基于合成孔径聚焦技术的激光超声无损检测方法研究

针对厚钢板内部缺陷的检测问题,利用合成孔径聚焦技术(SAFT)实现了厚钢板样品内部缺陷的定位及成像。移动脉冲激光线源在样品内激发超声纵波,利用激光测振仪在固定点探测得到超声时域B扫描信号,从时域信号中提取缺陷反射的纵波回波,对样品内部缺陷进行成像。使用有限元方法对该成像过程进行数值模拟,并通过实验对其进行验证,所获得的实验结果与数值计算结果一致。采用这一缺陷成像方法可在缺陷回波信噪比较低的情况下实现缺陷检测,并且过程简便,在激光超声检测领域具有应用价值。     

基于压缩感知的快速激光超声合成孔径聚焦技术

传统激光超声合成孔径聚焦技术（LU-SAFT）通常需要在待测样品表面以小步长扫描来提高横向分辨率,但小扫描步长会导致总检测时间过长,影响检测效率。针对这一问题,笔者提出了基于压缩感知的LU-SAFT方法,以提升扫描效率。该方法首先使用压缩感知根据稀疏扫描点处A扫信号的最大强度恢复出全场的扫描点A扫信号最大强度,进而确定样品表面的最优扫描区域,然后在最优扫描区域内进行扫描,最后对缺陷进行SAFT图像重建。在实验中,笔者采用脉冲激光在含有缺陷的样品表面激发超声,使用激光多普勒测振仪探测超声,并利用基于压缩感知的LU-SAFT方法对样品内部缺陷进行检测,以验证所提方法的可行性。实验结果显示：针对相同的扫描区域,传统LU-SAFT需要扫查500个点,花费3.15 min;与传统LU-SAFT相比,本文所提方法在扫描点数上减少了80%,在扫描时间上缩短了80%,并且缺陷的SAFT成像信噪比提高了约42%。本文研究内容及结果可为激光超声无损检测提供更快速的检测方案。     

一种改进的合成孔径聚焦算法研究

在超声混凝土检测时,合成孔径聚焦技术(SAFT)是一种有效的方法.为了进一步提高混凝土材料深度探测分辨力,该文提出了一种改进的合成孔径成像算法.此法将SAFT原理与波包原子分解算法相结合,能更有效聚焦,提高混凝土探测成像的分辨力,并可减少成像算法的运算量.利用仿真实验对这种改进的合成孔径算法进行了验证.结果表明.和传统SAFT算法比较,此法的成像目标定位能力增强,能获得更好的成像效果.     

材料内部缺陷的激光超声反射横波双阴影检测方法

为了实现材料内部微小缺陷的非接触无损检测,解决激光超声检测内部缺陷时衍射回波信号弱、透射体波检测无法获得缺陷深度信息等问题,提出了一种激光超声反射横波双阴影检测方法。该方法结合超声透射法和反射法的优点,依据缺陷对反射横波的两次衰减作用,利用时间飞行法对样品进行扫描检测,通过波形互相关算法计算波形时延,精确测量了激光激发点与探测点距离和横波双阴影间距,结合样品厚度实现了对直径为0.8 mm内部缺陷的检出和深度定位。与X射线数字射线照相、传统超声换能器检测的结果进行对比后可知,激光超声方法能够实现材料内部微小缺陷的非接触无损检测和精确定位。     

二分搜索和压缩感知在激光超声内部缺陷快速检测技术的应用

激光超声检测技术由于其非接触、高灵敏度和高空间分辨率特点,在无损检测领域具有广阔的应用前景。但其在高空间分辨率下进行大面积扫查需要花费较长的扫描时间,实用性受到制约。针对上述问题,文中提出使用二分搜索方法提高了检测速度,并使用压缩感知算法将所探测到的激光超声信号表示为小波基的线性加权组合,最终从二分搜索获得的较少实测激光超声信号中还原出整个待测范围内的信号。进一步,搭建了内部缺陷的激光超声扫描检测装置,使用脉冲激光实现超声的激光激发,多普勒测振仪实现超声的非接触探测,通过固定激发探测距离移动样品的方式实现了基于二分搜索和压缩感知的激光超声内部缺陷快速检测。文中提出的技术不但具有非接触、高灵敏度和高空间分辨率等激光超声的特点,还能提高检测效率。实验结果表明,在120 mm×30 mm×8 mm的铝板上确定缺陷位置需6 min,相比于逐点扫查需要14 min,缩短了体内缺陷定位所需要时间。     

基于合成孔径技术的轮对探伤成像算法研究

为了提高轮对超声探伤成像的信噪比(SNR)和缺陷的检出率,针对轮对超声探伤的方法和特点,提出了将轮对探伤结果B扫描图像与合成孔径聚焦技术(SAFT)相结合的图像处理技术。通过建立SAFT算法的数学模型,设计了SAFT算法处理软件,并以内部含有缺陷的China Railway High-speed(CRH)型车轮轮对为检测对象,进行了轮对探伤实验,实现并优化了基于SAFT算法的轮对超声探伤图像重建,验证了该技术的可行性和准确性。最后进行了SNR的定量数值计算和比较,结果表明,该技术能有效提高轮对超声探伤成像的SNR和分辨率,可提供更准确详实的缺陷信息,提高探伤系统检出率,从而有效保障车轮的安全运行。     

基于MGB模型的改进合成孔径成像算法

超声检测中,合成孔径聚焦技术(SAFT)是一种通过叠加A扫描数据得到缺陷图像的信号后处理技术,而多高斯声束(MGB)模型可以有效地计算和仿真超声声场的特性。文中采用MGB模型改进SAFT算法,得到新的成像方法称为MGB-SAFT。实验结果表明,MGB-SAFT可以有效优化缺陷图像,特别是提高位于叠加位移场的有效区域内缺陷的成像质量。     

内部微缺陷的超声与数字全息成像检测系统设计

微机电系统与微机械零件的内部微缺陷需要高精度、强穿透性的非接触检测技术。目前缺少这样内部微缺陷的检测方法。针对上述问题,设计了超声与数字全息成像的复合系统。该系统结合了超声检测的强穿透能力和数字全息成像技术的高分辨率。该系统包括近场超声子系统、数字全息子系统和同步控制子系统。在近场超声子系统中,产生的近场超声波场穿过样品的内部缺陷,在样品表面形成表面超声波场,再通过数字全息子系统测量和分析这个表面超声波场的瞬态形貌,分析声波场中包含的内部缺陷信息。实验结果表明:该系统通过对超声波场的分析,可以测量出超声波场的瞬态三维形貌,并且可以有效的检测出50 μm的内部缺陷。     

热弹激光超声激励及缺陷检测的有限元分析

为了探讨热弹激光超声的激励机制及其在缺陷检测中的应用,采用有限元分析法对材料中的温度场及应力场进行了计算。阐述了脉冲激光辐照材料的理论基础,将脉冲激光加载于工件表面,同时考虑对流和辐射换热边界条件,分析了材料中的温度场;基于热固耦合,将温度场加载于应力场分析过程中,讨论了热弹机制下纵波声场和横波声场的指向性分布,并通过模拟热弹超声波在含有缺陷工件中的传播过程,获得了缺陷回波信号;搭建了一套热弹激光超声检测系统,以实现表面裂纹深度的测量,通过有限元分析和实验验证,获得了反射系数与裂纹深度的关系。结果表明,反射系数随裂纹深度的增加而增大,使用直径1mm的激光光斑检测深度小于3mm的裂纹,当裂纹深度大于2.2mm时,反射系数的增长趋势变缓。此有限元分析结果能为热弹激光超声在缺陷检测中的应用提供参考和依据。     

基于相干探测的激光超声检测系统设计与实现

提出一种基于激光注入光纤相干的材料表面缺陷无损检测系统,将光学传感、空间光耦合及平衡探测技术有机结合,利用脉冲激光激励与单频激光探测手段,探讨激光超声信号在介质中的产生、传播与检测机理,并通过数据采集与LabVIEW图形化编程设计的上位机界面,对信号特性进行分析和处理。实验测试表明,采用激光注入光纤相干探测系统的信号检测,能减小系统噪声的影响,降低输出信号抖动,通过超声回波峰值信号突变,有效实现工件缺陷判断,为工程应用提供一种新的测量方法。     

基于横波衍射法应用激光-电磁超声检测内部缺陷

为了有效评估出工件内部缺陷的深度,提出了脉冲激光激励和电磁超声换能器接收的非接触式检测方法。分析了超声波的烧蚀激励原理,体波作用于缺陷后的衍射现象,以及电磁超声的接收过程。依据横波衍射理论,当电磁超声换能器处于缺陷正上方时,衍射信号的渡越时间将取得最小值,基于此推导了缺陷深度计算公式并讨论了检测盲区。搭建了工件内部缺陷的激光-电磁超声检测系统,先后测量了内部含有圆孔和不同倾角裂纹的工件试样。在固定激励点的前提下,移动电磁超声换能器,观察信号渡越时间的变化规律,以及分析衍射横波的相位特征。提取衍射横波的最小渡越时间并求得缺陷深度值,其相对误差均在±3之内。实验结果表明,激光-电磁超声检测方法能够有效测量出缺陷深度,可作为接触式压电超声检测技术的一种补充方案,应用于无法满足耦合条件的场合。     

“钢-铅”粘接结构非接触激光超声检测方法

为了解决核工业领域防辐射用钢铅粘接结构的非接触、高精度无损检测问题,研究激光超声检测方法。建立了粘接结构模型,分析了激光超声的传播及脱粘导致的声波反射和衰减;实验测量了良好粘接与脱粘处的窄带激光超声信号,观测到脱粘导致的界面反射信号幅度变化;分析得出表征脱粘的激光超声反射系数与声波频率和测量位置的关系;通过激光超声C扫描方法实现模拟脱粘试样的检测与成像。研究表明:激光超声方法可以实现两层钢铅粘接结构脱粘的成像检测,在核工业防辐射结构检测中具有应用前景。     

激光扫描混凝土裂缝的超声检测

为了探究激光扫描混凝土裂缝进行超声检测的可行性, 采用激光扫描混凝土表面激发声场、表面波探头接收超声信号的方法, 进行了相应的实验验证。通过对实验信号峰峰值和双极性特征分析, 实现了混凝土表面裂缝的定位。同时采用有限元方法模拟了扫描激光在材料表面激发声场的过程, 对超声信号进行了时域和频域上的分析。结果表明, 当激光与裂缝边沿距离在1mm时, 接收信号具有典型的双极性, 且峰峰值达到极大值; 当激光与裂缝边沿距离继续减小时, 峰峰值迅速降低。通过扫描激光激发超声, 在打点范围上形成由信号峰峰值表征的2维图像, 由峰峰值突变特征和信号的双极性特征, 可以实现混凝土表面缺陷边缘的定位。     

阵列雷达的分层介质目标频域匹配滤波成像算法

为了对平面分层介质目标的内部结构实现高分辨三维（Three-Dimensional, 3D）成像,提出了一种基于频域匹配滤波（Frequency-Domain Matched Filter, FDMF）的快速成像算法。该算法应用了毫米波单发单收（Single-Input Single-Output, SISO）阵列雷达体制,利用电磁波在平面分层介质间传播时电磁波的切向分量将保持连续这一规律,将SISO平面阵列雷达单个阵元的时域回波数据变换至频域后,化简雷达回波模型,最后将阵列的空域回波数据变换至波数域并作相位补偿及累加求和运算实现介质内部的图像重构。与同样适用于该应用场景的改进后向投影（Improved Back Projection, IBP）算法相比,所提算法避免了电磁波在介质分界面上折射点的计算,有效降低了计算复杂度;与相移偏移（Phase Shift Migration, PSM）算法相比,所提算法仍具有一定的效率优势;数值仿真和实验结果验证了所提算法的有效性。      

激光导波阵列波束成形损伤成像方法

激光超声检测方法在结构损伤检测领域有着广泛应 用。增加激光信号用于损伤成像的技术难点。针对此挑战,采用提出的Morlet小波分析法提 取激光宽频信号中对应中心频率下的窄带信息。为实现损伤 的可视化,分析比较了导波阵列波束成形损伤成像算法中时间延迟叠加算法和相位延迟叠加 算法,其中相位延迟叠加成像法对频域内所有频率成分实施延迟叠加能克服导波的频散效应 得影响,能实现对损伤更精确的定位。为验证该方法的实用性,构建了激光激励/接收完全 非接触式的实验系统,通过对Morlet小波分析后的信号采用延迟叠加算法对损伤进行成像, 实验结果表明了:相位延迟叠加成像法成像效果比时间延迟成像法成像效果更佳,定位更精 确。     

基于阈值频率的激光超声缺陷检测

针对激光超声技术难以定量分析、检测金属样品缺陷的问题,根据不同缺陷深度处反射与透射表面波的频率交叉现象,提出了阈值频率,研究了表面缺陷深度与其对应波长的关系。通过小波分解和频谱分析,探讨和分析了反射波和透射波在频谱能量图中的波形分布特征。结果表明:由阈值频率计算的波长与缺陷深度之间的关系(即λ=4 h)与理论数据分析结果吻合良好;并随着缺陷深度的增加,波长也随之表现出线性增加的特性。由此可见,该分析方法达到了预期的效果,为表面缺陷深度的进一步定量表征提供了参考方向。     

Nonlinear receiver compression effects on the amplitudedistribution of backscattered ultrasonic signals

Nonlinear receiver compression effects on the amplitude distribution of backscattered ultrasonic signals are investigated by using digitized RF signals that have been compressed in a commercially made ultrasonic B-scan imaging instrument. Amplitude distributions of compressed RF and video signals were obtained from regions of B-scan images that correspond to approximately the same physical region in a random medium model with known backscatter amplitude characteristics. The amplitude distribution of the signal before compression was obtained by using a table constructed from measurements of the imaging instrument compression characteristics as a function of time gain compensation. While the results indicate the general form of the decompressed data agrees with single parameter model curves that are predicted by a widely employed Gaussian random process model, the signal-to-noise ratios of the decompressed envelope vary up to 20% from the 1.91 value predicted that model. This implies that effects such as nonlinearities, envelope smoothing, and noise which all may be present in varying degrees in practical ultrasonic imaging instrumentation can cause appreciable departures from theoretical data even under highly controlled conditions.     

基于信号统计特性的超声成像方法

介绍合成孔径聚焦超声成像的基本原理。为进一步提高成像分辨率和信噪比,研究超声回波信号的相关性,根据缺陷信号和噪声信号的不同统计特性,提出一种基于信号相关性分析的非线性合成孔径算法。实验结果表明:与传统的延时叠加合成孔径算法相比,新方法提高了图像的横向分辨率和信噪比。