基于合成孔徑的圓柱類部件在線超聲成像理論與實踐的研究.pdf

1、管材、棒材及軸類等作為在國民經(jīng)濟和國防建設相關領域具有廣泛應用的圓柱類部件，一直以來對無損檢測技術具有強烈的需求。盡管目前無損檢測方法種類眾多，但由于超聲無損檢測技術的可靠性逐步提高，并在安全性、適用性、特征參量豐富性以及與信息技術結合方便性等方面具有其他方法難以媲美的優(yōu)勢，已成為無損檢測領域應用最廣及最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g手段之一。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；约跋嚓P設備的大型化、運行高速化和使用環(huán)境極端化，圓柱類部件的種類、結構和尺寸更

2、加多樣，其用量、工作溫度和工作壓力進一步提高，在可靠性、實時性、定量化以及在線應用能力等方面對超聲無損檢測技術提出了更高的要求。為此，有必要將機電一體化與超聲無損檢測技術有機融合，在水浸環(huán)境及外掃查方式下實施對圓柱類部件在線超聲成像，發(fā)展出一種高性能的在線超聲成像檢測技術，以滿足圓柱類部件在線定量化質(zhì)量監(jiān)控的應用需求。但是，在水浸環(huán)境和外掃查方式下實施成像，面向的對象將是一種疊層圓柱結構，而聲波在這種結構中的傳播特性十分復雜，加之運動過

3、程中發(fā)射和接收信號，使得衍射效應更為明顯，如何確保圓柱類部件在線超聲成像的分辨率，在理論和技術層面上還存在諸多的挑戰(zhàn)。同時，實際應用中有平面和聚焦探頭之分，由于兩者在傳播聲程上存在明顯差異，因而現(xiàn)有針對平面探頭所發(fā)展起來的成像技術不適合聚焦探頭的應用?；谝陨媳尘?，本學位論文結合國家自然科學基金項目“基于旋轉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)，提出開展基于合成孔徑的圓柱類部件在線超聲成像理論與實

4、踐的研究。在分析無損檢測領域超聲成像相關技術研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，明確圓柱結構聲波傳播及合成孔徑成像機理的基礎上，重點開展聚焦探頭水浸檢測場合、非均勻耦合條件以及圓柱外掃查檢測方式下頻域超聲合成孔徑成像等關鍵技術的研究，實現(xiàn)了一種應用于圓柱類部件在線定量無損檢測的頻域超聲合成孔徑成像技術，賦予其高實時和高分辨率的成像能力，并研發(fā)了一套圓柱類部件在線超聲成像檢測系統(tǒng)，進行了管類部件在線質(zhì)量監(jiān)控的應用研究。具體的研究工作及創(chuàng)新點有:

5、　　第一章，闡述圓柱類部件對國民經(jīng)濟發(fā)展和現(xiàn)代國防建設的影響，以及開展圓柱類部件在線超聲成像檢測技術研究的重要意義，分析超聲成像與合成孔徑相關技術的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，明確目前合成孔徑成像理論和相關技術所存在的問題，為本文的研究指明方向。同時，對本學位論文的研究內(nèi)容及各章節(jié)進行安排。
　　第二章，開展圓柱體聲波傳播機理及合成孔徑成像理論的研究。在建立圓柱坐標系下圓柱體波動方程的基礎上，利用變分法求得圓柱體波動方程的通解，進而明確

6、圓柱體內(nèi)聲波的傳播機理，并結合探頭輻射聲場的計算，分析確定超聲成像橫向分辨率隨深度下降的主要因素。同時，以時域合成孔徑成像的基本原理為依托，研究了合成孔徑成像的頻域?qū)崿F(xiàn)方法，不僅確保高分辨率的成像能力，而且還有效提高成像的效率，為后續(xù)研究奠定必要的理論基礎。
　　第三章，提出一種聚焦探頭水浸檢測下的頻域合成孔徑成像技術。在建立相位遷移成像與時域合成孔徑成像等效關系的基礎上，通過分析聚焦與平面探頭之間在焦平面前后的聲程差異，并將這種

7、差異轉換為頻域上的相位補償，推導出聚焦探頭水浸檢測信號的相移逐層遞推公式，實現(xiàn)一種基于相位遷移的聚焦探頭水浸超聲成像技術，解決傳統(tǒng)相位遷移成像應用于聚焦探頭水浸檢測所存在的過矯正問題，有效提高成像分辨率和實時性。
　　第四章，提出一種非均勻耦合條件下的頻域合成孔徑成像技術。在確定非均勻耦合介質(zhì)均方根聲速的基礎上，通過構建非平穩(wěn)濾波器，將傳統(tǒng)方法中頻譜重采樣轉換為混合域濾波過程，發(fā)展出一種非迭代的頻域合成孔徑成像技術，解決相位遷移成

8、像技術難以在非均勻耦合條件下應用的問題，為在線成像檢測技術的應用奠定必要的技術基礎。
　　第五章，提出一種外掃查方式下的均質(zhì)圓柱體頻域合成孔徑成像技術。根據(jù)圓柱體波動方程的通解，利用傅里葉變換建立圓柱外掃查方式下檢測信號模型的頻域表達式，推導出均質(zhì)圓柱體聲場重建公式，進而利用檢測信號頻譜重建出感興趣圓柱面上的聲壓信號頻譜。同時，對該聲壓重建結果進行反傅里葉變換，并以t=0時刻的數(shù)據(jù)實現(xiàn)均質(zhì)圓柱體的超聲成像。另外，還開展仿真與實驗研

9、究，以證實本章方法的可行性和有效性。
　　第六章，提出一種外掃查方式下的疊層圓柱結構頻域合成孔徑成像技術。根據(jù)均質(zhì)圓柱體聲場重建公式，結合疊層圓柱結構界面的聲學效應影響，采用逐層遞推的策略，利用檢測信號頻譜重建感興趣圓柱面上的聲壓信號頻譜。在此基礎上，對該聲壓重建結果進行反傅里葉變換，并以t=0時刻的數(shù)據(jù)實現(xiàn)疊層圓柱結構的超聲成像。另外，還開展仿真與實驗研究，以證實本章方法的可行性和有效性。
　　第七章，在完成總體方案設計的