基于相控阵超声成像的圆柱类部件自动化无损检测理论与实践的研究

摘要

管类、轴类及棒材等作为在国民经济、国防建设和高新技术等相关领域应用广泛的圆柱类部件，其质量优劣直接决定相关设备的运行性能和使用寿命，长期以来对无损检测技术具有强烈需求。尽管目前无损检测方法众多，但由于超声无损检测技术具有其它方法难以媲美的技术优势，特别是相控阵超声技术具有波束柔性合成与自适应控制能力，能方便满足不同的应用需求，可有效减少检测死区和盲区，已成为了无损检测领域研究的热点之一，并受无损评价大趋势的驱动下正朝自动化超声成像检测方向迈进，在圆柱类部件定量无损检测方面蕴含巨大的发展潜力。然而，自动化检测往往是在水浸的方式下实施，面向的对象将是一种叠层结构，其声波传播特性更为复杂，声学信号除受激励脉冲和介质作用外，还受到界面声学效应的影响，导致成像分辨率影响因素复杂，加之在运动过程中发射和接收信号加重了衍射效应，现有的相控阵超声成像技术在成像分辨率和实时性等方面还存在诸多不足，难以满足圆柱类部件自动化定量无损检测的应用需求。基于以上背景，本学位论文结合国家自然科学基金项目“基于旋转声场的高性能自动化在线超声无损检测理论与实践研究”(No.51175465)，提出开展基于相控阵超声成像的圆柱类部件自动化无损检测理论与实践的研究。在分析超声无损检测和相控阵超声成像相关技术研究现状及其发展趋势，明确圆柱类部件相控阵超声成像检测机理的基础上，重点开展相控阵超声波束的波束域自适应合成、叠层结构相控阵超声稀疏化反演成像以及全矩阵频域成像等关键技术的研究，并结合图像形态学预处理及其分割方法，完成超声成像结果的处理与分析，实现圆柱类部件缺陷定量无损检测。同时，研发一套相控阵超声成像检测系统，以满足无缝钢管质量自动化检测的应用需求。具体的研究内容及创新点体现在:
　　第一章，阐述圆柱类部件在国民经济发展和现代国防建设中发挥的巨大作用，以及开展圆柱类部件自动化相控阵超声成像检测技术研究的重要意义，分析超声无损检测技术和相控阵超声成像检测技术的研究现状及其发展趋势，明确目前相控阵超声成像检测理论和相关技术所存在的问题，为本文的研究指明方向。同时，对本学位论文的研究内容及各章节进行安排。
　　第二章，开展圆柱类部件相控阵超声成像检测理论基础的研究。在研究圆柱坐标系下波动方程及其通解的基础上，明确圆柱介质内声波的传播机理及超声成像分辨率的影响因素，并利用空间脉冲响应声学模型对相控阵超声换能器的辐射声场进行计算仿真及特性分析。同时，以叠层圆柱结构为应用对象，研究相控阵超声入射波束的控制方法，实现非均匀介质中波束的偏转与聚焦，为后续研究奠定必要的理论基础。
　　第三章，提出一种相控阵超声波束的波束域自适应合成技术，有效改善波束自适应合成的实时性。将相控阵阵元所接收到的回波信号转换至波束域后，在波束域内，利用信号协方差矩阵逆的高阶次幂乘逼近目标信号子空间的同时，以最小方差法获得波束合成的权值向量，并投影到上述信号子空间上，确定出波束域最优权值向量，从而实现自适应波束合成。仿真与实验结果表明，该技术在确保相控阵超声成像横向与对比度分辨率的基础上，能大幅减少运算量，有利于实际工程应用。
　　第四章，提出一种叠层结构相控阵超声稀疏化反演成像技术，高效和高分辨率实现基于波束合成的叠层结构相控阵超声成像。通过脉冲响应方法建立融合声学衍射和电子效应的相控阵超声成像线性模型，将图像重建问题转化为基于缺陷稀疏化分布特性的正则化反演问题，构造含有l2和l1范数的优化目标函数，并利用可分离近似稀疏重建算法得到最优解，快速获得高分辨率的成像结果。仿真与实验结果表明，该技术可以明显改善相控阵超声成像的横向和纵向分辨率，并具有较高的成像实时性。
　　第五章，提出一种叠层结构相控阵超声全矩阵频域成像技术，将基于虚拟聚焦的全矩阵成像技术推广到叠层结构中应用。利用傅里叶变换建立全矩阵采集方式下阵列接收信号模型的频域表达式，采用逐层递推策略对叠层结构的阵列接收声场进行频域重建，并以同样方法重建阵列发射声场，使之与接收声场在感兴趣叠层深度上关联，进而利用虚拟聚焦成像条件以实现成像点的虚拟聚焦，达到叠层结构高分辨率全矩阵成像的目的。仿真与实验结果表明，该技术能满足叠层结构相控阵超声全矩阵成像的应用需求，具有较高的成像分辨率和实时性。
　　第六章，开展相控阵超声图像处理技术的研究，实现缺陷定量超声无损检测。在对相控阵超声图像进行自适应小波阈值消噪、双线性插值以及形态学开闭重建等预处理的基础上，利用自动图像分割和边界跟踪方法确定包含缺陷的图像区域，并通过缺陷区域局部归一化及图像二次分割，获得缺陷的形状与尺寸，实现缺陷的自动化定量无损检测。
　　第七章，根据上述各章节的相控阵超声成像检测理论与关键技术的研究成果，开展圆柱类部件自动化相控阵超声成像检测系统与应用的研究。在完成总体方案的设计基础上，采用基于PXI总线的虚拟仪器架构体系，开发插卡式相控阵超声检测仪器，并结合机电一体化技术，完成圆柱类部件自动化相控阵超声成像检测系统的研发。同时，利用所研发的检测系统对无缝钢管开展实验应用研究，实现管类部件的自动化相控阵超声成像检测，以验证本文相关理论与技术的可行性和有效性。
　　第八章，总结论文取得的研究成果和创新之处，并展望未来的研究工作。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 圆柱类部件在国民经济和国防建设中发挥巨大的作用

1．1．2 超声无损检测技术是圆柱类部件质量检测的重要手段

1．1．3 相控阵超声成像是超声无损检测技术发展的主流方向

1．1．4 相控阵超声成像应用于圆柱类部件仍存在诸多的挑战

1．2 超声无损检测技术的研究现状及其发展趋势

1．2．1 检测机理逐渐明晰，高性能超声成像成为热点

1．2．2 新型技术不断涌现，推动定量检测进一步发展

1．2．3 自动检测需求强烈，相控阵超声成像潜力巨大

1．3 相控阵超声成像检测技术的研究现状及其发展趋势

1．3．1 检测原理已经成熟，声场合成建模理论日趋完善

1．3．2 技术手段逐渐丰膏，成像质量和实时性有待提高

1．3．3 检测应用日益深入，叠层圆柱结构应用还需突破

1．4 本文研究内容及其章节安排

第二章 圆柱类部件相控阵超声成像检测理论基础

2．1 引言

2．2 圆柱类部件超声无损检测的声学基础

2．2．1 圆柱坐标系下的波动方程及其通解

2．2．2 圆柱介质内声波的传播机理

2．2．3 声学效应对成像分辨率的影响

2．3 相控阵超声换能器辐射声场的计算

2．3．1 基于空间脉冲响应的矩形阵元声场计算理论

2．3．2 线性阵列换能器辐射声场的计算

2．3．3 辐射声场仿真研究及特性分析

2．4 叠层圆柱结构中相控阵超声入射波束的控制

2．4．1 检测目标对入射波束的需求

2．4．2 叠层圆柱结构中波束的偏转与聚焦

2．4．3 波束控制仿真研究及性能分析

2．5 本章小结

第三章 相控阵超声波束的波束域自适应合成技术

3．1 引言

3．2 基于子空间逼近的波束域特征空间波束合成技术

3．2．1 最小方差波束合成及其改进方法

3．2．2 阵列信号的波束域转换

3．2．3 波束的波束域自适应合成

3．3 仿真与实验研究

3．3．1 仿真研究

3．3．2 实验研究

3．4 本章小结

第四章 叠层结构相控阵超声稀疏化反演成像技术

4．1 引言

4．2 基于模型的叠层结构稀疏化反演成像技术

4．2．1 相控阵超声成像的离散线性模型

4．2．2 稀疏条件下正则化反演的优化目标函数

4．2．3 基于SpaRSA算法的稀疏化最优解计算

4．3 仿真与实验研究

4．3．1 仿真研究

4．3．2 实验研究

4．4 本章小结

第五章 叠层结构相控阵超声全矩阵频域成像技术

5．1 引言

5．2 基于扩展相位迁移的叠层结构全矩阵成像技术

5．2．1 全矩阵采集与全聚焦方法

5．2．2 叠层结构中阵列声场的频域重建

5．2．3 相控阵超声全矩阵频域成像

5．3 仿真与实验研究

5．3．1 仿真研究

5．3．2 实验研究

5．4 本章小结

第六章 相控阵超声图像处理与缺陷定量检测技术

6．1 引言

6．2 相控阵超声图像处理技术

6．2．1 超声信号的自适应小波阈值消噪

6．2．2 超声图像的形态学处理

6．3 基于二次阈值分割的缺陷定量检测技术

6．3．1 阈值分割与边界最踪

6．3．2 缺陷的定量检测

6．4 本章小结

第七章 圆柱类部件自动化相控阵超声成像检测系统与应用

7．1 引言

7．2 圆柱类部件自动化相控阵超声成像检测系统

7．2．1 系统总体方案

7．2．2 基于PXI总线的相控阵超声成像检测仪器

7．2．3 机械扫查组件与电控装置

7．2．4 系统集成

7．3 无缝钢管自动化相控阵超声成像检测应用研究

7．3．1 相控阵超声缺陷成像实验研究

7．3．2 相控阵超声缺陷定量检测实验研究

7．4 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的科研成果与参加的科研项目