[發明專利]一種曲面零件超聲相控陣全矩陣高效成像方法

在審

• 申請號: 202210696269.2
• 申請日: 2022-06-20
• 公開（公告）號: CN115112767A
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 趙朋;紀凱鵬;卓超杰;張利彬;傅建中
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N29/06
• 分類號: G01N29/06;G01N29/42;G01N29/44
• 代理公司: 杭州知閑專利代理事務所(特殊普通合伙) 33315
• 代理人: 王于敏

本發明提供一種曲面零件超聲相控陣全矩陣高效成像方法，根據聲速在每一層的水平方向上是否存在變化，進行分類外推和成像。對于均勻介質層，直接利用外推得到的該層在頻率波數域的波場進行成像；對于非均勻介質層，需要將外推得到的該層在頻率波數域的波場轉換到頻率空間域再作用一個水平方向上的補償算子，得到當前層在頻率空間域的波場，再由當前層在頻率空間域的波場進行成像。上述分類成像的方式不僅能夠保證非均勻介質層的成像結果的質量，還能夠提高整體的成像效率。另外，對于兩種情況的成像條件中均只存在疊加和傅里葉變換兩個算子，大大降低了內存需求和計算復雜度，縮短了計算時間。

技術領域

本發明屬于檢測方法技術領域，具體涉及一種曲面零件超聲相控陣全矩陣高效成像方法。

背景技術

曲面部件在制造、汽車、能源和航空航天等各個行業中都很常見。其中軸和凸輪軸是驅動系統中的核心部件。然而，復雜的制造工藝和惡劣的使用環境使部件容易出現孔洞和裂紋缺陷，極大地降低了部件的機械性能，甚至將導致意外失效和嚴重事故。因此，對曲面部件中的缺陷進行高效、準確的無損檢測(NDT)對于確保其在使用中的安全性和可靠性至關重要。超聲相控陣由于其便攜性、可靠性和高精度，在工業無損檢測中獲得了突出地位。傳統的超聲相控陣技術通過控制發射振元的時間延遲來產生相干超聲波束。然而，這種數據模態中的有限信息導致目標對象的圖像對比度低，這嚴重阻礙了其在曲面組件中的應用。全矩陣捕獲(FMC)規避了這種缺陷，它捕獲了每對發射和接收振元的完整時域信號。FMC數據集包含更多信息，并顯示出解決各種問題的巨大潛力。

柔性相控陣旨在適應曲面組件，但它們價格昂貴且處于起步階段，因此通過水浸的非接觸方式被更廣泛地采用。但是曲面界面的存在使得測量區域在水平和豎直方向都存在聲速變化，因此沉浸式方式對FMC數據集的后處理提出了更高的要求。為了克服這個問題，現存幾種適應于非均勻介質的成像方法。基于射線的全聚焦法(TFM)將光束簡化為射線，并利用費馬原理確定超聲波的射線路徑，從而估算出TFM的時延。然而，光線追蹤過程的計算復雜度隨著層數的增加呈指數增長，因此它在對多層介質成像時十分耗時。

逆時偏移(RTM)利用全波方程重構測量區域的波場，具有成像精度高、無傾角限制、可適應任意復雜速度模型等優點。Rao等人采用彈性逆時偏移(ERTM)對金屬塊中不規則形狀的凹槽進行成像。然而，ERTM是在時域中執行的，并且需要在每個時間節點進行迭代，這需要大量的計算和較長的成像時間。頻域逆時偏移(FD-RTM)可以引入超聲全矩陣成像，這種方法可以極大地提高RTM的效率，因為可以將FMC數據集的所有激勵一起外推來同時獲得每次激發的源波場和接收波場。

此外，Lukomski(PSM-based方法)將相移插值(phase-shift-plus-interpolation,PSPI)方法擴展到FMC數據，用于對不規則幾何形狀進行超聲成像。在這里，存在橫向聲速變化的聲速場根據水平方向的聲速值被分解為幾個均勻的聲速場，在這些聲速場中各自實施相移遷移(PSM)，然后疊加以獲得外推波場。基于PSM的方法在成像時間上較前兩種方法有很大優勢，但其波場重建過程和成像條件限制了計算效率。此外，當元件表面非常復雜以至于界面處的聲速難以分解時，PSPI就會失效。

發明內容

為解決現有技術中存在的問題，本發明提出了一種高效的曲面零件超聲相控陣全矩陣成像方法，該方法將FMC數據的向下波場外推方法認為是接收波場和聲源波場各自向下偏移的綜合作用。將裂步外推法(分步外推)引入接收波場和聲源波場的外推過程，以補償聲速中存在的橫向變化，能夠更加準確地得到成像區域各個深度的波場，進而得到高質量的成像結果。且該方法在計算效率上比其他方法具有明顯的優勢，成像效率高。

一種曲面零件超聲相控陣全矩陣高效成像方法，包括以下步驟：

(1)對曲面零件的成像區域進行離散化處理，在深度方向上形成多個離散層；

(2)將曲面零件的全矩陣數據通過傅里葉變換轉換到頻率波數域，得表面波場；