本发明属于无损检测，具体涉及一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法。
背景技术：
1、机械设备在长期的加工与使用过程中，受到载荷、腐蚀、磨损等因素的影响，表面或近表面往往会产生点蚀、裂纹、孔隙等缺陷。这些缺陷会引起应力集中、降低疲劳强度、减弱承载能力等问题，甚至可能导致零件失效，严重影响设备的使用寿命和正常运转，因而针对金属表面缺陷检测对保证其服役安全具有重要意义。
2、超声表面波检测作为机械装备表面损伤应用最为广泛的一种无损检测技术，具有能量高、灵敏度高、沿表面方向传播距离远等优点。如授权公告号cn 117129568 b，授权公告日2024年01月09号的一件中国专利公开了一种锅炉集箱管排对接焊缝表面缺陷超声表面波检测方法，该发明通过数据线将超声表面波探头与超声波探伤仪进行连接，然后通过两个磁力吸附辊将超声表面波探头吸附在管道的表面，并沿着锅炉集箱管排上的焊缝进行圆周运动，最后通过超声表面波探头上的数据对焊缝进行判定。但该研究主要针对声波数据特征进行分析，未实现基于表面波的缺陷成像，且探头耦合状态对表面波检测影响极大，多次移动探头、频繁耦合无法保证效率。漏表面波检测避免了上述问题，可实现非接触式自动化扫查，如授权公布号cn111781274b，授权公告日2023年07月11号的一件中国专利公开了一种基于分块式扫查及衰减补偿的漏表面波超声成像方法，该发明通过采集不同位置的缺陷波数据，获得漏表面波的衰减曲线，然后使用四轴运动平台进行分块式漏表面波超声b扫描，并对检测数据进行衰减补偿，最后对衰减补偿后的数据进行叠加获得超声成像数据。该方法的技术效果在于可以非接触实现零件表面或近表面缺陷的成像，实现大面积检测。但该研究仅依赖于单探头采集数据，由于单探头每次只能采集单一方向的数据，因此其覆盖范围有限，且分辨率相对较低。而相控阵探头由多个阵元排列组成，能够控制不同阵元发射接收信号，可以采集到整个检测区域的数据集，如申请公布号cn117092218a，申请公布日2023年11月21号的一件中国专利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，该发明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。相较于前面的方法研究，该方法在保证成像质量的同时，提高数据采集的效率，但该方法需要考虑折射路径，成像速度较慢，且由于波型转换与传播衰减，漏表面波的回波幅值较小，不利于缺陷检测和成像。
3、因此，为了解决上述问题，亟需设计一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法。超声相控阵通过多阵元聚焦可有效解决现有单晶片漏表面波检测方法存在聚焦能量小和检测距离短等问题，同时采用扩展相位迁移成像方法利用傅里叶变换实现频域超声成像，避免大量的传播时间计算和折射点的迭代计算，比传统时域全聚焦成像效率具有显著优势，利用快速傅里叶变换插值算法解决受相控阵阵元间距的限制导致成像横向分辨率较低的问题。通过自定义融合成像方法对扩展相位迁移与虚拟源扩展相位迁移成像进行融合，可实现较大面积内缺陷成像，并提高了漏表面波的检测效率和检测质量。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明公开了一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法，本发明的特征是首先构建相控阵漏表面波检测系统以产生漏表面波回波信号，其次应用快速傅里叶变换插值算法在声场波数域高频部分补零，实现空间域数据的内插以提高成像图的横向分辨率，然后分别通过扩展相位迁移与虚拟源扩展相位迁移算法进行成像，最后通过自定义融合算法对不同方式成像结果进行融合。成像结果融合了两种成像方法在不同距离下的检测优势，增大检测范围，提高了漏表面波的检测效率和检测质量，为金属表面及近表面缺陷检测提供了一种有效方法。
2、一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
3、步骤一：构建相控阵漏表面波检测系统以产生漏表面波回波信号；
4、步骤二：基于快速傅里叶变换插值的声场波数域高频部分补零；
5、步骤三：漏表面波扩展相位迁移成像；
6、步骤四：漏表面波虚拟源扩展相位迁移成像；
7、步骤五：漏表面波扩展相位迁移与虚拟源扩展相位迁移的自定义融合成像。
8、所述的一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法，所述步骤一中构建相控阵漏表面波检测系统以产生漏表面波回波信号包括以下步骤：
9、步骤1、所述相控阵漏表面波检测系统由多通道超声研究系统主机、超声相控阵换能器、工业计算机和运动控制装置组成；所述运动控制装置包含运动控制卡、伺服电机和手脉；
10、步骤2、利用斯涅耳定律确定水浸检测时的瑞利角，其中为水中纵波传播速度，为工件内表面波传播速度，并设置水深距f、采样频率和采样点数；通过工业计算机控制运动控制装置使超声相控阵换能器以夹角浸入水中，再通过工业计算机向多通道超声研究系统主机传达超声检测命令，接收指令后激励超声相控阵换能器产生超声脉冲，超声波沿超声相控阵换能器夹角方向通过水传播至工件表面并转换为表面波，该表面波传播至试块表面缺陷后，会产生缺陷回波，且在传播过程中缺陷回波会不断“泄漏”纵波至水中，进而被超声相控阵换能器采集并传递给多通道超声研究系统主机进行处理，采集到信号实现超声漏表面波检测；
11、所述的一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法，所述步骤二中基于快速傅里叶变换插值的声场波数域高频部分补零包括以下步骤：
12、步骤1、已知工件表面上z处的声场为：
13、
14、式中：为波数域长度，声场的表达形式可简化为：
15、
16、步骤2、创建长度为的声场：，当为奇数时：
17、
18、当为偶数时：
19、
20、为波数域高频部分填充零后获得的声场，对其进行逆傅里叶变换可实现声场在空间域的插值。
21、所述的一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法，所述步骤三中漏表面波扩展相位迁移成像包括以下步骤：
22、步骤1、设相控阵位于处，介质交界面位于处，其中为超声波在水中的传播距离；相控阵每个阵元依次发射超声波信号，每次发射时全部阵元接收回波信号，即可采集到组回波信号，组成了全矩阵数据集，其中为发射阵元数量，为接收阵元数量，代表m阵元发射n阵元接收的回波信号；
23、阵元m发射时，工件表面坐标处的声场为：
24、，；
25、式中：，为超声波在水中传播的速度；，为超声波在工件上传播的漏表面波速度；为共轭复数；
26、步骤2、依据步骤二对发射声场和接收声场的波数域高频部分填充零，实现快速傅里叶变换插值，获得在方向上扩充倍的声场和；
27、步骤3、声场可以被看作由深度为的散射体在时发射产生的，声场可以看作相控阵位于深度处在时接收到的，两者相关联且不存在相位差，逆傅里叶变换后的频域声场的相关性可表示为：
28、；
29、进行反傅里叶变换求得：
30、；
31、当时，相关声场是阵元m作为发射阵元时的聚焦成像幅值：
32、；
33、步骤4、对个阵元发射时获得的聚焦成像幅值进行累加，获得最终基于全矩阵数据的成像幅值：
34、；
35、所述的一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法，所述步骤四中漏表面波虚拟源扩展相位迁移成像包括以下步骤：
36、步骤1、组成虚拟源的阵元数目为，阵元间距为，虚拟源位于阵列中心线上，焦距为，此时可以看作一个虚拟源位于聚焦点向下发射超声波，阵元数目为的相控阵可以通过激发不同的连续阵元产生个虚拟源，所有虚拟源构成虚拟阵列；在采集数据时，每个虚拟源依次发射超声波信号，全部阵元接回波信号，获得组尺寸数据，其中为采样长度；
37、步骤2、当虚拟源发射时全部阵元接收，采集到数据，对数据进行二维傅里叶变换，得到处的接收声场，工件表面上处的接收声场为：
38、；
39、步骤3、依据步骤二对接收声场的方向上进行零填充，获得在方向上扩充倍的接收声场，进行二维傅里叶反变换获得；
40、步骤4、当时，声场是虚拟源作为发射阵元时的聚焦成像幅值：
41、；
42、式中：表示超声波从虚拟源到散射体的传播时间；
43、为便于计算，令焦距，即将虚拟源设在介质交界面处，由于相控阵阵元产生虚拟源的过程也花费时间，所以传播时间为：
44、；
45、式中：为虚拟源m所处位置的横坐标；
46、步骤5、对每个虚拟源发射时获得的聚焦成像幅值进行累加，获得最终成像幅值表示为：
47、；
48、所述的一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法，所述步骤五中漏表面波扩展相位迁移与虚拟源扩展相位迁移的自定义融合成像包括以下步骤：
49、步骤1、已知步骤三中漏表面波扩展相位迁移成像方法获得的成像幅值为，步骤四中漏表面波虚拟源扩展相位迁移成像方法获得的成像幅值为，求取两种成像方法所对应的成像幅值的差值：
50、；
51、步骤2、设置阈值，当差值的绝对值大于等于阈值时，融合图像取最大值，当差值的绝对值小于阈值时，融合图像取最小值，则融合图像的成像幅值表示为：
52、；
53、步骤3、采用imfilter函数对进行平滑操作，以获得更光滑的融合图像幅值。
54、由于本发明采用了以上技术方案，与现有技术相比，使本技术具备的有益效果在于：
55、1、通过漏表面波检测，避免传统接触式检测耦合状态等影响；通过超声相控阵多阵元聚焦成像具有更好的缺陷表征能力和更高的检测精度，可有效解决现有单晶片漏表面波检测方法存在聚焦能量小和检测距离短等问题；通过扩展相位迁移成像方法利用傅里叶变换实现频域超声成像，避免大量的传播时间计算，比传统时域全聚焦成像效率具有显著优势，可在保证检测质量的同时极大提高检测效率；
56、2、将漏表面波信号通过快速傅里叶变换插值算法在波数域高频区域填充零实现空间插值，解决了受相控阵阵元间距限制导致成像分辨率较低的问题，提高了成像图的横向分辨率，实现了对较小缺陷形状的准确表征；
57、3、通过自定义融合成像方法对扩展相位迁移与虚拟源扩展相位迁移成像结果进行融合，可以融合两种成像方法在不同距离下的检测优势，减小缺陷平均尺寸误差，增大检测范围。
1.一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法，其特征在于，所述步骤二具体为：
3.根据权利要求1所述的一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法，其特征在于，所述步骤三具体为：
4.根据权利要求1所述的一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法，其特征在于，所述步骤四具体为：
5.根据权利要求1所述的一种基于相控阵漏表面波的扩展相位迁移融合成像方法，其特征在于，所述步骤五具体为：
