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原文传递一种基于均方根速度的超声相控阵漏表面波全聚焦成像方法

专利名称：	一种基于均方根速度的超声相控阵漏表面波全聚焦成像方法
摘要：	本发明公开了一种基于均方根速度的超声相控阵漏表面波全聚焦成像方法，所述方法首先激励相控阵漏表面波，然后应用相控阵全矩阵捕获方法对试块表面进行扫查并采集全矩阵数据，之后采用均方根速度模型计算各阵元飞行时间，结合均方根速度模型与全聚焦成像算法对全矩阵数据处理并成像，最后，对全聚焦方法成像信号的幅值进行校准，实现了表面缺陷的高效率高分辨率图像重建。本发明的技术效果在于，基于均方根速度模型在保证成像精度前提下大幅缩短了成像时间；采用校准全聚焦方法进一步提高了成像分辨率，解决了传统采用漏表面波成像时，成像质量差，成像效率低的问题，为表面及近表面缺陷提供了一种非接触的、高质量的无损检测手段。
专利类型：	发明专利
申请人：	长沙理工大学;国家建筑城建机械质量监督检验中心
发明人：	刘芝平;李泽龙;胡宏伟;李雄兵;李炯昊;唐士林;吕铎;丁杰;宋永锋;丁侠
专利状态：	有效
申请日期：	2023-10-09T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-21T00:00:00+0800
申请号：	CN202311305386.2
公开号：	CN117092218A
分类号：	G01N29/06;G;G01;G01N;G01N29;G01N29/06
申请人地址：	410114 湖南省长沙市天心区万家丽南路二段960号;
主权项：	1.一种基于均方根速度的超声相控阵漏表面波全聚焦成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：激励相控阵漏表面波并进行全矩阵捕获，得到全矩阵数据；步骤2：基于均方根速度模型计算漏表面波声束的飞行时间；步骤3：采用基于均方根速度的全聚焦成像算法对全矩阵数据叠加计算得到全聚焦成像信号幅值；步骤4：对全聚焦成像信号进行校准，实现基于均方根速度的超声漏表面波校准全聚焦成像。 2.根据权利要求1所述的一种基于均方根速度的超声相控阵漏表面波全聚焦成像方法，其特征在于，所述步骤1具体为： S11，以被测试块目标成像点P(x,y,0)所在平面为参照，建立坐标系Oxyz，坐标原点位于声波入射阵列中心，以检测时的扫查方向为X轴，检测方向为Y轴，Z轴垂直与试块表面；将被测试块放置于四轴运动控制的水浸式超声检测装置的水槽中，相控阵换能器以一定角度向水中辐射声波，当声波入射角θp1大于第二临界角时，透射的纵波和横波在工件表面混合叠加，发生模态转换成漏表面波；相控阵各阵元依次激励漏表面波聚焦于试块表面对其进行扫查； S12，通过全矩阵数据捕获得到全矩阵数据；全矩阵捕获流程可描述为：根据上述激励条件，首先激励第1个阵元产生漏表面波，所有阵元接收，所得到的回波信号记为S1j，其中j＝1,2,3...N，之后依次激励2～N阵元，所有阵元接收，总共采集了64×64个A波信号，将上述A波信号以矩阵S11、S12、S13...Sij...SNN的形式进行存储，得到全矩阵数据；其中，信号Sij表示阵元i发射，阵元j接收到的信号。 3.根据权利要求1所述的一种基于均方根速度的超声相控阵漏表面波全聚焦成像方法，其特征在于，所述步骤2具体为： S21，计算阵元辐射声波传播到被测试块表面目标成像点P(x,y,0)的垂直传播时间t0＝H/cp1+y/cLRW，式中cp1表示水中纵波声速，cLRW表示试块漏表面波声速，换能器阵元中心到试块表面的倾斜距离为H； S22，以垂直传播时间t0为基准，基于均方根速度模型计算声波传播所需的发射与接收飞行时间；具体的，声波由阵元i发射至目标成像点的飞行时间可表示为：声波由目标成像点反射回相控阵阵元j的飞行时间可表示为：其中，表示声波传播到目标成像点的发射和接收均方根速度，xi和xj分别为发射和接收阵元的横坐标值，由此可得到超声波总传播时间tij。 4.根据权利要求1所述的一种基于均方根速度的超声相控阵漏表面波全聚焦成像方法，其特征在于，所述步骤3具体为：根据互易原理，发射和接收的过程可逆，可得tij(x,y,0)＝tji(x,y,0)，基于延时叠加法则，对所采集的全矩阵数据采用基于均方根速度的全聚焦算法进行叠加计算，得到全聚焦成像信号的幅值为：式中tij(x,y,0)为提取目标成像点P(x,y,0)幅值的延时时间，包括声波从阵元i传播到目标聚焦点P(x,y,0)再经反射被阵元j接收的飞行时间，N为相控阵阵元总数。 5.根据权利要求1所述的一种基于均方根速度的超声相控阵漏表面波全聚焦成像方法，其特征在于，所述步骤4具体为：针对全聚焦信号的幅值，需要进行的校准主要包括三类：指向性校准系数D、扩散衰减校准系数B、透射校准系数T；对于i阵元发射，j阵元接收的声束传播，其综合校准系数有： Cij＝DiBiTiDjBjTj 由于发射与接收过程互易对称，有Di＝Dj、Bi＝Bj、Ti＝Tj，则Cij＝Cji；具体的，换能器的声场能量具有指向性，单个发射阵元的指向性校准系数Di可表示为：其中，λ为声波波长，ω为角频率，θp1为入射角，a为相控阵单个阵元的宽度；声波传播中使用声束传播距离的平方根的反比近似表示扩散衰减校准系数：式中diF为声束由i阵元发射，到达目标聚焦点P(x,y,0)的最短传播距离，这里有式中xt为发射声束在界面折射点的横坐标；根据Snell定律，当声束入射角大于第二临界角时，透射的纵波和横波叠加成漏表面波；考虑水-试块界面的边界条件，可以得到漏表面波透射系数为：式中，Tp,p、Ts,p分别为纵波和横波的透射系数，cp2、cs2分别为试块中纵波速度和横波速度；结合综合校准系数，对试块表面任一聚焦点的幅值信息进行校准，具体表示为：由此，对全聚焦成像信号幅值进行校准，即可从回波信号中有效提取缺陷信号，实现高精度的图像重构。
所属类别：	发明专利