一種橫、縱波聯(lián)合超聲相控陣檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲學陣列成像檢測技術(shù)，特別涉及一種橫、縱波聯(lián)合超聲相控陣檢測 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲相控陣體波檢測有縱波檢測和橫波檢測兩種方式?？v波檢測一般是直接把換 能器貼在被檢測目標上進行檢測，如圖1所示。橫波檢測是通過在換能器與檢測目標之間 加入楔塊，通過縱波在楔塊/檢測目標界面的折射產(chǎn)生橫波實現(xiàn)的，如圖2所示?？v波檢測 和橫波檢測的方式也決定了縱波檢測與橫波檢測具有不同的掃描范圍：縱波相控陣檢測主 要對換能器正下方的小角度區(qū)域進行檢測；而橫波檢測主要對換能器斜下方的大角度區(qū)域 進行檢測。對于不同的折射角，橫波的折射系數(shù)變化較大，所以橫波檢測的掃描范圍只能是 折射系數(shù)相對平坦的區(qū)域，角度區(qū)域約35°~75°之間。
[0003] 然而，在一些工業(yè)應用場景中，往往需要對更大的角度區(qū)域進行檢測。若采用傳統(tǒng) 的橫波和縱波檢測方式，需要兩個換能器才能實現(xiàn)：縱波檢測方案檢測小角度區(qū)域，橫波檢 測方案檢測大角度區(qū)域，這不僅增加了系統(tǒng)復雜度，也增加了成本，而且某些應用場景下同 時布放兩個或多個換能器也不現(xiàn)實。若能提出一種方案，解決采用橫波檢測時不能覆蓋的 小角度區(qū)域問題，則對工業(yè)檢測具有較大意義。
[0004] 目前國內(nèi)外已經(jīng)有許多學者對相控陣超聲檢測及成像進行了研究，如徐娜等、 S. Chatillon等均對工件拐角處的探測與成像進行了研究，得到了較理想的成像結(jié)果；Alan J. Hunter等研究了復雜界面情況下的超聲相控陣成像問題；Anmol S. Rirring利用超聲相 控陣對焊縫檢測成像進行了研究;A. J. Devaney等進行了模糊目標的時間反轉(zhuǎn)成像研究； Tat Hean Gan等對木頭樣本的無接觸式高分辨率超聲成像進行了研究；I.D. Hall等利用層 析成像實現(xiàn)了超聲成像質(zhì)量的提高；Caroline Holmes等研究了超聲全矩陣收發(fā)數(shù)據(jù)的后 處理及成像，并對不同的算法結(jié)果進行了對比；Benjamin Lucht等利用了低頻時的橫波模 式轉(zhuǎn)換提高了成像的對比度；Steve Mahaut等研究了復雜形狀內(nèi)的裂紋檢測與成像。但對 于前面所描述的問題，未見有公開發(fā)表的文獻對其提出解決方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的超聲相控陣體波檢測方法必須采用兩種相 控陣才能實現(xiàn)大角度區(qū)域檢測的缺陷，從而提供一種橫、縱波聯(lián)合超聲相控陣檢測方法。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種橫、縱波聯(lián)合超聲相控陣檢測方法，該方法 在超聲換能器陣列與檢測目標之間加入楔塊，采用折射波對檢測目標內(nèi)部實現(xiàn)檢測，該方 法包括：
[0007] 步驟1)、根據(jù)超聲換能器陣列參數(shù)以及楔塊參數(shù)，對大角度區(qū)域的焦點按照橫波 聲速計算發(fā)射延時和接收延時；其中，所述大角度區(qū)域為折射角覆蓋35°至75°的區(qū)域；
[0008] 步驟2)、對于所述大角度區(qū)域，陣列中的陣元根據(jù)步驟1)所得到的發(fā)射延時、接 收延時實現(xiàn)聲波的發(fā)射與接收，然后做聚焦波束形成處理，從而得到所述大角度區(qū)域的超 聲射頻掃描線數(shù)據(jù)；
[0009] 步驟3)、采用橫、縱波聯(lián)合的方式對小角度區(qū)域進行檢測，對小角度區(qū)域的焦點計 算發(fā)射延時和接收延時；其中，所述小角度區(qū)域為折射角覆蓋15°至35°的區(qū)域；所述橫、 縱波聯(lián)合的方式為以下三種方式之一：發(fā)射使用橫波聚焦且接收使用縱波聚焦、發(fā)射使用 縱波聚焦且接收使用橫波聚焦、發(fā)射接收均使用縱波聚焦，在對小角度區(qū)域的焦點計算發(fā) 射延時和接收延時時，根據(jù)發(fā)射和接收的方式不同分別按照縱波或橫波計算發(fā)射延時和接 收延時；
[0010] 步驟4)、對于所述小角度區(qū)域，陣列中的陣元根據(jù)步驟3)所得到的發(fā)射延時、接 收延時實現(xiàn)聲波的發(fā)射與接收，然后做聚焦波束形成處理，從而得到所述小角度區(qū)域的超 聲射頻掃描線數(shù)據(jù)；
[0011] 步驟5)、對所述大角度區(qū)域的超聲射頻掃描線數(shù)據(jù)與所述小角度區(qū)域的超聲射頻 掃描線數(shù)據(jù)做變形與拼接，得到超聲相控陣圖像。
[0012] 上述技術(shù)方案中，在所述的步驟5)之前還包括：對所述大角度區(qū)域的超聲射頻掃 描線數(shù)據(jù)與所述小角度區(qū)域的超聲射頻掃描線數(shù)據(jù)做幅度歸一化。
[0013] 上述技術(shù)方案中，在所述的步驟5)之前還包括：對所述大角度區(qū)域的超聲射頻掃 描線數(shù)據(jù)與所述小角度區(qū)域的超聲射頻掃描線數(shù)據(jù)做濾波、檢波以及動態(tài)壓縮處理。
[0014] 上述技術(shù)方案中，在計算發(fā)射延時與接收延時時，根據(jù)費馬原理計算從陣列中不 同陣元至焦點處的延時。
[0015] 上述技術(shù)方案中，在所述步驟5)中，所述變形包括：首先對所述大角度區(qū)域的超 聲射頻掃描線數(shù)據(jù)與所述小角度區(qū)域的超聲射頻掃描線數(shù)據(jù)分別進行圖像插值，然后對于 經(jīng)圖像插值后的小角度區(qū)域的超聲射頻掃描線數(shù)據(jù)采用相應的橫波或縱波聲速進行變換， 對于經(jīng)圖像插值后的大角度區(qū)域的超聲射頻掃描線數(shù)據(jù)采用橫波聲速進行變換。
[0016] 上述技術(shù)方案中，所述檢波包括正交解調(diào)、正半波檢波以及負半波檢波。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0018] 由于在小角度區(qū)域的折射橫波能量較弱，而折射縱波能量相對較強，單純使用橫 波在小角度區(qū)域根本無法進行有效的檢測。本發(fā)明在檢測過程中考慮到橫波、縱波中均含 有目標的位置信息，引入橫縱波聯(lián)合檢測可增加回波能量，提高了成像信噪比。
【附圖說明】
[0019] 圖1是縱波檢測方式的示意圖；
[0020] 圖2是橫波檢測方式的示意圖；
[0021] 圖3是本發(fā)明的橫、縱波聯(lián)合超聲相控陣檢測方法的流程圖；
[0022] 圖4是在一個實施例中對大角度區(qū)域計算延時的示意圖；
[0023] 圖5是相控陣發(fā)射聚焦和接收聚焦的示意圖；
[0024] 圖6是檢測區(qū)域的示意圖；
[0025] 圖7給出了不同入射角和折射角對應的橫縱波折射率的示意圖；
[0026] 圖8是由射頻數(shù)據(jù)得到圖像數(shù)據(jù)的過程示意圖；
[0027] 圖9是大角度和小角度的圖像變形及拼接示意圖；
[0028] 圖10(a)為傳統(tǒng)橫波檢測的仿真結(jié)果示意圖，即發(fā)射接收均采用橫波聚焦的情 形；
[0029] 圖10(b)是發(fā)射采用橫波聚焦，接收采用縱波聚焦的仿真結(jié)果示意圖；
[0030] 圖10(c)是發(fā)射采用縱波聚焦，接收采用橫波聚焦的仿真結(jié)果示意圖；
[0031] 圖10 (d)是發(fā)射接收均采用縱波聚焦的情形的仿真結(jié)果示意圖；
[0032] 圖11 (a)為傳統(tǒng)橫波檢測的成像實驗結(jié)果示意圖，即發(fā)射接收均采用橫波聚焦的 情形；
[0033] 圖11 (b)是發(fā)射采用橫波聚焦，接收采用縱波聚焦的成像實驗結(jié)果示意圖；
[0034] 圖11 (C)是發(fā)射采用縱波聚焦，接收采用橫波聚焦的成像實驗結(jié)果示意圖；
[0035] 圖11 (d)是發(fā)射接收均采用縱波聚焦的情形的成像實驗結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的解釋。應當理解，優(yōu)選實施例 僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。
[0037] 在【背景技術(shù)】中已經(jīng)提到，現(xiàn)有技術(shù)中的橫波檢測與縱波檢測有各自的檢測區(qū)域， 本發(fā)明的方法結(jié)合橫波檢測與縱波檢測的優(yōu)點，較單種檢測方式具有更為廣闊的檢測區(qū) 域。本發(fā)明的方法在實現(xiàn)時，需要如橫波檢測那樣先在相