一种射线追踪式超声Lamb波缺陷层析成像方法技术

本发明专利技术属无损检测领域，涉及一种射线追踪式超声Lamb波缺陷层析成像方法；先将待测材料成像区域划分为多个小网格，并在此区域两侧设置相同数量的发射EMAT和接收EMAT。然后令所有发射端激发A0模态Lamb波，对侧所有接收端同时接收。对全部检测波形的分析结果提取并记录相应走时，再使用联合迭代重建算法确定每个网格的慢度及缺陷分布，将得到的缺陷分布作为已知条件，建立RT外推公式，利用外推法逐步对射线路径进行追踪并加以修正，如此反复多次，直至通过计算获得较高的成像精度。本发明专利技术避免了基于直射线理论的传统TOF跨孔层析成像方法成像精度低的问题，计算准确、高效、快速，为提高缺陷成像精度提供重要依据，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种射线追踪式超声Lamb波缺陷层析成像方法
本专利技术涉及一种射线追踪式超声Lamb波缺陷层析成像方法，属于无损检测

技术介绍
利用超声Lamb波缺陷层析成像技术可以快速、有效地获得缺陷的轮廓和尺寸等具体信息。该技术继承了传统超声Lamb波检测的诸多优点。Lamb波走时(Time-of-flight，TOF，指Lamb波在收发换能器对之间的传播时间)跨孔层析成像技术，利用线性换能器阵列进行扇束投影和成像，是一种基于迭代法的高效、快速的层析成像方法。传统的Lamb波TOF跨孔层析成像均是基于直射线理论，即假设Lamb波射线在传播过程中遇到缺陷后仍然沿直线传播。但是，当平板中存在强散射缺陷时，Lamb波射线传播方向会发生偏转，即Lamb波射线实际将沿弯曲路径传播。此时，已有的直射理论将不再适用，并将导致层析成像的精度下降。上述问题是制约Lamb波走时跨孔层析成像技术发展的一个瓶颈问题。中国专利文献公开了一种“刚制储罐底板的导波在线检测方法”该技术涉及一种钢质储罐底板的导波在线检测方法，采用超声探头阵列收发导波，通过滤波反投影算法重建层析图像，可快速实现对储罐底板的全面检测和缺陷分析，但该技术局限于矩阵变换理论，只能判断出缺陷的存在位置及严重程度，而对其具体尺寸和轮廓并不能达到十分精确的估计。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种射线追踪式超声Lamb波缺陷层析成像方法，该方法按如下步骤进行：步骤1：在待测材料上选定成像区域，将所述成像区域划分成N1×N2个小网格；在成像区域的一侧设置M个发射EMAT(电磁声换能器)，对侧相同位置处设置M个接收EMAT；其中，N1、N2、M为正整数；步骤2：激励第1～M个发射EMAT全向激发A0模态Lamb波，M个接收EMAT依次接收Lamb波；步骤3：利用伪Wigner-Ville分布(PWVD)对M×M个EMAT检测波形进行时频分析和模态识别；步骤4：提取M×M个检测波形的时频分析结果，记录M×M个A0模态Lamb波的走时T1～TM×M；步骤4：提取M×M个检测波形的时频分析结果，记录M×M个A0模态Lamb波的走时T1～TM×M；步骤5：使用联合迭代重建算法确定每个小网格的慢度及缺陷分布；步骤6：在成像区域中建立三维直角坐标系，然后建立初始发射角度，利用外推法逐步对经过缺陷区域的全部射线路径进行追踪，对于射线i前进方向上的一点P(x，y)，得到Lamb波的相速度值cp和和其中，x、y为P点沿x方向、y方向的坐标值步骤7：将得到的cp、和代入射线追踪外推公式，找到新的外推点；步骤8：判断新找到的外推点坐标值是否到达或超出子网格区域边界的坐标值，若否，则返回步骤6；若是，则结束对射线i的射线追踪，记录此时外推点的坐标作为终点坐标；步骤9：判断终点坐标是否到达或接近接收EMAT，若是，则得到射线i的预期最短走时路径；若否，则改变初始发射角的值，返回步骤6，直至找到连接收发EMAT的射线i的最短走时路径；步骤10：重复步骤6～9，直至找到经过缺陷区域的全部射线的最短走时路径。步骤11：将得到的全部射线的最短走时路径作为已知量代入步骤5联合迭代重建算法，再次得到网格慢度，以及慢度曲线在缺陷区域的突变情况，判断缺陷大小及分布。步骤12：判断缺陷分布的成像精度是否满足要求，若是，则得到预期结果，若否，则重复步骤2～11。收发EMAT直径为20～80mm，相邻EMAT中心间距为20～100mm。射频功率放大器激励发射EMAT，射频功率放大器的激发频率为50～500kHz。激发的Lamb波为单一的A0模态Lamb波。联合迭代重建算法确定每个网格的慢度及缺陷分布的方法为：其中，Sj为待求的第j个网格的慢度；Lij为第i条投影射线在第j个网格中的长度；Ti为第i条投影射线的实测走时；n为正整数，且n＝N1×N2；m为正整数，且m＝M×M。初始发射角度的范围是0～180度。利用外推法逐步对射线路径进行追踪的方法为：以外推点为中心获取16个像素；得到相应的16个cp值；将cp值代入二维三次样条插值公式，对Lamb波cp的分布情况进行二维曲面拟合，求解每一步外推所需的和求解公式为：其中：cp是相速度，x，y分别表示16个像素中心点沿x轴方向、y轴方向的坐标值；Ckl表示与16个像素相对应的待求解系数；k,l＝0,1,2,3。根据射线追踪外推公式，寻找新的外推点的方法为：其中，yk表示经过k步外推获得的射线i上的离散点沿y轴方向的坐标值；yk+1、yk-1分别表示上述离散点前、后两点沿y轴方向的坐标值；Δx表示射线外推的固定步长，且改变初始发射角的值的方法为：每次增加或减少2～6度。本专利技术的有益效果是：本专利技术将RT迭代算法模型与TOF跨孔层析成像技术相结合，综合两者优点，通过正反问题的交替反复求解，对正问题中的射线路径加以修正，以还原缺陷的真实分布。本专利技术计算准确、高效、快速，解决了基于直射线理论的传统层析成像方法成像精度低的问题，具有广阔的应用前景；同时避免了基于直射线理论的传统TOF跨孔层析成像方法成像精度低的问题，计算准确、高效、快速，为提高缺陷成像精度提供重要依据。附图说明图1为射线追踪式超声Lamb波层析成像流程图。图2为成像区域网格划分示意图。具体实施方式本专利技术提出的方法，其实质是建立一种全新的射线追踪(RayTracing，RT)迭代算法模型，并将其与TOF跨孔层析成像技术相结合，综合两者优点，通过正反问题的交替反复求解，对正问题中的射线路径加以修正，以获得更为真实的缺陷分布情况。下面结合实施例对本专利技术做进一步说明：步骤1：取厚度为1～5mm的待测铝板，在上表面选择一块面积为A×B的矩形区域作为成像区域进行实验，其中，A、B为正实数，且均大于30mm。在所述区域内加工一个直径大于等于30mm、深为1～5mm的标准人造腐蚀坑缺陷。然后将所述成像区域划分成N1×N2个小网格(即N1×N2个像素)。在成像区域的一侧等间距设置M个发射EMAT(电磁声换能器)，对侧相同位置处设置相同数量的接收EMAT。所述的EMAT直径为20～80mm，同侧相邻EMAT中心间距为20～100mm。步骤2：选择一台射频功率放大器用于激励EMAT，令发射端中所有M个发射EMAT均被全向激发A0模态Lamb波，所有M个接收EMAT进行接收，激发频率为50～500kHz。所述的Lamb波为单一的A0模态Lamb波，不含有A0以外其他模态Lamb波。步骤3：利用伪Wigner-Ville分布(PWVD)对M×M个EMAT检测波形进行时频分析和模态识别；步骤4：提取所有M×M个检测波形的时频分析结果，并记录M×M个A0模态Lamb波的走时，记为T1～TM×M。步骤5：使用联合迭代重建算法(SIRT)公式确定每个小网格的慢度(速度的倒数)及缺陷的分布：其中，Sj为待求的第j个小网格的慢度；Lij为第i条投影射线在第j个小网格中的长度；Ti为第i条投影射线的实测走时，n＝N1×N2，m＝M×M；Lij通过几何关系计算得出：已知成像区域面积，小网格边长，收发EMAT数量、位置和间距；按照直射线理论计算得出射线路径，可知射线从发射端到接收端经过的每一个小网格中的长度。步骤6：首先在成像区域建立一个三维直角坐标系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种射线追踪式超声Lamb波缺陷层析成像方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1：在待测材料上选定成像区域，将所述成像区域划分成N1×N2个小网格；在成像区域的一侧设置M个发射EMAT，对侧相同位置处设置M个接收EMAT；其中，N1、N2、M为正整数；步骤2：激励第1～M个发射EMAT全向激发A0模态Lamb波，M个接收EMAT依次接收Lamb波；步骤3：利用伪Wigner‑Ville分布(PWVD)对M×M个EMAT检测波形进行时频分析和模态识别；步骤4：提取M×M个检测波形的时频分析结果，记录M×M个A0模态Lamb波的走时T1～TM×M；步骤5：使用联合迭代重建算法确定每个小网格的慢度及缺陷分布；步骤6：在成像区域中建立三维直角坐标系，建立初始发射角度，利用外推法逐步对经过缺陷区域的全部射线路径进行追踪，对于射线i前进方向上的一点P(x，y)，得到Lamb波的相速度值cp和和其中，x、y为P点沿x方向、y方向的坐标值；步骤7：将得到的cp、和代入射线追踪外推公式，找到新的外推点；步骤8：判断新找到的外推点坐标值是否到达或超出子网格区域边界坐标值，若否，则返回步骤6；若是，则结束对射线i的射线追踪，记录此时外推点的坐标作为终点坐标；步骤9：判断终点坐标是否到达或接近接收EMAT，若是，则得到射线i的预期最短走时路径；若否，则改变初始发射角的值，返回步骤6，直至找到连接收发EMAT的射线i的最短走时路径；步骤10：重复步骤6～9，直至找到经过缺陷区域的全部射线的最短走时路径；步骤11：将得到的全部最短射线路径作为已知量代入步骤5联合迭代重建算法，再次得到网格慢度，以及慢度曲线在缺陷区域的突变情况，判断缺陷大小及分布。...

【技术特征摘要】
1.一种射线追踪式超声Lamb波缺陷层析成像方法，包括步骤1：在待测材料上选定成像区域，将所述成像区域划分成N1×N2个小网格；在成像区域的一侧设置M个发射EMAT，对侧相同位置处设置M个接收EMAT；其中，N1、N2、M为正整数；步骤2：激励第1～M个发射EMAT全向激发A0模态Lamb波，M个接收EMAT依次接收Lamb波；其特征在于，所述方法还包括步骤3：利用伪Wigner-Ville分布对M×M个EMAT检测波形进行时频分析和模态识别；步骤4：提取M×M个检测波形的时频分析结果，记录M×M个A0模态Lamb波的走时T1～TM×M；步骤5：使用联合迭代重建算法确定每个小网格的慢度及缺陷分布；步骤6：在成像区域中建立三维直角坐标系，建立初始发射角度，利用外推法逐步对经过缺陷区域的全部射线路径进行追踪，对于射线i前进方向上的一点P(x，y)，得到Lamb波的相速度值cp和和其中，x、y为P点沿x方向、y方向的坐标值；步骤7：将得到的cp、和代入射线追踪外推公式，找到新的外推点；步骤8：判断新找到的外推点坐标值是否到达或超出子网格区域边界坐标值，若否，则返回步骤6；若是，则结束对射线i的射线追踪，记录此时外推点的坐标作为终点坐标；步骤9：判断终点坐标是否到达或接近接收EMAT，若是，则得到射线i的预期最短走时路径；若否，则改变初始发射角的值，返回步骤6，直至找到连接收发EMAT的射线i的最短走时路径；步骤10：重复步骤6～9，直至找到经过缺陷区域的全部射线的最短走时路径；步骤11：将得到的全部射线的最短走时路径作为已知量代入步骤5联合迭代重建算法，再次得到网格慢度，以及慢度曲线在缺陷区域的突变情况，判断缺陷大小及分布。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：收发EMAT直径为20～80mm，相邻EMAT中心间距为20～100mm。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：射频功率放大器激励发射EMAT，射频功率放大器的激发频率为50～500kHz。4.根据权利要求1所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄松岭，王坤，赵伟，李世松，魏争，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11