缺陷散射对相控阵超声全聚焦成像的影响研究

相控阵超声全聚焦成像充分利用了检测信号,具有成像精度高、可进行缺陷识别等特点,是未来最具应用前景的相控阵成像算法之一。然而,目前相控阵超声全聚焦成像仍不能实现缺陷的高分辨率成像,无法对缺陷进行准确的定性、定量分析。为此,采用有限元仿真相控阵传感器的全阵列采集(FMC)过程,在全矩阵数据的基础上设计全聚焦成像程序,对圆孔和裂纹两种典型缺陷进行TFM成像,研究典型缺陷的TFM成像规律,从缺陷散射的角度分析影响相控阵超声全聚焦成像的因素。结果表明,实际检测中相控阵超声传感器只能接收到缺陷的部分散射信息,而相控阵超声在缺陷处的散射场分布与缺陷的类型、尺寸、角度及入射波类型、入射角度等因素有关,因此能否接收到缺陷散射的主要能量是影响全聚焦成像精度的关键。     

均匀稀疏矩阵的全聚焦成像算法研究

超声相控阵全聚焦成像算法作为一种后处理成像技术,虽然具有成像精度高、灵活性好的优势,但由于数据量大、计算时间长等问题,该项技术的实际工业应用受到了极大限制。针对该算法的不足,这里提出了基于均匀稀疏矩阵的全聚焦成像算法,通过减少矩阵数据量来提高成像效率。结果表明：相较于传统全聚焦成像算法,基于均匀稀疏矩阵的全聚焦成像算法极大的压缩了数据规模,计算速度同比提高约38%,为全聚焦快速成像提供了一种参考方法。     

相控阵超声检测技术中的全聚焦成像算法及其校准研究

相控阵超声检测技术中的全聚焦成像算法是一种基于全矩阵数据的虚拟聚焦后处理成像技术,因其具有精度高、算法灵活等优点成为近年来的研究热点。为了解决该算法在楔块耦合检测模式下的校准问题,介绍全矩阵数据及全聚焦成像算法的基本概念,通过对所存在问题的分析,建立双层介质的能量衰减模型;从指向性、透射和扩散三个方面分析声束传播路径上的能量衰减,计算衰减校准系数,提出基于校准的改进算法;分别采用未校准、平方根校准和自建模型校准的三种全聚焦算法对B型相控阵标准试块进行检测成像试验,从试验结果可以看出,平方根校准的算法能适当修正大声程的能量衰减,而自建模型校准的算法对于大声程、大偏转角的能量衰减都有较好的改善,使图像的能量更加均匀;此外,相比未校准和平方根校准,自建模型校准的算法具有更大的检测角度范围,有能力检测出大偏转角的缺陷。研究工作表明,校准后的全聚焦成像算法能够扩大检测角度范围、改善图像的能量均匀性,检测漏检率及缺陷定量误差得到有效降低。     

超声检测三角矩阵聚焦成像算法

超声相控阵技术近些年发展迅速并被广泛应用于工业无损检测领域,线阵探头全矩阵聚焦方法具有成像信噪比好、缺陷分辨力高等优势,近些年获得广泛研究,但其仍然存在采集数据量大、计算效率低的问题,使其在实际工业应用中受到限制。为了解决上述问题,基于检测系统收发通道的互易性提出三角矩阵聚焦成像算法,该方法简化了全矩阵聚焦成像算法的数据采集和成像运算过程。为验证聚焦成像方法的有效性,分别对类裂纹、平底孔和横通孔缺陷试块进行数据采集成像试验和信噪比分析,数据采集试验结果表明收发通道互换前后两信号具有很好一致性。进一步的数据比较分析表明,在成像质量方面,三角矩阵聚焦成像算法与全矩阵聚焦成像算法两者的图像信噪比变化不大;在数据采集和成像效率方面,三角矩阵聚焦成像算法降低了近一倍数据量,有效提高了计算效率。     

复合粘接结构脱粘缺陷全聚焦成像模拟及算法优化研究

针对材料声学参数差异较大的复合粘接结构脱粘缺陷检测困难的问题,研究了复合粘接结构的检测原理及难点,分析了脱粘尺寸对回波幅值的影响,提出了将全聚焦算法应用于复合粘接结构的成像检测方法。分别建立了复合粘接结构的常规PA成像检测和全聚焦算法成像检测的有限元检测模型,提出了基于指向性理论的分序列局部全聚焦加速算法,通过设定角度阈值筛选有效阵元序列来提高计算效率。研究结果表明:对于复合粘接结构脱粘缺陷的检测,全聚焦算法成像检测相对常规PA成像检测具有更高的检测精度;应用加速算法后,对于32阵元的相控阵探头,[-4 mm,4 mm]和[4 mm,8 mm]之间矩形目标区域的全聚焦成像检测,计算量降低了34.7%,且未降低成像质量。     

基于全聚焦相控阵超声的叶根槽裂纹检测

汽轮机转子受复杂应力和高温的多重作用,常在反T型叶根槽部位产生疲劳裂纹,导致断裂事故。针对此问题,提出全聚焦相控阵超声的检测方法。推导了全聚焦相控阵超声的采集及成像公式,制备了专用试件,在端壁上倒圆（F1）采用线切割方法预制人工缺陷,采用全聚焦相控阵超声检测,并与常规超声进行了对比。结果表明,全聚焦相控阵超声检测精度高,适应性强,具有较好的工程应用价值。     

奥氏体不锈钢小径管焊缝缺陷多模式超声复合全聚焦成像研究

奥氏体不锈钢广泛应用于重大装备的关键部件中,而焊缝是整个装备的薄弱部位。在考虑超声波的多路径和易发生波型转换的特性情况下,进行奥氏体不锈钢小径管焊缝多模式超声相控阵检测方法研究。通过数值仿真,对比分析4种不同直达波检测模式和8种不同底面一次反射波检测模式对小径管焊缝中典型缺陷的检出能力。基于优选出的一种直达波检测模式和一种底面一次反射波检测模式,发展了一种多模式复合全聚焦成像方法。在此基础上,进行奥氏体不锈钢小径管焊缝缺陷检测试验。结果表明,多模式复合全聚焦成像方法可以很好实现小径管中多种缺陷检测,与单一模式全聚焦成像相比,多模式复合全聚焦成像方法不仅可以提高成像的信噪比,且可以大大减小伪像的产生。项目研究工作为奥氏体不锈钢小径管焊缝检测提供了可行的技术方案。     

基于超声相控阵全聚焦DAC图谱的钢轨缺陷定量方法

用相控阵全聚焦(Total focusing method,TFM)技术复核钢轨缺陷的超声检测结果时,存在缺陷定量不够准确的问题.对此本研究将传统的距离幅值校正(Distance amplitude correction,DAC)方法引入到了 TFM技术中:结合声场模型、系统函数和缺陷散射模型,建立超声测量模型以预测钢...     

基于二维等效声速的频域全聚焦超声成像研究

为了提高对碳纤维增强复合材料分层缺陷定位定量的精度,提出了一种基于二维等效声速映射的精准频域全聚焦方法三维成像技术。该技术首先将子矩阵的划分标准从激励点位置变为激励-接收间距,获得了一个新的全矩阵数据;然后将变换后的二维子矩阵变换至频域,根据深度和空间频率的变化推导出精准的二维等效声速映射,来匹配子矩阵数据中的收发分离信号,并结合角谱运算得到子矩阵频域重构图;运用快速傅里叶逆变换得到子矩阵聚焦图并将其融合得到全聚焦图像;最后运用多平面三维重构技术得到最终三维图像。结果表明,与传统F-TFM和F-SAFT算法相比,所提算法有效抑制了旁瓣效应的产生,双缺陷间距的定量误差缩减了20.31%,缺陷宽度定量误差分别缩减了5.43%和6.3%;当缺陷深度和双缺陷间距发生变化时仍可保证较高的检测灵敏度。     

基于不同相控聚焦模式的非线性超声阵列成像方法研究

发展一种用于缺陷定位的非线性超声阵列成像方法。研究聚焦声场的时间-空间传播特点以及形成扩散声场的条件,分析并行聚焦和顺序聚焦的扩散声场声动能与非线性效应的关系,提出利用超声阵列在两种聚焦模式下激励带宽内(基波)声动能差值表征的非线性超声成像方法。进一步研究时延及时间窗宽对两种检测模式的扩散声动能及非线性成像的影响,优化出有效的非线性成像参数。结果表明:时延的选择对成像结果影响较大,时间窗宽的选择对成像结果影响较小;在一定时延范围内,均可以形成稳定的扩散声场,在该时延范围内可以较好实现微裂纹检测。利用提出的非线性超声阵列成像方法很好地实现了结构中微裂纹检测及成像。     

基于全模式全聚焦方法的裂纹超声成像定量检测

利用超声成像方法对关注区域成像,对获取缺陷形状、尺度和取向等特征具有重要意义。考虑了21种不同声束路径的模式波,复合叠加各重建点能量最强信号,提出全模式全聚焦方法(FTFM)。利用一组探头楔块,通过一次信号采集实现未知裂纹的轮廓重建与定量检测。针对厚度40 mm碳钢中长度4 mm,中心深度25 mm,取向角度分别为0°、±20°、±50°和±80°的裂纹,采用64阵元、中心频率5 MHz线阵探头配合45°纵波楔块实施全矩阵捕捉(FMC)和FTFM成像,仿真和实验均重建了裂纹完整轮廓,裂纹长度、取向和中心深度定量误差分别不超过0.60 mm、2.39°和0.73 mm。最后,为保证FTFM成像质量,检测时应合理选择相控阵探头参数,并移动探头至最佳位置处采集FMC信号。     

基于环形统计矢量阈值加权的上表面开口裂纹横波全跨全聚焦成像

为了有效抑制非目标模式反射体回波伪影,本文提出环形统计矢量阈值 (CSVT)加权的上表面开口裂纹横波全跨全聚 焦成像技术。 利用延时信号构建环形统计矢量(CSV),并根据 Weibull 分布确定伪影噪声的 CSV 值范围后,通过阈值将其剔除 得到 CSVT 因子。 研究表明,在 32~ 64 阵元有效孔径范围内,非目标模式反射体回波伪影噪声的 CSV 值范围在 0. 2 ~ 0. 4 之间, TT-TT 模式(目标模式)下的上表面缺陷回波 CSV 值接近于 1。 因此,阈值处理后的 CSVT 因子值可有效保留缺陷的权重因子, 同时抑制绝大多数非目标模式反射体伪影及相位随机分布的噪声。 相比于横波全跨 TFM 成像,CSVT 加权后的铝块 TFM 成像 图中,上表面-45° ~ 45°人工刻槽下尖端的裂纹信噪比提升范围为 7. 7~ 14 dB。     

超声相控阵检测回波信号相位偏差校正技术研究(英文)

近年来,超声相控阵技术广泛应用于工业无损检测领域。在检测过程中,检测材料和检测系统等方面的扰动因素会造成超声检测回波信号明显的相位偏差,影响检测效果。本文分析研究了造成检测信号产生相位偏差的原因以及对检测效果造成的影响,提出采用信号互协方差分析法实现检测回波信号相位偏差校正。实验结果表明,该方法可有效校正各通道回波信号的相位偏差,提高检测精度。     

超声相控阵阵列参数的建模与优化

声束聚焦是相控阵超声区别于普通超声的主要特点之一,本文在二维相控阵辐射声场的基础上仿真了三维辐射声场,并研究了不同的中心频率、阵元间距和阵元数对焦斑和焦深的影响及对横向分辨率和纵向分辨率的影响,结果表明合适的换能器参数对换能器探头的设计具有一定的研究意义.     

复合材料曲面构件缺陷超声三维成像方法

针对目前复合材料曲面结构缺陷检测技术存在的检测结果不直观、效率低等问题,提出一种基于超声相控阵的缺陷三维成像方法。使用三维激光扫描仪获取曲面的点云模型,通过平行截面法规划检测路径,然后使用相控阵轮式探头采集超声图像数据。利用均匀三次B样条函数拟合检测路径与曲面,根据扫查步长和图像序列关系计算超声图像数据点的空间位置以生成超声点云集。最后利用体素化降采样方法对超声检测结果进行重建,实现复合材料内部缺陷的三维成像。实验结果表明,本文方法的缺陷成像结果与CT检测结果的平均误差为1.14 mm,能够快速准确地重建缺陷的位置、形状与尺寸信息,实现复合材料曲面样件内部缺陷的精确表征。     

相控阵超声检测横向分辨力实验测试及分析

使用带有斜楔的60晶片线型阵列换能器,以扇扫成像方式,对孔径为8～30 mm范围内,焦距分别为30 mm、40mm、60mm、80 mm时相控阵系统的横向分辨力进行了实验测定.研究发现:焦距一定时,随线阵换能器孔径的增大,系统的横向分辨力提高;孔径一定时,随焦距增加,系统横向分辨力降低;焦距和换能器孔径对相控阵成像分辨力影响显著.实测结果与理论分析以及已有文献的数值模拟结果具有良好的一致性.研究结果对于相控阵超声检测的工程应用具有重要参考价值.     

基于分割环阵的 CFRP 分层缺陷超声全聚焦成像

碳纤维复合材料在钻孔加工时易产生分层缺陷,分层缺陷严重影响了构件的力学性能,存在严重的安全隐患。针对碳纤维复合材料孔边分层缺陷的检测,提出一种基于分割环形阵列的1/4矩阵全聚焦成像方法。设计了R4×S8、R3×S12、R3×S16和R4×S12四种分割环形阵列结构,通过数值仿真对比分析了各阵列的聚焦声场特点,最终确定分割环阵探头为5 MHz的R4×S12探头。使用该探头对碳纤维复合材料孔边分层试块的上层、中层、下层缺陷进行全矩阵采集,利用VTK工具包分别进行全矩阵三维成像和1/4矩阵三维成像。结果表明,1/4矩阵方法比全矩阵方法三维成像的缺陷对比度更高,1/4矩阵方法的缺陷尺寸表征误差更小,误差不超过6%。与全矩阵成像相比,1/4矩阵成像信噪比提升范围为3.43～7.61 dB,有效提升了图像质量。     

A robust focusing and astigmatism correction method for the scanning electron microscope

This paper discusses a new approach to focusing and astigmatism correction based on the fast fourier transforms (FFTs) of scanning electron microscopy (SEM) images. From the FFTs, it is possible to obtain information on the severity of the defocus and astigmatism. This information is then processed by an algorithm to perform real-time focusing and astigmatism correction on the SEM. The algorithm has been tested on defocused and astigmatic images of different samples, including those with highly directional features. Experiments show that the images obtained after running the algorithm can be as good as those that an experienced SEM operator can achieve.