本发明专利技术提供了一种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法，属于无损检测领域。使用由相控阵探头采集到的全矩阵信号作为原始数据，依次计算单发全收阵列信号加权幅值，结合探头中心频率、采样频率、阵元数目和间距构建稀疏系数，根据权重筛选稀疏阵列并实施傅里叶变换；利用横向和纵向波数计算迁移因子，得到不同深度下的外推波场，获得加权全聚焦子图像；对各稀疏阵列对应子图像进行线性叠加与平均，最终实现检测区域内的超声成像。该方法使用较少数据量进行全聚焦成像，在保证成像质量的同时具有更快成像效率，具有一定的实时化全聚焦应用前景。景。景。
【技术实现步骤摘要】
一种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法
[0001]本专利技术涉及一种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法，属于无损检测领域。
技术介绍
[0002]全聚焦方法是一种基于全矩阵数据捕捉的超声成像检测技术，可对成像区域内任一点进行虚拟聚焦，相较于相控阵超声检测技术具有更高的成像分辨力和空间一致性。目前，全聚焦方法大多基于时域延迟叠加，通过定义高密度网格，对检测区域进行逐点聚焦处理和成像。然而，采用全矩阵数据的时域成像算法复杂度高，成像效率低，限制了其实际应用。为提高成像效率，可将稀疏阵列应用于数据处理和算法优化，在保证成像质量的同时，利用较少数据实现全聚焦成像(胡宏伟,等.基于稀疏矩阵的两层介质超声相控阵全聚焦成像[J].机械工程学报)。
[0003]基于稀疏阵列的时域全聚焦方法仍采用延迟叠加处理，成像效率有一定程度改善，但提升效果有限。相比之下，波数域方法作为一种新兴的超声成像技术，利用波场逐层外推代替时域的逐点延迟叠加过程，通过快速傅里叶变换实现缺陷成像检测效率提升(Z.Zhuang,et al,Comparison of time domain and frequency
‑
wavenumber domain ultrasonic array imaging algorithms for non
‑
destructive evaluation[J].Sensors)。该方法首先利用单个阵元发射、所有阵元接收的二维矩阵数据形成全聚焦子图像，再通过线性叠加进行全聚焦成像。这一过程中，发射阵元数量仅影响叠加次数而对成像波数范围影响较小，减少发射阵元数量仍有望保持较好成像质量并提升成像效率。据此，本专利技术提出了一种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法，在信号发射端进行稀疏处理，构建稀疏系数，计算加权幅值，利用较少数据量实施成像，进一步提高全聚焦成像效率。
技术实现思路
[0004]本专利技术提供一种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法，目的是结合现有的频域全聚焦方法，计算阵列信号加权幅值，构建稀疏系数以降低信号维度，并根据权重从全矩阵信号中筛选稀疏阵列，在保证成像质量的前提下进一步提高成像效率。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：使用由相控阵探头采集到的全矩阵信号作为原始数据，依次计算单发全收阵列信号加权幅值，结合探头中心频率、采样频率、阵元数目和间距构建稀疏系数，根据权重筛选稀疏阵列并实施傅里叶变换；利用横向和纵向波数计算迁移因子，得到不同深度下的外推波场，获得加权全聚焦子图像；对各稀疏阵列对应子图像进行线性叠加，最终实现检测区域内的超声成像；所述方法具体步骤如下：
[0006](a)检测参数确定
[0007]针对被检测工件材质、尺寸和待检区域范围，选择合适的相控阵探头类型、阵元数目n、阵元间距L、采样频率fs及采样点数Nt；
[0008](b)获取全矩阵信号
[0009]将选取探头放置于待检测区域上方进行信号采集，得到维度Nt
×
n
×
n的全矩阵信
号M，该矩阵由n2个时域信号构成；将阵元i发射，阵元j接收的A扫描信号中第u个点表示为M
ij
(u)，其中1≤u≤Nt，1≤i≤n，1≤j≤n；
[0010](c)全矩阵信号稀疏处理
[0011]将M划分为n个二维子矩阵，其中由阵元i发射，所有阵元接收的子矩阵信号定义为M
i
，数据维度为Nt
×
n；加权计算各子矩阵中所有A扫描信号幅值平方和S
i
，如式(1)所示：
[0012][0013]计算各子矩阵对应S
i
，按其权重取前kn个M
i
构建稀疏全矩阵信号M
new
，k表示与探头中心频率、采样频率、阵元数目和间距相关的稀疏系数，0＜k≤1，稀疏后的全矩阵信号维度为Nt
×
n
×
kn；
[0014](d)超声频域全聚焦成像
[0015]使用稀疏全矩阵信号M
new
作为成像数据，其中由阵元a发射，所有阵元接收的子矩阵信号定义为M
a
，1≤a≤kn；以相控阵探头第一阵元中心位置为原点建立笛卡尔坐标系，横坐标为x、深度为z；根据阵元间距L、稀疏系数k和采样频率fs确定纵向波数ω和横向波数k
x
，其中ω取值范围为(
‑
πfs,πfs)，k
x
取值范围为(
‑
π/kL,π/kL)；采用二维傅里叶变换将M
a
转换到波数域，得到阵列频谱FM
a
；依据横、纵向波数计算迁移因子F，结合傅里叶逆变换可得深度z下的时域外推波场表达式M
a
‑
z
：
[0016][0017]声波由阵元a发射，到达(x,z)点所需时间表示为N
a
(x,z)，每个深度下的全聚焦子图像P
a
‑
z
可由该深度下各点幅值PM加权得到，分别如式(3)和式(4)所示：
[0018]PM＝M
a
‑
z
(x,fs
×
N
a
(x,z))(3)
[0019][0020]式中，cov表示方差运算；
[0021]在检测区域深度范围内重复式(2)
‑
(4)过程，即可得到由阵元a发射，所有阵元接收的检测区域内全聚焦子图像P
a
；对稀疏全矩阵信号M
new
中的所有子矩阵重复上述步骤，得到kn个全聚焦子图像并进行线性叠加与平均，即可获得完整的全聚焦图像，如式(5)所示：
[0022][0023]读取图像最强波峰位置作为缺陷所在点，在
‑
6dB范围进行缺陷检测和定量。
[0024]本专利技术的有益效果是：这种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦成像方法，对采集到的全矩阵信号进行发射端稀疏处理，计算阵列信号加权幅值并根据权重筛选稀疏阵列，利用快速傅里叶变换进行波场外推和子图像叠加，进一步提高频域全聚焦成像效率。
附图说明
[0025]图1是采用的超声检测系统示意图。
[0026]图2是加工了邻近横通孔的铝合金试块示意图。
[0027]图3是使用原始全矩阵信号的邻近横通孔成像结果。
[0028]图4是使用稀疏全矩阵信号的邻近横通孔成像结果。
具体实施方式
[0029]以下结合附图和技术方案，进一步说明本专利技术的具体实施方式。
[0030]基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法，采用的超声检测系统如图1所示，具体的检测及处理步骤如下：
[0031](a)被检试块为厚度40mm铝合金，试块纵波声速v＝6350m/s。在试块内部加工了直径2mm、上端点深度14mm、中心间距3.8mm的两个横通孔，如图2所示本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于稀疏矩阵的超声频域全聚焦方法，使用由相控阵探头采集到的全矩阵信号作为原始数据，依次计算单发全收阵列信号加权幅值，结合探头中心频率、采样频率、阵元数目和间距构建稀疏系数，根据权重筛选稀疏阵列并实施傅里叶变换；利用横向和纵向波数计算迁移因子，得到不同深度下的外推波场，获得加权全聚焦子图像；对各稀疏阵列对应子图像进行线性叠加与平均，最终实现检测区域内的超声成像；其特征在于，具体步骤如下：(a)检测参数确定针对被检测工件材质、尺寸和待检区域范围，选择合适的相控阵探头类型、阵元数目n、阵元间距L、采样频率fs及采样点数Nt；(b)获取全矩阵信号将选取探头放置于待检测区域上方进行信号采集，得到维度Nt
×
n
×
n的全矩阵信号M，该全矩阵信号M由n2个时域信号构成；将阵元i发射，阵元j接收的A扫描信号中第u个点表示为M
ij
(u)，其中1≤u≤Nt，1≤i≤n，1≤j≤n；(c)全矩阵信号稀疏处理将全矩阵信号M划分为n个二维子矩阵，其中由阵元i发射，所有阵元接收的子矩阵信号定义为M
i
，数据维度为Nt
×
n；加权计算各子矩阵中所有A扫描信号幅值平方和S
i
，如式(1)所示：计算各子矩阵对应S
i
，按其权重取前kn个M
i
构建稀疏全矩阵信号M
new
，k表示与探头中心频率、采样频率、阵元数目和间距相关的稀疏系数，0＜k≤1，稀疏后的全矩阵信号维度为Nt
×
n
×
kn；(d)超声频域全聚焦成像使用稀疏全矩阵信号M
new
作为成像数据，其中由...
【专利技术属性】
技术研发人员：金士杰，罗忠兵，李潇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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