基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模成像方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模成像方法及系统，包括S1：根据样品尺寸和待测区域，确定激光超声的扫查方式与扫描路径；并根据样品材料确定超声波的波速；S2：根据步骤S1中确定的激光超声的扫查方式，计算成像区域的声场灵敏度图；S3：结合所述成像区域的声场灵敏度分布和不同模式超声波的传播特性，选定不同成像区域用于成像的最佳超声波模式，确定多模式组合成像的方案；其中超声波模式的选择是通过设定合成孔径算法公式中的声速来实现；S4：使用步骤S1确定的扫查方式和扫描路径得到回波数据，并根据步骤S3选定的超声波模式进行多模式组合合成孔径聚焦成像。本发明专利技术可减小盲区、消除伪像并提升成像质量的效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模成像方法及系统


[0001]本专利技术涉及激光超声成像
，具体涉及基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模成像方法及系统。

技术介绍

[0002]激光超声可利用激光来激发和检测超声，具有宽频带、高分辨率、非接触式激发和检测、同时激发多种模式波等特点，可对具有复杂几何外形的构件进行检测，并可用于有毒、高温及辐射等恶劣环境中，是一种极具发展和应用潜力的超声检测技术。
[0003]激光超声可用于表面缺陷和内部缺陷检测，目前利用激光超声表面波和兰姆波来检测表面或亚表面缺陷的方法已具备较高的分辨率和检测效率，并逐步从实验室研究走向工程应用。但利用激光超声体波检测内部缺陷时，还存在反射信号弱且信噪比较差的问题，为解决该问题，诸多研究人员对提高激光超声检测信号灵敏度和信噪比的方法进行了研究。总的来说，可以从改善激发效率、提高探测灵敏度、后处理成像算法这三个方面入手。
[0004]改善激发效率可从改变激发模式(如增大激光能量、添加约束层等)以及对光源进行时空调制来实现。增大激发光能量虽然能增加激光激发超声的幅值，但也会对材料表面产生损伤；添加约束层则会对材料表面产生污染，限制激光超声的应用范围。对光源进行时空调制可以增加激发信号信噪比但同时也会增加实验装置的复杂性和成本。探测灵敏度的提高可通过选择合适的探测方法来实现。光学探测法可实现远距离非接触式探测，但其灵敏度较低且要求样品表面光滑。因此有研究人员提出使用非光学探测法进行探测，虽然非光学探测方法灵敏度更高，但其需要接近(如电磁超声换能器和空气耦合式换能器)或接触(如压电换能器)样品表面的使用要求会限制应用场合，无法充分发挥激光超声远距离激发的优点。利用后处理成像算法来提高缺陷图像的信噪比和分辨率也是一种有效的方式，如全聚焦和合成孔径聚焦等。合成孔径聚焦与传统激光超声B扫所需的数据量相同，但使用合成孔径聚焦处理后的图像其信噪比和分辨率更好，能更加直观地显示缺陷位置和尺寸等信息。而全聚焦所需处理的数据量远大于合成孔径聚焦，它虽然能获得质量更好的图像，但效率较低。因此，综合考虑成像质量和成像效率，本研究选择合成孔径聚焦来成像。
[0005]利用合成孔径聚焦技术对缺陷成像时，会存在如其他模式波干扰而引起的伪像，以及因灵敏度分布不均导致的检测盲区等问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是现有技术使用合成孔径聚焦技术和激光超声对内部缺陷成像时，会有单模式波灵敏度分布不均导致的成像盲区以及其他模式波干扰引起的伪像，这些问题的存在影响了缺陷图像的分辨率和信噪比，造成成像质量的效率低。本专利技术目的在于提供基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模成像方法及系统，对不同成像区域选用不同模式波进行多模组合的合成孔径成像，可减小盲区、消除伪像并提升成像质量的效率。
[0007]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0008]第一方面，本专利技术提供了基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模组合成像方法，该方法包括：
[0009]S1：根据样品尺寸和待测区域，确定激光超声的扫查方式(即数据采集方式)与扫描路径；并根据样品材料确定超声波的波速；
[0010]S2：根据步骤S1中确定的激光超声的扫查方式，计算成像区域的声场灵敏度图；所述成像区域的声场灵敏度图是将激光激发超声、干涉仪检测超声和缺陷反射超声的声场分布进行耦合得到；
[0011]S3：结合所述成像区域的声场灵敏度分布和不同模式超声波的传播特性(如传播速度、幅值等)，选定不同成像区域用于成像的最佳超声波模式，确定多模式组合成像的方案；其中超声波模式的选择是通过设定合成孔径算法公式中的声速来实现的；
[0012]S4：使用步骤S1确定的扫查方式和扫描路径得到回波数据，并根据步骤S3选定的超声波模式进行多模式组合合成孔径聚焦成像。
[0013]工作原理是：基于现有技术使用合成孔径聚焦技术和激光超声对内部缺陷成像时，会有单模式波灵敏度分布不均导致的成像盲区以及其他模式波干扰引起的伪像，这些问题的存在影响了缺陷图像的分辨率和信噪比，造成成像质量的降低。本专利技术设计了基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模组合成像方法，本专利技术首先根据样品尺寸和待测区域，确定激光超声的扫查方式(即数据采集方式)与扫描路径；其次，耦合激光激发超声、干涉仪检测超声和缺陷反射超声的声场分布得到成像区域的声场灵敏度图；然后根据声场灵敏度图和不同模式波的传播特性预测不同位置分布缺陷的最佳成像模式波，在成像时对不同区域选择不同模式波进行多模组合的合成孔径成像。本专利技术使用有无缺陷相减之后的B扫信号成像，可提升图像的分辨率和信噪比；对不同成像区域选用不同模式波进行多模组合的合成孔径成像，可减小盲区、消除伪像并提升成像质量的效率。
[0014]进一步地，步骤S1中的激光超声采用的激光源参数包括能量密度、脉冲时间、光斑半径μm。
[0015]进一步地，步骤S1中的激光超声的扫查方式采用固定激发点、多点探测的数据采集方式对样品进行扫描采集。对样品进行扫描采集的方式还可以采用别的方式，并不局限于以上采集方式。
[0016]进一步地，步骤S2中的缺陷反射超声的声场分布由以下过程得到：
[0017]根据给定的入射波模式、材料参数及超声波传播路径，采用反射和散射系数矩阵模型(式(3)
‑
(8))得到横波反射纵波的反射系数R
SL
、横波反射横波的反射系数R
SS
、纵波反射纵波的反射系数R
LL
、纵波反射横波的反射系数R
LS
；根据得到的R
SL
、R
SS
、R
LL
、R
LS
画出缺陷反射波的声场分布图；所述缺陷反射波的声场分布图包括缺陷反射纵波、缺陷反射纵波转横波、缺陷反射横波、缺陷反射横波转纵波；
[0018]所述入射波模式包括横波S波、纵波L波，所述材料参数包括密度、杨氏模量、泊松比和热膨胀系数。
[0019]具体地，所述反射和散射系数矩阵模型(包括式(3)
‑
(8))如下：
[0020]对于理想的固
‑
气结合面，若将质点速度和应力代入连续条件，可得反射和散射系数矩阵如下：
[0021]R＝a/M，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0022]式中R为反射和折射系数矩阵(与入射角、波速和频率有关)，它被定义为反射(折射)波与入射波的振幅之比，M是与反射角、折射角、波速和拉梅常数有关的矩阵，a是与入射角、反射角、波速和拉梅常数有关的矩阵。
[0023]对于横波和纵波入射，M保持不变，均为下式：
[0024][0025]其中λ1和μ1为样品材料的拉梅常数，α
rL
、α
rS
、β
tL
分别为反射纵波、反射横波和折射纵波的角度，c
L1
和c...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模组合成像方法，其特征在于，该方法包括：S1：根据样品尺寸和待测区域，确定激光超声的扫查方式与扫描路径；并根据样品材料确定超声波的波速；S2：根据步骤S1中确定的激光超声的扫查方式，计算成像区域的声场灵敏度图；所述成像区域的声场灵敏度图是将激光激发超声、干涉仪检测超声和缺陷反射超声的声场分布进行耦合得到；S3：结合所述成像区域的声场灵敏度分布和不同模式超声波的传播特性，选定不同成像区域用于成像的最佳超声波模式，确定多模式组合成像的方案；其中超声波模式的选择是通过设定合成孔径算法公式中的声速来实现的；S4：使用步骤S1确定的扫查方式和扫描路径得到回波数据，并根据步骤S3选定的超声波模式进行多模式组合合成孔径聚焦成像。2.根据权利要求1所述的基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模组合成像方法，其特征在于，步骤S1中的激光超声采用的激光源参数包括能量密度、脉冲时间、光斑半径。3.根据权利要求1所述的基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模组合成像方法，其特征在于，步骤S1中的激光超声的扫查方式采用固定激发点、多点探测的数据采集方式对样品进行扫描采集。4.根据权利要求1所述的基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模组合成像方法，其特征在于，步骤S2中的缺陷反射超声的声场分布由以下过程得到：根据给定的入射波模式、材料参数及超声波传播路径，采用反射和散射系数矩阵模型得到横波反射纵波的反射系数R
SL
、横波反射横波的反射系数R
SS
、纵波反射纵波的反射系数R
LL
、纵波反射横波的反射系数R
LS
；根据得到的R
SL
、R
SS
、R
LL
、R
LS
画出缺陷反射波的声场分布图；所述缺陷反射波的声场分布图包括缺陷反射纵波、缺陷反射纵波转横波、缺陷反射横波、缺陷反射横波转纵波；所述入射波模式包括横波S波、纵波L波，所述材料参数包括密度、杨氏模量、泊松比和热膨胀系数。5.根据权利要求4所述的基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模组合成像方法，其特征在于，所述成像区域的声场灵敏度图包括缺陷反射纵波灵敏度图、缺陷反射纵波转横波灵敏度图、缺陷反射横波灵敏度图、缺陷反射横波转纵波灵敏度图。6.根据权利要求1所述的基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模组合成像方法，其特征在于，步骤S3中的不同模式超声波包括SS波、SL波、LL波、LS波，其中：SS波为横波反射横波、SL波为横波反射纵波、LL波为纵波反射纵波、LS波为纵波反射横波。7.根据权利要求1所述的基于合成孔径的激光超声内部缺陷多模组合成像方法，其特征在于，步骤S3中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟华，孙凯华，黄姝珂，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，
类型：发明
国别省市：