基于相控陣超聲成像的圓柱類部件自動化無損檢測理論與實踐的研究.pdf

1、管類、軸類及棒材等作為在國民經(jīng)濟、國防建設(shè)和高新技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域應用廣泛的圓柱類部件，其質(zhì)量優(yōu)劣直接決定相關(guān)設(shè)備的運行性能和使用壽命，長期以來對無損檢測技術(shù)具有強烈需求。盡管目前無損檢測方法眾多，但由于超聲無損檢測技術(shù)具有其它方法難以媲美的技術(shù)優(yōu)勢，特別是相控陣超聲技術(shù)具有波束柔性合成與自適應控制能力，能方便滿足不同的應用需求，可有效減少檢測死區(qū)和盲區(qū)，已成為了無損檢測領(lǐng)域研究的熱點之一，并受無損評價大趨勢的驅(qū)動下正朝自動化超聲成像檢測方

2、向邁進，在圓柱類部件定量無損檢測方面蘊含巨大的發(fā)展?jié)摿?。然而，自動化檢測往往是在水浸的方式下實施，面向的對象將是一種疊層結(jié)構(gòu)，其聲波傳播特性更為復雜，聲學信號除受激勵脈沖和介質(zhì)作用外，還受到界面聲學效應的影響，導致成像分辨率影響因素復雜，加之在運動過程中發(fā)射和接收信號加重了衍射效應，現(xiàn)有的相控陣超聲成像技術(shù)在成像分辨率和實時性等方面還存在諸多不足，難以滿足圓柱類部件自動化定量無損檢測的應用需求。基于以上背景，本學位論文結(jié)合國家自然科學基

3、金項目“基于旋轉(zhuǎn)聲場的高性能自動化在線超聲無損檢測理論與實踐研究”(No.51175465)，提出開展基于相控陣超聲成像的圓柱類部件自動化無損檢測理論與實踐的研究。在分析超聲無損檢測和相控陣超聲成像相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，明確圓柱類部件相控陣超聲成像檢測機理的基礎(chǔ)上，重點開展相控陣超聲波束的波束域自適應合成、疊層結(jié)構(gòu)相控陣超聲稀疏化反演成像以及全矩陣頻域成像等關(guān)鍵技術(shù)的研究，并結(jié)合圖像形態(tài)學預處理及其分割方法，完成超聲成像結(jié)果的處

4、理與分析，實現(xiàn)圓柱類部件缺陷定量無損檢測。同時，研發(fā)一套相控陣超聲成像檢測系統(tǒng)，以滿足無縫鋼管質(zhì)量自動化檢測的應用需求。具體的研究內(nèi)容及創(chuàng)新點體現(xiàn)在:
　　第一章，闡述圓柱類部件在國民經(jīng)濟發(fā)展和現(xiàn)代國防建設(shè)中發(fā)揮的巨大作用，以及開展圓柱類部件自動化相控陣超聲成像檢測技術(shù)研究的重要意義，分析超聲無損檢測技術(shù)和相控陣超聲成像檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，明確目前相控陣超聲成像檢測理論和相關(guān)技術(shù)所存在的問題，為本文的研究指明方向。同時

5、，對本學位論文的研究內(nèi)容及各章節(jié)進行安排。
　　第二章，開展圓柱類部件相控陣超聲成像檢測理論基礎(chǔ)的研究。在研究圓柱坐標系下波動方程及其通解的基礎(chǔ)上，明確圓柱介質(zhì)內(nèi)聲波的傳播機理及超聲成像分辨率的影響因素，并利用空間脈沖響應聲學模型對相控陣超聲換能器的輻射聲場進行計算仿真及特性分析。同時，以疊層圓柱結(jié)構(gòu)為應用對象，研究相控陣超聲入射波束的控制方法，實現(xiàn)非均勻介質(zhì)中波束的偏轉(zhuǎn)與聚焦，為后續(xù)研究奠定必要的理論基礎(chǔ)。
　　第三章，提

6、出一種相控陣超聲波束的波束域自適應合成技術(shù)，有效改善波束自適應合成的實時性。將相控陣陣元所接收到的回波信號轉(zhuǎn)換至波束域后，在波束域內(nèi)，利用信號協(xié)方差矩陣逆的高階次冪乘逼近目標信號子空間的同時，以最小方差法獲得波束合成的權(quán)值向量，并投影到上述信號子空間上，確定出波束域最優(yōu)權(quán)值向量，從而實現(xiàn)自適應波束合成。仿真與實驗結(jié)果表明，該技術(shù)在確保相控陣超聲成像橫向與對比度分辨率的基礎(chǔ)上，能大幅減少運算量，有利于實際工程應用。
　　第四章，提出

7、一種疊層結(jié)構(gòu)相控陣超聲稀疏化反演成像技術(shù)，高效和高分辨率實現(xiàn)基于波束合成的疊層結(jié)構(gòu)相控陣超聲成像。通過脈沖響應方法建立融合聲學衍射和電子效應的相控陣超聲成像線性模型，將圖像重建問題轉(zhuǎn)化為基于缺陷稀疏化分布特性的正則化反演問題，構(gòu)造含有l(wèi)2和l1范數(shù)的優(yōu)化目標函數(shù)，并利用可分離近似稀疏重建算法得到最優(yōu)解，快速獲得高分辨率的成像結(jié)果。仿真與實驗結(jié)果表明，該技術(shù)可以明顯改善相控陣超聲成像的橫向和縱向分辨率，并具有較高的成像實時性。
　　

8、第五章，提出一種疊層結(jié)構(gòu)相控陣超聲全矩陣頻域成像技術(shù)，將基于虛擬聚焦的全矩陣成像技術(shù)推廣到疊層結(jié)構(gòu)中應用。利用傅里葉變換建立全矩陣采集方式下陣列接收信號模型的頻域表達式，采用逐層遞推策略對疊層結(jié)構(gòu)的陣列接收聲場進行頻域重建，并以同樣方法重建陣列發(fā)射聲場，使之與接收聲場在感興趣疊層深度上關(guān)聯(lián)，進而利用虛擬聚焦成像條件以實現(xiàn)成像點的虛擬聚焦，達到疊層結(jié)構(gòu)高分辨率全矩陣成像的目的。仿真與實驗結(jié)果表明，該技術(shù)能滿足疊層結(jié)構(gòu)相控陣超聲全矩陣成像的

9、應用需求，具有較高的成像分辨率和實時性。
　　第六章，開展相控陣超聲圖像處理技術(shù)的研究，實現(xiàn)缺陷定量超聲無損檢測。在對相控陣超聲圖像進行自適應小波閾值消噪、雙線性插值以及形態(tài)學開閉重建等預處理的基礎(chǔ)上，利用自動圖像分割和邊界跟蹤方法確定包含缺陷的圖像區(qū)域，并通過缺陷區(qū)域局部歸一化及圖像二次分割，獲得缺陷的形狀與尺寸，實現(xiàn)缺陷的自動化定量無損檢測。
　　第七章，根據(jù)上述各章節(jié)的相控陣超聲成像檢測理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，開展圓