基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法
基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种水浸超声成像方法，包括角域扫查技术、虚拟源技术、合成孔径聚 焦成像技术、空间复合成像技术，实现对水浸工件高效及高精度的超声合成孔径聚焦成像。
【背景技术】
[0002] 超声波检测作为无损检测的一种重要手段，已广泛应用于工业产品检测，它能在 不破坏工件结构性能的前提下对其缺陷进行检测。传统超声检测方法采用单探头检测时成 像分辨率e B= 0.84* A/D，式中D表示换能器孔径，A表示换能器激励声束的波长，因此 要提高超声成像分辨率就需要增大换能器孔径或者减小超声波波长即提高超声换能器工 作频率，然而增大换能器孔径限制了探头检测范围，不适用于复杂型面结构件的检测，提高 换能器工作频率会增大超声波在工件中的衰减，不利于工件内部缺陷的检测。合成孔径聚 焦技术（Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT)作为超声波检测领域一种重要 的成像方法，其成像不受菲涅尔区声场传播特性影响，成像分辨率0 saft= D/2,只与换能器 孔径有关，通过小孔径及低工作频率换能器即能获得较高分辨率的成像。
[0003] 然而对于水浸工件的超声检测，传统SAFT进行延时叠加时需要考虑声束在水中 及工件中传播路径、传播声速的变化，导致延时叠加计算效率低。为提高延时叠加计算效 率，申请公布号CN103018333A，公布日为2013年4月3日的专利文献公开了一种分层物体 的合成孔径聚焦超声成像方法，采用直线扫描转换技术减少延时叠加时的迭代计算次数， 该方法能在一定程度上减少延时叠加计算时间，但仍需要考虑声束在水中与工件中传播声 速的变化。
[0004] 此外，超声波检测受系统及结构的随机噪声影响，成像时会产生斑点噪声，公告号 为CN101199430B，授权公告日2011年12月28日的专利文献公开了一种空间复合成像方 法，通过倾斜不同扫查角后获取每个扫查角的超声成像，对相邻扫查角的图像进行差分处 理后复合，复合后的图像斑点噪声得到有效抑制。然而将该方法对SFAT图像进行空间复合 时，需要对每一个扫查角的回波信号分别进行延时叠加计算，获得每一个扫查角的SAFT图 像后再进行空间复合成像，这种方法增加了成像时间，成像效率低。
[0005] 为提高SAFT在水浸超声检测中的延时叠加计算效率，本发明引入虚拟源技术， 虚拟源模型示意图如图3所示，虚拟源是指多个阵元延时发射后的聚焦点，以水浸超声 检测为例，使用聚焦探头对工件进行检测时，当聚焦探头聚焦在工件表面％时，可将聚 焦点视为能产生一定夹角球面波的虚拟换能器，设聚焦探头孔径为D，换能器产生的单位 能量为Po,对于工件内任意点P，其深度为z s，采用传统超声检测方法时，其成像信噪比
，而采用虚拟源技术时，其成像信噪比为
。由此可知传统超 声检测方法成像信噪比随着检测深度的增加而减小，而采用虚拟源技术成像时，如不考虑 超声波在工件内部的衰减，其成像信噪比不随检测深度的变化而变化。此外，采用虚拟源进 行SAFT成像时，在发射和接收过程中，可认为声束聚焦在工件表面的虚拟源上，因此不需 要考虑声束在水中和工件中传播路径、传播声速的变化。
[0006] 为减少超声成像中的斑点噪声，并提高空间复合成像方法处理SAFT图像时的成 像效率，通过角域虚拟源模型，模型示意图如图5所示，建立基于该模型的延时叠加算法， 可实现SAFT与空间复合成像方法的结合，通过一次延时叠加计算即可获得角域超声合成 孔径聚焦图像。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提出一种成像效率及精度高且受斑点噪声影响小的水浸超声 合成孔径聚焦成像方法。
[0008] 本发明的特征在于，通过虚拟源技术，不需要考虑声束在水中和工件中传播路径、 传播声速的变化，从而提高延时叠加计算效率。
[0009] 本发明的特征在于，通过角域虚拟源模型实现合成孔径聚焦成像技术与空间复合 成像技术的结合，通过一次延时叠加计算即可获得角域超声合成孔径聚焦图像。
[0010] 本发明的技术方案是，一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法， 包括以下步骤：
[0011] 步骤一：水浸工件声束传播建模。根据工件几何及材料参数建立水浸工件声束 传播模型，并根据声束传播模型确定角域扫查范围及扫查间隔角，其中角域指聚焦探头以 任意扫查角扫查时中心轴线与工件入射点法线夹角，扫查间隔角指聚焦探头在角域内扫 查时相邻的扫查角间隔。设声束在水中及工件中的声速分别为c w、cs，聚焦探头的焦距大 小为d，晶片直径为巾，则探头孔径角0w=2arctan((i)/2d)。声束在水浸工件界面处 折射时会产生波型转换，根据第一临界角定律确定角域扫查范围为
为进一步减小波型转换时横波对水浸超声检测的影响，角域扫查范围最终确定为
;为保证声束在工件内沿角域方向连续扫查，根据斯涅尔定律确定扫 查间隔角为I A (}) |彡0 w。
[0012] 步骤二：角域内回波信号采集。根据步骤一确定的角域扫查范围及扫查间隔角， 将被测工件置于一个具有X/Y/Z/A四轴自动超声检测平台，通过运动控制装置调整聚焦探 头位置使其垂直并聚焦于工件表面，标记起始点B(0,0)后沿X轴方向以Ax的步进距离进 行扫查至终点B (n，0)，同步储存回波信号data (i，j，0° )，其中虚拟源总数目为n/ A x，式 中n表示声束入射点沿X轴方向坐标，i表示沿X轴扫查方向的采样点数，j表示沿Z轴检 测方向的采样点数；定义A轴的顺时针方向为正，通过运动控制装置控制A轴旋转和Z轴移 动，使聚焦探头旋转扫查间隔角△巾并聚焦在工件表面的起始点B (0,0)，然后沿X轴方向 以Ax的步进距离进行扫查至终点B(n，0)，同步储存回波信号data(i，j，A巾），重复上述 操作后获得角域扫查范围内全部回波信号data(i，j，土N* A (}>)，式中N表示在半个角域内 聚焦探头扫查倾斜次数。
[0013] 步骤三：虚拟源内回波信号重构。建立水浸工件角域虚拟源模型，获得聚 焦探头在角域内以任意扫查角扫查时，水浸工件内重构的虚拟源声束扩散角大小为
，据此将步骤二获得的回波信号data(i，j，土N ? A (}>)在虚拟源内重 构为 data(i, j, 土N ? 0 t)。
[0014]步骤四：合成孔径聚焦成像。建立基于角域虚拟源模型的延时叠加算法，对步骤三 获得重构后的回波信号进行延时叠加计算，得到各成像点叠加后的电压幅值，对成像区域 内全部点电压幅值进行归一化计算后重新赋值，实现基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径 聚焦成像。
[0015] 所述一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法，所述步骤三中水浸 工件内重构的虚拟源声束扩散角0 3十算方法为：建立水浸工件角域虚拟源模型，通过斯涅 耳定律计算得虚拟源声束扩算角
，设聚焦探头扫查间隔角为△巾，当 A巾| < 0￥时，虚拟源声束在工件内沿角域方向会出现重叠，对重叠部分采用均值法处 理，确定聚焦探头在角域内以任意扫查角扫查时，水浸工件内重构的虚拟源声束扩散角大 小为
=所述一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法， 所述步骤四中基于角域虚拟源模型的延时叠加算法包括以下步骤：
[0016]步骤1、对于工件内任意点P(i，j)，其有效合成孔径长度
，式中zs 表示点P距离工件表面的深度，
，参与延时叠加计算的探头沿X轴方 向移动次数
，取整后得K = round(n)。
[0017]步骤2、当步骤1中的K > 2时，对K进行补偿得Kn，使Kn为偶数，即参与延时叠加 计算的探头数为奇数；当K < 2时，不进行延时叠加计算，执行步骤9。
[0018] 步骤3、读取扫查角为0°时的回波信号数据data(i，j，0° )，赋值为初值SUM。。
[0019] 步骤4、定义变量ii，表示第ii个参与延时叠加计算的虚拟源，ii赋初值1。
[0020] 步骤5、计算步骤4中虚拟源至P(i, j)点的倾斜角0 n= atan(ii ? Ax/z s)，延时 时间t = (zs/cos 0 u-zj/c，沿Z轴检测方向的延时采样点数T = round(t/dt)，dt表示沿 检测方向的采样时间间隔，变迹系数e =〇. 5[l+cos(2*pi* n)]，式中，n =ii* Ax/ L〇
[0021] 步骤6、将步骤5获得的倾斜角与单个虚拟源声束扩散角0 t相除，并对结果 进行向上取整N = ceil ( 9 9 t)。
[0022] 步骤7、将步骤5中的变迹系数e加入延时叠加计算，计算公式为：
[0023] SUM = SUM0+ e (data(i_ii，j+T，-N ? 9 t)+ e data(i+ii，j+T，N ? 9 t))。
[0024] 步骤8、将步骤7获得的结果重新定义为初值SUM。，处理第ii+1个虚拟源，继续执 行步骤3至7,直至ii = Kn/2-l。
[0025]步骤9、对步骤8最终获得的SUM进行均值处理，data (i，j) = SUMAKn+l)，并将处 理后数据的电压幅值赋予P(i，j)。
[0026] 本发明的技术效果在于，对于水浸工件的超声合成孔径聚焦成像，通过采用虚拟 源技术，无需考虑声束在水中和工件中传播路径、传播声速的变化，从而提高延时叠加计算 效率；通过基于角域虚拟源模型的延时叠加算法，实现超声成像中合成孔径技术与空间复 合技术的结合，通过一次延时叠加计算即可获得角域超声合成孔径聚焦图像，从而提高成 像效率及精度，降低斑点噪声对成像的影响。
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明所提的基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像流程图；
[0029] 图2为本发明水浸工件声束传播模型示意图；
[0030] 图3为本发明虚拟源模型示意图；
[0031] 图4为本发明虚拟源内回波信号采集示意图；
[0032] 图5为本发明角域虚拟源模型示意图；
[0033] 图6为本发明基于角域虚拟源模型的延时叠加计算流程图；
[0034] 图7为本发明【具体实施方式】中检测试块的实物图；
[0035] 图8为本发明聚焦探头B扫成像图；
[0036] 图9为本发明采用传统合成孔径聚焦方法成像图；
[0037] 图10为本发明基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像图。
【具体实施方式】
[0038] 本发明【具体实施方式】以铝试块的水浸超声检测为例，试块实物图如图7所示，试 块尺寸为120mmX 100mm，目标成像区域尺寸为15mmX 30mm，缺陷孔直径为2mm，对目标成像 区域进行基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像，其步骤包括：
[0039] 步骤一、水浸工件声束传播建模，确定角域扫查范围和扫查间隔角。纵波在水中的 传播速度~为1480m/s，在铝中的传播速度c 3为5840m/s，本实例超声探头采用美国GE公司 型号为IS-5. 0-1. 0-5. 0的水浸聚焦探头，探头中心频率为5MHz，晶片直径为25mm，焦距为 125mm。对水浸铝工件声束传播建模，确定角域扫查范围为-4. 5° < f3w< 4. 5°，扫查间隔 角为A (}>彡11.4°，结合实际检测需要，确定角域扫查范围为-4°彡4°，扫查间隔 角八巾=1°，即聚焦探头在角域内以-4°，-3°，-2°，-1°，0°，1°，2°，3°，4° 扫查角进行扫查。
[0040] 步骤二、角域内回波信号采集。将试块放置于一个具有X/Y/Z/A四轴自动超声检 测平台，通过运动控制装置调整聚焦探头位置使其垂直工件表面，且保证水声距为125mm， 标记起始点B (0, 0)后沿X轴方向，步进距离A x为0. 1mm，扫查至终点B (120, 0)，沿X轴扫 查方向的采样点数为1200,沿Z轴检测方向的采样点数为4096,虚拟源总数目为1200个， 同步储存回波信号data(1200, 4096, 0° );控制A轴旋转及B轴移动使探头沿顺时针转动 扫查角1°，并聚焦到起始点B (0, 0)，然后沿X轴方向以0. 1mm的步进距离进行扫查至终点 B (120, 0)，同步储存回波信号data (1200, 4096, 1° )，重复上述操作可获得角域内扫查角 分别为-4°，_3°，-2°，-1°，0°，1°，2°，3°，4°时的全部回波信号。
[0041] 步骤三、虚拟源内回波信号重构。建立水浸工件角域虚拟源模型，获得聚焦探头 在角域内以任意扫查角扫查时，水浸工件内重构的虚拟源声束扩散角大小0 t= 3.9°， 据此将步骤二获得的回波数据在角域内重组为：data(Xi，4096，N. 0t)，（Xi= 1- 1000，N =_4,…0,…4) 〇
[0042] 步骤四、合成孔径聚焦成像。通过基于角域虚拟源模型的延时叠加算法，对步骤三 获得重构后的回波信号进行延时叠加计算，得到各成像点叠加后的电压幅值，对成像区域 内全部点电压幅值进行归一化计算后重新赋值，实现基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径 聚焦成像，其中基于角域虚拟源模型的延时叠加算法包括以下步骤：
[0043]步骤1、对于工件内任意点P(i，j)，其有效合成孔径长度
I，式中zs 表示点P距离工件表面的深度，
|参与延时叠加计算的探头沿X轴方 向移动次数
取整后得K = round(n)。
[0044] 步骤2、当步骤1中的K > 2时，对K进行补偿得Kn，使Kn为偶数，即参与延时叠加 计算的探头数为奇数；当K < 2时，不进行延时叠加计算，执行步骤9。
[0045] 步骤3、读取扫查角为0°时的回波信号数据data(i，j，0° )，赋值为初值SUM。。
[0046] 步骤4、定义变量ii，表示第ii个参与延时叠加计算的虚拟源，ii赋初值1。
[0047] 步骤5、计算步骤4中虚拟源至P(i, j)点的倾斜角0 n= atan(ii ? Ax/z s)，延时 时间t = (zs/cos 0 u-zj/c，沿Z轴检测方向的延时采样点数T = round(t/dt)，dt表示沿 检测方向的采样时间间隔，变迹系数e =〇. 5[l+cos(2*pi* n)]，式中，n =ii* Ax/ L〇
[0048] 步骤6、将步骤5获得的倾斜角0 "与单个虚拟源声束扩散角0 t相除，并对结果 进行向上取整N = ceil ( 9 9 t)。
[0049] 步骤7、将步骤5中的变迹系数e加入延时叠加计算，计算公式为：SUM = SUMQ+ e (data (i~ii, j+T,-N ? 0 t) + e data (i+ii, j+T, N ? 9t))〇
[0050] 步骤8、将步骤7获得的结果重新定义为初值SUM。，处理第ii+1个虚拟源，继续执 行步骤3至7,直至ii = Kn/2-l。
[0051]步骤9、对步骤8最终获得的SUM进行均值处理，data (i，j) = SUMAKn+l)，并将处 理后数据的电压幅值赋予P(i，j)。
[0052] 图8所示为聚焦探头B扫成像，图9所示为采用传统合成孔径聚焦方法成像图，图 10所示为基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像，三种成像方法下直径为2mm缺陷 孔的特征信息及成像质量如表1所示，由表1可知基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚 焦成像分辨率更高，且消除了系统及结构噪声对成像的影响。
[0053]
[0054]表 1
【主权项】
1. 一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤一：水浸工件声束传播建模。根据工件几何及材料参数建立水浸工件声束传播模 型，并根据声束传播模型确定角域扫查范围及扫查间隔角，其中角域指聚焦探头以任意扫 查角扫查时中心轴线与工件入射点法线夹角，扫查间隔角指聚焦探头在角域内扫查时相邻 的扫查角间隔。设声束在水中及工件中的声速分别为Cw、cs，聚焦探头的焦距大小为d，晶片 直径为Φ，则探头孔径角9w=2arctan((i)/2d)。声束在水浸工件界面处折射时会产生波 型转换，根据第一临界角定律确定角域扫查范围为；为进一步减小波 型转换时横波对水浸超声检测的影响，角域扫查范围最终确定为为保证声束在工件内沿角域方向连续扫查，根据斯涅尔定律确定扫查间隔角为 Δ Φ I ^ 0w〇 步骤二：角域内回波信号采集。根据步骤一确定的角域扫查范围及扫查间隔角，将被测 工件置于一个具有Χ/Υ/Ζ/Α四轴自动超声检测平台，通过运动控制装置调整聚焦探头位置 使其垂直并聚焦于工件表面，标记起始点B(0,0)后沿X轴方向以ΛΧ的步进距离进行扫查 至终点B(η，0)，同步储存回波信号data(i，j，O° )，其中虚拟源总数目为η/Λ X，式中η表 示声束入射点沿X轴方向坐标，i表示沿X轴扫查方向的采样点数，j表示沿Z轴检测方向 的采样点数；定义A轴的顺时针方向为正，通过运动控制装置控制A轴旋转和Z轴移动，使 聚焦探头旋转扫查间隔角△ Φ并聚焦在工件表面的起始点B(0,0)，然后沿X轴方向以Λχ 的步进距离进行扫查至终点Β(η，0)，同步储存回波信号data(i，j，Λ φ)，重复上述操作后 获得角域扫查范围内全部回波信号data(i，j，±Ν · Λ φ)，式中N表示在半个角域内聚焦探 头扫查倾斜次数。 步骤三：虚拟源内回波信号重构。建立水浸工件角域虚拟源模型，获得聚焦 探头在角域内以任意扫查角扫查时，水浸工件内重构的虚拟源声束扩散角大小为，据此将步骤二获得的回波信号data(i，j，±Ν · Λ φ)在虚拟源内重 构为 data(i, j, 土N · Θ t)。 步骤四：合成孔径聚焦成像。建立基于角域虚拟源模型的延时叠加算法，对步骤三获得 重构后的回波信号进行延时叠加计算，得到各成像点叠加后的电压幅值，对成像区域内全 部点电压幅值进行归一化计算后重新赋值，实现基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦 成像。2. 如权利要求1所述的一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法，其特 征在于，所述步骤三中水浸工件内重构的虚拟源声束扩散角Θ t计算方法为：建立水浸工件 角域虚拟源模型，通过斯涅耳定律计算得虚拟源声束扩算角，设聚焦 探头扫查间隔角为Δ Φ，当I Λ φ I < 0w时，虚拟源声束在工件内沿角域方向会出现重叠， 对重叠部分采用均值法处理，确定聚焦探头在角域内以任意扫查角扫查时，水浸工件内重 构的虚拟源声束扩散角大小为3.根据权利要求1所述的一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法，其 特征在于，所述步骤四中基于角域虚拟源模型的延时叠加算法包括以下步骤： 步骤1、对于工件内任意点P (i，j)，其有效合成孔径长虔_式中zs表示 点P距离工件表面的深度，，参与延时叠加计算的探头沿X轴方向移 动次数，取整后得K = round (η)。 步骤2、当步骤1中的K > 2时，对K进行补偿得Kn，使Kn为偶数，即参与延时叠加计算 的探头数为奇数；当K < 2时，不进行延时叠加计算，执行步骤9。 步骤3、读取扫查角为0°时的回波信号数据data(i，j，0° )，赋值为初值SUMp 步骤4、定义变量ii，表示第ii个参与延时叠加计算的虚拟源，ii赋初值1。 步骤5、计算步骤4中虚拟源至P(i, j)点的倾斜角Θ ii= atan(ii · Δχ/ζ s)，延时时 间t = (zs/cos Θ u-zj/c，沿Z轴检测方向的延时采样点数T = round(t/dt)，dt表示沿检 测方向的采样时间间隔，变迹系数ε = 0. 5[l+cos(2 · pi · n)]，式中，n = ii · Δχ/L。 步骤6、将步骤5获得的倾斜角与单个虚拟源声束扩散角θ t相除，并对结果进行 向上取整 N = ceil ( Θ J Θ t)。 步骤7、将步骤5中的变迹系数ε加入延时叠加计算，计算公式为： SUM = SUM0+e (data(i_ii，j+T，-N · 9t)+e data(i+ii，j+T，N· 9t))。 步骤8、将步骤7获得的结果重新定义为初值SUMtl，处理第ii+1个虚拟源，继续执行步 骤 3 至 7,直至 ii = Kn/2-l。 步骤9、对步骤8最终获得的SUM进行均值处理，data (i，j) = SUMAKn+l)，并将处理后 数据的电压幅值赋予P(i，j)。
【专利摘要】本发明公开了一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法，用于水浸工件的超声成像，包括水浸工件声束传播建模、角域内回波信号采集、虚拟源内回波信号重构、合成孔径聚焦成像四个步骤。本发明的技术效果在于，采用虚拟源技术对水浸工件进行超声合成孔径聚焦成像，无需考虑声束传播路径和声速的变化对延时叠加计算的影响，降低成像的计算复杂度；提出基于角域虚拟源模型的延时叠加算法，有效结合合成孔径聚焦成像与空间复合成像技术，仅需一次延时叠加计算即可获得角域超声合成孔径聚焦图像，提高合成孔径聚焦成像效率及精度，降低斑点噪声对成像的影响。
【IPC分类】G01S15/89, G01N29/06
【公开号】CN104898123
【申请号】CN201510332737
【发明人】胡宏伟, 王泽湘, 杜剑, 彭刚, 王向红, 李雄兵, 倪培君
【申请人】长沙理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月16日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种水浸超声成像方法，包括角域扫查技术、虚拟源技术、合成孔径聚 焦成像技术、空间复合成像技术，实现对水浸工件高效及高精度的超声合成孔径聚焦成像。
【背景技术】
[0002] 超声波检测作为无损检测的一种重要手段，已广泛应用于工业产品检测，它能在 不破坏工件结构性能的前提下对其缺陷进行检测。传统超声检测方法采用单探头检测时成 像分辨率e B= 0.84* A/D，式中D表示换能器孔径，A表示换能器激励声束的波长，因此 要提高超声成像分辨率就需要增大换能器孔径或者减小超声波波长即提高超声换能器工 作频率，然而增大换能器孔径限制了探头检测范围，不适用于复杂型面结构件的检测，提高 换能器工作频率会增大超声波在工件中的衰减，不利于工件内部缺陷的检测。合成孔径聚 焦技术（Synthetic Aperture Focusing Technique，SAFT)作为超声波检测领域一种重要 的成像方法，其成像不受菲涅尔区声场传播特性影响，成像分辨率0 saft= D/2,只与换能器 孔径有关，通过小孔径及低工作频率换能器即能获得较高分辨率的成像。
[0003] 然而对于水浸工件的超声检测，传统SAFT进行延时叠加时需要考虑声束在水中 及工件中传播路径、传播声速的变化，导致延时叠加计算效率低。为提高延时叠加计算效 率，申请公布号CN103018333A，公布日为2013年4月3日的专利文献公开了一种分层物体 的合成孔径聚焦超声成像方法，采用直线扫描转换技术减少延时叠加时的迭代计算次数， 该方法能在一定程度上减少延时叠加计算时间，但仍需要考虑声束在水中与工件中传播声 速的变化。
[0004] 此外，超声波检测受系统及结构的随机噪声影响，成像时会产生斑点噪声，公告号 为CN101199430B，授权公告日2011年12月28日的专利文献公开了一种空间复合成像方 法，通过倾斜不同扫查角后获取每个扫查角的超声成像，对相邻扫查角的图像进行差分处 理后复合，复合后的图像斑点噪声得到有效抑制。然而将该方法对SFAT图像进行空间复合 时，需要对每一个扫查角的回波信号分别进行延时叠加计算，获得每一个扫查角的SAFT图 像后再进行空间复合成像，这种方法增加了成像时间，成像效率低。
[0005] 为提高SAFT在水浸超声检测中的延时叠加计算效率，本发明引入虚拟源技术， 虚拟源模型示意图如图3所示，虚拟源是指多个阵元延时发射后的聚焦点，以水浸超声 检测为例，使用聚焦探头对工件进行检测时，当聚焦探头聚焦在工件表面％时，可将聚 焦点视为能产生一定夹角球面波的虚拟换能器，设聚焦探头孔径为D，换能器产生的单位 能量为Po,对于工件内任意点P，其深度为z s，采用传统超声检测方法时，其成像信噪比
，而采用虚拟源技术时，其成像信噪比为
。由此可知传统超 声检测方法成像信噪比随着检测深度的增加而减小，而采用虚拟源技术成像时，如不考虑 超声波在工件内部的衰减，其成像信噪比不随检测深度的变化而变化。此外，采用虚拟源进 行SAFT成像时，在发射和接收过程中，可认为声束聚焦在工件表面的虚拟源上，因此不需 要考虑声束在水中和工件中传播路径、传播声速的变化。
[0006] 为减少超声成像中的斑点噪声，并提高空间复合成像方法处理SAFT图像时的成 像效率，通过角域虚拟源模型，模型示意图如图5所示，建立基于该模型的延时叠加算法， 可实现SAFT与空间复合成像方法的结合，通过一次延时叠加计算即可获得角域超声合成 孔径聚焦图像。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提出一种成像效率及精度高且受斑点噪声影响小的水浸超声 合成孔径聚焦成像方法。
[0008] 本发明的特征在于，通过虚拟源技术，不需要考虑声束在水中和工件中传播路径、 传播声速的变化，从而提高延时叠加计算效率。
[0009] 本发明的特征在于，通过角域虚拟源模型实现合成孔径聚焦成像技术与空间复合 成像技术的结合，通过一次延时叠加计算即可获得角域超声合成孔径聚焦图像。
[0010] 本发明的技术方案是，一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法， 包括以下步骤：
[0011] 步骤一：水浸工件声束传播建模。根据工件几何及材料参数建立水浸工件声束 传播模型，并根据声束传播模型确定角域扫查范围及扫查间隔角，其中角域指聚焦探头以 任意扫查角扫查时中心轴线与工件入射点法线夹角，扫查间隔角指聚焦探头在角域内扫 查时相邻的扫查角间隔。设声束在水中及工件中的声速分别为c w、cs，聚焦探头的焦距大 小为d，晶片直径为巾，则探头孔径角0w=2arctan((i)/2d)。声束在水浸工件界面处 折射时会产生波型转换，根据第一临界角定律确定角域扫查范围为
为进一步减小波型转换时横波对水浸超声检测的影响，角域扫查范围最终确定为
;为保证声束在工件内沿角域方向连续扫查，根据斯涅尔定律确定扫 查间隔角为I A (}) |彡0 w。
[0012] 步骤二：角域内回波信号采集。根据步骤一确定的角域扫查范围及扫查间隔角， 将被测工件置于一个具有X/Y/Z/A四轴自动超声检测平台，通过运动控制装置调整聚焦探 头位置使其垂直并聚焦于工件表面，标记起始点B(0,0)后沿X轴方向以Ax的步进距离进 行扫查至终点B (n，0)，同步储存回波信号data (i，j，0° )，其中虚拟源总数目为n/ A x，式 中n表示声束入射点沿X轴方向坐标，i表示沿X轴扫查方向的采样点数，j表示沿Z轴检 测方向的采样点数；定义A轴的顺时针方向为正，通过运动控制装置控制A轴旋转和Z轴移 动，使聚焦探头旋转扫查间隔角△巾并聚焦在工件表面的起始点B (0,0)，然后沿X轴方向 以Ax的步进距离进行扫查至终点B(n，0)，同步储存回波信号data(i，j，A巾），重复上述 操作后获得角域扫查范围内全部回波信号data(i，j，土N* A (}>)，式中N表示在半个角域内 聚焦探头扫查倾斜次数。
[0013] 步骤三：虚拟源内回波信号重构。建立水浸工件角域虚拟源模型，获得聚 焦探头在角域内以任意扫查角扫查时，水浸工件内重构的虚拟源声束扩散角大小为
，据此将步骤二获得的回波信号data(i，j，土N ? A (}>)在虚拟源内重 构为 data(i, j, 土N ? 0 t)。
[0014]步骤四：合成孔径聚焦成像。建立基于角域虚拟源模型的延时叠加算法，对步骤三 获得重构后的回波信号进行延时叠加计算，得到各成像点叠加后的电压幅值，对成像区域 内全部点电压幅值进行归一化计算后重新赋值，实现基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径 聚焦成像。
[0015] 所述一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法，所述步骤三中水浸 工件内重构的虚拟源声束扩散角0 3十算方法为：建立水浸工件角域虚拟源模型，通过斯涅 耳定律计算得虚拟源声束扩算角
，设聚焦探头扫查间隔角为△巾，当 A巾| < 0￥时，虚拟源声束在工件内沿角域方向会出现重叠，对重叠部分采用均值法处 理，确定聚焦探头在角域内以任意扫查角扫查时，水浸工件内重构的虚拟源声束扩散角大 小为
=所述一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法， 所述步骤四中基于角域虚拟源模型的延时叠加算法包括以下步骤：
[0016]步骤1、对于工件内任意点P(i，j)，其有效合成孔径长度
，式中zs 表示点P距离工件表面的深度，
，参与延时叠加计算的探头沿X轴方 向移动次数
，取整后得K = round(n)。
[0017]步骤2、当步骤1中的K > 2时，对K进行补偿得Kn，使Kn为偶数，即参与延时叠加 计算的探头数为奇数；当K < 2时，不进行延时叠加计算，执行步骤9。
[0018] 步骤3、读取扫查角为0°时的回波信号数据data(i，j，0° )，赋值为初值SUM。。
[0019] 步骤4、定义变量ii，表示第ii个参与延时叠加计算的虚拟源，ii赋初值1。
[0020] 步骤5、计算步骤4中虚拟源至P(i, j)点的倾斜角0 n= atan(ii ? Ax/z s)，延时 时间t = (zs/cos 0 u-zj/c，沿Z轴检测方向的延时采样点数T = round(t/dt)，dt表示沿 检测方向的采样时间间隔，变迹系数e =〇. 5[l+cos(2*pi* n)]，式中，n =ii* Ax/ L〇
[0021] 步骤6、将步骤5获得的倾斜角与单个虚拟源声束扩散角0 t相除，并对结果 进行向上取整N = ceil ( 9 9 t)。
[0022] 步骤7、将步骤5中的变迹系数e加入延时叠加计算，计算公式为：
[0023] SUM = SUM0+ e (data(i_ii，j+T，-N ? 9 t)+ e data(i+ii，j+T，N ? 9 t))。
[0024] 步骤8、将步骤7获得的结果重新定义为初值SUM。，处理第ii+1个虚拟源，继续执 行步骤3至7,直至ii = Kn/2-l。
[0025]步骤9、对步骤8最终获得的SUM进行均值处理，data (i，j) = SUMAKn+l)，并将处 理后数据的电压幅值赋予P(i，j)。
[0026] 本发明的技术效果在于，对于水浸工件的超声合成孔径聚焦成像，通过采用虚拟 源技术，无需考虑声束在水中和工件中传播路径、传播声速的变化，从而提高延时叠加计算 效率；通过基于角域虚拟源模型的延时叠加算法，实现超声成像中合成孔径技术与空间复 合技术的结合，通过一次延时叠加计算即可获得角域超声合成孔径聚焦图像，从而提高成 像效率及精度，降低斑点噪声对成像的影响。
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明所提的基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像流程图；
[0029] 图2为本发明水浸工件声束传播模型示意图；
[0030] 图3为本发明虚拟源模型示意图；
[0031] 图4为本发明虚拟源内回波信号采集示意图；
[0032] 图5为本发明角域虚拟源模型示意图；
[0033] 图6为本发明基于角域虚拟源模型的延时叠加计算流程图；
[0034] 图7为本发明【具体实施方式】中检测试块的实物图；
[0035] 图8为本发明聚焦探头B扫成像图；
[0036] 图9为本发明采用传统合成孔径聚焦方法成像图；
[0037] 图10为本发明基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像图。
【具体实施方式】
[0038] 本发明【具体实施方式】以铝试块的水浸超声检测为例，试块实物图如图7所示，试 块尺寸为120mmX 100mm，目标成像区域尺寸为15mmX 30mm，缺陷孔直径为2mm，对目标成像 区域进行基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像，其步骤包括：
[0039] 步骤一、水浸工件声束传播建模，确定角域扫查范围和扫查间隔角。纵波在水中的 传播速度~为1480m/s，在铝中的传播速度c 3为5840m/s，本实例超声探头采用美国GE公司 型号为IS-5. 0-1. 0-5. 0的水浸聚焦探头，探头中心频率为5MHz，晶片直径为25mm，焦距为 125mm。对水浸铝工件声束传播建模，确定角域扫查范围为-4. 5° < f3w< 4. 5°，扫查间隔 角为A (}>彡11.4°，结合实际检测需要，确定角域扫查范围为-4°彡4°，扫查间隔 角八巾=1°，即聚焦探头在角域内以-4°，-3°，-2°，-1°，0°，1°，2°，3°，4° 扫查角进行扫查。
[0040] 步骤二、角域内回波信号采集。将试块放置于一个具有X/Y/Z/A四轴自动超声检 测平台，通过运动控制装置调整聚焦探头位置使其垂直工件表面，且保证水声距为125mm， 标记起始点B (0, 0)后沿X轴方向，步进距离A x为0. 1mm，扫查至终点B (120, 0)，沿X轴扫 查方向的采样点数为1200,沿Z轴检测方向的采样点数为4096,虚拟源总数目为1200个， 同步储存回波信号data(1200, 4096, 0° );控制A轴旋转及B轴移动使探头沿顺时针转动 扫查角1°，并聚焦到起始点B (0, 0)，然后沿X轴方向以0. 1mm的步进距离进行扫查至终点 B (120, 0)，同步储存回波信号data (1200, 4096, 1° )，重复上述操作可获得角域内扫查角 分别为-4°，_3°，-2°，-1°，0°，1°，2°，3°，4°时的全部回波信号。
[0041] 步骤三、虚拟源内回波信号重构。建立水浸工件角域虚拟源模型，获得聚焦探头 在角域内以任意扫查角扫查时，水浸工件内重构的虚拟源声束扩散角大小0 t= 3.9°， 据此将步骤二获得的回波数据在角域内重组为：data(Xi，4096，N. 0t)，（Xi= 1- 1000，N =_4,…0,…4) 〇
[0042] 步骤四、合成孔径聚焦成像。通过基于角域虚拟源模型的延时叠加算法，对步骤三 获得重构后的回波信号进行延时叠加计算，得到各成像点叠加后的电压幅值，对成像区域 内全部点电压幅值进行归一化计算后重新赋值，实现基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径 聚焦成像，其中基于角域虚拟源模型的延时叠加算法包括以下步骤：
[0043]步骤1、对于工件内任意点P(i，j)，其有效合成孔径长度
I，式中zs 表示点P距离工件表面的深度，
|参与延时叠加计算的探头沿X轴方 向移动次数
取整后得K = round(n)。
[0044] 步骤2、当步骤1中的K > 2时，对K进行补偿得Kn，使Kn为偶数，即参与延时叠加 计算的探头数为奇数；当K < 2时，不进行延时叠加计算，执行步骤9。
[0045] 步骤3、读取扫查角为0°时的回波信号数据data(i，j，0° )，赋值为初值SUM。。
[0046] 步骤4、定义变量ii，表示第ii个参与延时叠加计算的虚拟源，ii赋初值1。
[0047] 步骤5、计算步骤4中虚拟源至P(i, j)点的倾斜角0 n= atan(ii ? Ax/z s)，延时 时间t = (zs/cos 0 u-zj/c，沿Z轴检测方向的延时采样点数T = round(t/dt)，dt表示沿 检测方向的采样时间间隔，变迹系数e =〇. 5[l+cos(2*pi* n)]，式中，n =ii* Ax/ L〇
[0048] 步骤6、将步骤5获得的倾斜角0 "与单个虚拟源声束扩散角0 t相除，并对结果 进行向上取整N = ceil ( 9 9 t)。
[0049] 步骤7、将步骤5中的变迹系数e加入延时叠加计算，计算公式为：SUM = SUMQ+ e (data (i~ii, j+T,-N ? 0 t) + e data (i+ii, j+T, N ? 9t))〇
[0050] 步骤8、将步骤7获得的结果重新定义为初值SUM。，处理第ii+1个虚拟源，继续执 行步骤3至7,直至ii = Kn/2-l。
[0051]步骤9、对步骤8最终获得的SUM进行均值处理，data (i，j) = SUMAKn+l)，并将处 理后数据的电压幅值赋予P(i，j)。
[0052] 图8所示为聚焦探头B扫成像，图9所示为采用传统合成孔径聚焦方法成像图，图 10所示为基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像，三种成像方法下直径为2mm缺陷 孔的特征信息及成像质量如表1所示，由表1可知基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚 焦成像分辨率更高，且消除了系统及结构噪声对成像的影响。
[0053]
[0054]表 1
【主权项】
1. 一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤一：水浸工件声束传播建模。根据工件几何及材料参数建立水浸工件声束传播模 型，并根据声束传播模型确定角域扫查范围及扫查间隔角，其中角域指聚焦探头以任意扫 查角扫查时中心轴线与工件入射点法线夹角，扫查间隔角指聚焦探头在角域内扫查时相邻 的扫查角间隔。设声束在水中及工件中的声速分别为Cw、cs，聚焦探头的焦距大小为d，晶片 直径为Φ，则探头孔径角9w=2arctan((i)/2d)。声束在水浸工件界面处折射时会产生波 型转换，根据第一临界角定律确定角域扫查范围为；为进一步减小波 型转换时横波对水浸超声检测的影响，角域扫查范围最终确定为为保证声束在工件内沿角域方向连续扫查，根据斯涅尔定律确定扫查间隔角为 Δ Φ I ^ 0w〇 步骤二：角域内回波信号采集。根据步骤一确定的角域扫查范围及扫查间隔角，将被测 工件置于一个具有Χ/Υ/Ζ/Α四轴自动超声检测平台，通过运动控制装置调整聚焦探头位置 使其垂直并聚焦于工件表面，标记起始点B(0,0)后沿X轴方向以ΛΧ的步进距离进行扫查 至终点B(η，0)，同步储存回波信号data(i，j，O° )，其中虚拟源总数目为η/Λ X，式中η表 示声束入射点沿X轴方向坐标，i表示沿X轴扫查方向的采样点数，j表示沿Z轴检测方向 的采样点数；定义A轴的顺时针方向为正，通过运动控制装置控制A轴旋转和Z轴移动，使 聚焦探头旋转扫查间隔角△ Φ并聚焦在工件表面的起始点B(0,0)，然后沿X轴方向以Λχ 的步进距离进行扫查至终点Β(η，0)，同步储存回波信号data(i，j，Λ φ)，重复上述操作后 获得角域扫查范围内全部回波信号data(i，j，±Ν · Λ φ)，式中N表示在半个角域内聚焦探 头扫查倾斜次数。 步骤三：虚拟源内回波信号重构。建立水浸工件角域虚拟源模型，获得聚焦 探头在角域内以任意扫查角扫查时，水浸工件内重构的虚拟源声束扩散角大小为，据此将步骤二获得的回波信号data(i，j，±Ν · Λ φ)在虚拟源内重 构为 data(i, j, 土N · Θ t)。 步骤四：合成孔径聚焦成像。建立基于角域虚拟源模型的延时叠加算法，对步骤三获得 重构后的回波信号进行延时叠加计算，得到各成像点叠加后的电压幅值，对成像区域内全 部点电压幅值进行归一化计算后重新赋值，实现基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦 成像。2. 如权利要求1所述的一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法，其特 征在于，所述步骤三中水浸工件内重构的虚拟源声束扩散角Θ t计算方法为：建立水浸工件 角域虚拟源模型，通过斯涅耳定律计算得虚拟源声束扩算角，设聚焦 探头扫查间隔角为Δ Φ，当I Λ φ I < 0w时，虚拟源声束在工件内沿角域方向会出现重叠， 对重叠部分采用均值法处理，确定聚焦探头在角域内以任意扫查角扫查时，水浸工件内重 构的虚拟源声束扩散角大小为3.根据权利要求1所述的一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法，其 特征在于，所述步骤四中基于角域虚拟源模型的延时叠加算法包括以下步骤： 步骤1、对于工件内任意点P (i，j)，其有效合成孔径长虔_式中zs表示 点P距离工件表面的深度，，参与延时叠加计算的探头沿X轴方向移 动次数，取整后得K = round (η)。 步骤2、当步骤1中的K > 2时，对K进行补偿得Kn，使Kn为偶数，即参与延时叠加计算 的探头数为奇数；当K < 2时，不进行延时叠加计算，执行步骤9。 步骤3、读取扫查角为0°时的回波信号数据data(i，j，0° )，赋值为初值SUMp 步骤4、定义变量ii，表示第ii个参与延时叠加计算的虚拟源，ii赋初值1。 步骤5、计算步骤4中虚拟源至P(i, j)点的倾斜角Θ ii= atan(ii · Δχ/ζ s)，延时时 间t = (zs/cos Θ u-zj/c，沿Z轴检测方向的延时采样点数T = round(t/dt)，dt表示沿检 测方向的采样时间间隔，变迹系数ε = 0. 5[l+cos(2 · pi · n)]，式中，n = ii · Δχ/L。 步骤6、将步骤5获得的倾斜角与单个虚拟源声束扩散角θ t相除，并对结果进行 向上取整 N = ceil ( Θ J Θ t)。 步骤7、将步骤5中的变迹系数ε加入延时叠加计算，计算公式为： SUM = SUM0+e (data(i_ii，j+T，-N · 9t)+e data(i+ii，j+T，N· 9t))。 步骤8、将步骤7获得的结果重新定义为初值SUMtl，处理第ii+1个虚拟源，继续执行步 骤 3 至 7,直至 ii = Kn/2-l。 步骤9、对步骤8最终获得的SUM进行均值处理，data (i，j) = SUMAKn+l)，并将处理后 数据的电压幅值赋予P(i，j)。
【专利摘要】本发明公开了一种基于角域虚拟源的水浸超声合成孔径聚焦成像方法，用于水浸工件的超声成像，包括水浸工件声束传播建模、角域内回波信号采集、虚拟源内回波信号重构、合成孔径聚焦成像四个步骤。本发明的技术效果在于，采用虚拟源技术对水浸工件进行超声合成孔径聚焦成像，无需考虑声束传播路径和声速的变化对延时叠加计算的影响，降低成像的计算复杂度；提出基于角域虚拟源模型的延时叠加算法，有效结合合成孔径聚焦成像与空间复合成像技术，仅需一次延时叠加计算即可获得角域超声合成孔径聚焦图像，提高合成孔径聚焦成像效率及精度，降低斑点噪声对成像的影响。
【IPC分类】G01S15/89, G01N29/06
【公开号】CN104898123
【申请号】CN201510332737
【发明人】胡宏伟, 王泽湘, 杜剑, 彭刚, 王向红, 李雄兵, 倪培君
【申请人】长沙理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月16日
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