同深度缺陷的回波并减弱表面和底部回波的影响；

(3)统一流形逼近与投影降维

将步骤(2)中预处理后的二维矩阵作为输入，统一流形逼近与投影算法通过计算每个点的最近邻域的隶属度，构建模糊拓扑表示，在低维空间中对低维表示进行优化，并采用交叉熵对其进行度量；

(4)无监督语义分割

将降维后的二维矩阵按行方向取平均值，转换为二维矩阵，根据像素的颜色、纹理进行自适应聚类，分配一致的语义标签并进行超像素分割，并且对图像进行预分类，然后，使用深度卷积网络计算特征图，直到语义分割结果与预分类的结果相符合，最后进行合并区块可视化输出；

(5)缺陷可视化

把超声缺陷图像的无监督流形分割Ums的结果输出，并将缺陷可视化。

所述的一种基于无监督流形分割的超声波缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤(2)的过程为：

步骤2.1：将记录的三维超声矩阵X₀∈R^H×X×Y转换为二维矩阵X₁，其中H，X，Y分别表示采样时间点、水平扫描方向和垂直扫描方向上的位置；

步骤2.2：采用鲁棒标准化方法对二维矩阵X₁预处理，以平衡不同深度缺陷的回波并减弱表面和底部回波的影响，其计算公式为：