（计算机科学与技术专业论文）超声扫描成象与分析透明件超声检测系统的开发.pdf

a b s t r a c t a m o n g t h en u m e r o u sn d t m e t h o d s ，u l t r a s o n i ci m a g i n gi sab e wt e c h n i q u e ， a n dd e v e l o p sq u i c k l yw i t ht h ea p p l i c a t i o no f c o m p u t e rt e c h n i q u e c o m b i n e dw i t h s p e c i f i ci t e m s ，t h eu l t r a s o n i ci m a g i n ga n da n a l y s i st e c h n i q u e ，w h i c ht a k e sc o m p u t e r t e c h n i q u ea sc o r e ，i sd i s c u s s e df o r mt h r e er e s p e c t si nt h ef i s r tp a r to ft h i sr e p o r t 1 1 1 e ya l eu l t r a s o n i ci m a g i n g , u l t r a s o n i ci m a g ep r o c e s s i n ga n du l 缸 a s o n i ci m a g e a n a l y s i s i nt h eu l t r a s o n i c i m a g i n gs u b p a r t bs c a na n dcs c a na r ed e f i n e 4n 把 c o n s t r u c t i o no fu l l x a s o n i cs c a ni m a g i n gs y s t e mi ss h o w n ，a n dt h ee m p h a s i si sp a i d o nt h et h r e ek i n d so fs c a n n e r t b ep s e u d oc o l o r i m a g i n g , d a t aa n di m a g es t o r i n gi n t h ei m a g i n g p r o d u c ea r ed i s c u s s e d , a n dw a v e l e tt r a n s f o r mi su s e d t or e l n o v en o i s y a n d r e i m a g e 1 1 1 er e a l - t i m ea n d f a l s ei m a g ep r o b l e m sa l ea l s od i s c u s s e d n l eu l t r a s o n i ci m a g e p r o c e s s i n g d e a l sw i t hh o wt om a k et h eu l t r a s o n i ci m a g e m o r eu n d c r s t a n d a b i c 1 1 1 ew o r ki o c l u d c g e o m e t r yi r a n s f o r m s t h eq u a s i 3 d i m a g i n g , t h ec o m b i n a t i o no f c s c a nw i t ht h ep i x e lv a l u e ，as c a n o rb s c a n , w h i c h e v e nl e ta s e rr e v i s eu l t r a s o n i ci m a g e 1 1 1 eu l t r a s o n i ci m a g e a n a l y s i si sa nw h o l ep r o d u c e ai m a g ef i l t e lw h i c hw i 也 l e s so rn of l a we d g ei n f o r m a t i o nl o s t , i su s e d 1 1 1 es o b e lo p e r a t o r , k i r s ho p e r a t o r a n dh i g hp a s sf i l t e ra r eu s e dt or e i n f o r c et h ef l a we d g e s t h et w o - v a l u ew a ya n d h a l f - g r a yw a ya r eu s e dt o c h e c kt h eb a c k g r o u n d0 u tf r o mu l t r a s o n i ci m a g e u l t r a s o n i ci m a g ea r cs e g m e n t e da n ds i g n e db yt h eu n c o n f i n u l t yo ff l a w e d g e t h e g e o m e t r i c a lf e a t u r e sa n da c o u s t i c a lf e a t u r e so fm a t e r i a la n df l a w sa e x t r a c t e d f o r mu l t r a s o m ci m a g e 。a n dt h em e t h o do ff l a w p a t t e r nr e c o g n i t i o ni si m p l e m e n t e d c o n c l u s i o n sa r es h o w na tt h el a s to f t h i sp a r t y ，t h e yr l e ： 1 t h ew h o l e s y s t e m ，i m a g i n g ，p r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ，i sai n t e g r a t i o no f s e r i a l t e c h n i q u e s ，s u c ha sn d t c o m p u t e r , d i g i ti m a g ep r o c e s sa n d n u m e r i c a lc o m a 0 1 2 u l t r a s o n i ci m a g i n g , p r o c e s s i n ga n da n a l y s i sa l et h r e ei n d e p e n d e n c el i n k s a b i gs y s t e mw i t i ic o m p l e t ef u n c t i o n sc a l lb em a d e f r o ma l lt h et h r e el i n k s a n di tc a l l b ed i s m a n t l ei n t os m a l ls y s t e m s w h i c hw i t hr e s p c c l j v ei n d e p e n d e n tu s e s 3 n 圮u l t r a s o n i ci m a g i n g p r o c e s s i n ga n d a n a l y s i sc a n tb ea w a y f r o mh u m a n s p a r t i c i p a t i o n i nt h es e c o n dp a r to ft h i sr e p o r t ，t h eu l t r a s o n i ct e s t i n gs y s t e mf o rc a n o p yi s i n t r o d u c e d b yt h i ss y s t e m ，t h ef l a w si nc a n o p y , s u c h a su n b i n d ，b u b b l e ，c r a c ki n b o d yo ro ns u r f a c e ，c a nb ed e t e c t , a n dt h ee d g el o c a t i o na l s oc a l l b eg e t t h e d e t e c t i n gp r i n c i p l e ，a l g o r i t h m ，a n dt h ec o n s t r u c to f t h es y s t e r aa r ep r e s e n t 超声扫描成象与分析 第一章绪论 现代工业尤其是航空航天的发展，对无损检测技术提出了新的要求。 方面，在缺陷检出的同时，要求确定缺陷的分布状况、取向及位置等，即缺 陷定性定量分析，最终对材料的内部特性参数和结构状况作出评价。另一方 面，对检测系统的自动化程序和检测结果的可靠性要求也越来越高。 由于传统的超声检测方法不能象射线照相那样提供直观的缺陷图象，为 检测结果的分析评定带来很多不便。为了克服常规超声检测结果缺乏直观性， 再现性差和可记录性差的缺点，人们一直在探索和研究超声成象法。 在众多的无损检测方法中，超声成象技术是一种令人瞩目的新技术。超 声成象亦称声成象，或者更严格地说是在超声频段的声成象。由于声波可以 穿透很多不透光的物体，故利用声波可以获得这些物体内部结构声学特性的 信息，而通过声成象可以将这些信息变成入眼可见的图象。物体或材料的超 声图象可提供直观和大量的关于材料内部的组织结构、缺陷的分布状况等信 息，直接反映物体的声学和力学性能，作为材料评价的依据。 声成象的研究最早可以追溯到1 9 2 0 年，提出过很多方案，进行大量试验， 但绝大多数方案因检测灵敏度、分辨率不够理想，或设备庞大、价格昂贵、 使用条件苛刻，难以推广和使用，研究进展较慢。现在由于电子技术、计算 机技术的发展，声成象技术才又恢复了生机。 声成象有多种分类方法，根据参与成象的声波性质的不同，超声成象分 为脉冲声波成象和连续声波成象：根据接收回波的不同方式分为反射波成象 和透射波成象；根据是接收到的信号直接获取相应图象，还是要经过较为复 杂的重建过程，分为直接成象与重建成象；根据成象的发展过程，又可分为 传统成象和扫描成象。 传统成象是早期形成的声成象方法，由光学透镜成象方法直接引伸而来。 用声源“照明”物体，物体的散射声信号经聚焦声透镜在象平面形成物体的 声象，用适当的记录介质将此声象转换为光学分布或电信号分布，便可获得 可见图象。传统声成象方法灵敏度，信嗓比都较低，不易采用信息处理技术， 改进图象质壤的潜力不大，实际使用很少。 一 望苎塑塑堕墨墨坌堑 扫描成象与传统成象不同，其成象过程为利用换能器或接收超声波并宣 接对被成象的物体作扫描，将声象或声目标逐点转换成电信号。当在声成象 中应用计算机技术时，将这些电信号通过模数转换为数字图象信号，再利用 各种现代信号处理技术和声学理论来组织和处理这些信号。最后逐点构造出 物体的声学象并显示。 以计算机为核心的超声成象即数字式超声成象，是现在超声成象的主流。 在以下的篇幅中，如不特别指明，超声成象即数字式超声成象。计算机技术 盼应用使得扫描得到的声学象由离散的有限的单元构成，即象素或象元组成， 其成象过程主要包括数据采集和图象重构。其中数据采集包括声束扫描和超 声信号采集。在实现超声声束扫描上，已有较多的研究，开发了多种机械扫 描装置 1 、手持扫描器阱。成象方法的研究大多在工业上较为实用并得 到广泛应用的b 、c 扫描成象上，而超声显微、a o l k 成象、p 扫描成象、声全 息、声c t 或因技术和设备要求，或因检测对象的限制，研究有限“q 1 1 , ”】。 在超声数字扫描成象中，超声探伤数据的采集和声象的显示只是完成了 类似传统的模拟c 扫描技术已完成的那一部分。重要的，并且引入注目的是 这些数据的后处理，通过对声象的分析处理，人们可以得到更多超声检测信 息中所具有的内涵，克服设备或人体器官的不足，从而对检测对象有更深入 细致的认识。目前超声图象处理研究还集中于成象进程中的图象处理，对于 成象后的处理研究不多。 超声图象后处理应该包括两个方面。一个方面是改善并丰富超声图象的 显示方法，加强人机交互。已进行这方面的工作工作有中国科学院声学所“、 北方交通大学、西安交通大学机械系“”。 由于检测系统各种因素的影响，由各种超声成象方法直接得到的超声图 象还不能完全满足对缺陷进行进一步分析识别的要求，因此超声图象后处理 的另一方面是应用计算机图象处理技术，包括图象预处理、分割、特征提取、 分类识剐等一系歹l j 过程。在无损检测的领域，己对射线图象和红外图象进行 了图象处理，如过滤、增强、分割等8 1 ，但对图象进行识别的研究很少。 本文将结合已完成的国防科工委项目“超声彩色成象与分析系统”讨论 超声扫描成象技术，尤其是以对工业超声中最常用的b 扫描成象和c 扫描成象 为分析目标探讨声扫描成象技术。 “超声彩色成象与分析系统”将超声波无损检测技术与传感、信息处理 和计算机技术结合在一起，对航空进行完成超卢扫描成象，提供a 型探伤信 超声扫描成象与分析 号显示，b 型和c 型伪彩色成象：通过对所得到的声象的处理和分析，为确定 存在于被测试件中的缺陷、尺寸、形状和分布提供辅助手段。 图1 1 为“超声彩色成象与分析系统”对一碳纤维试件进行c 扫描的结果。 检测采用水浸法穿透式，聚焦探头的中心频率为2 5 姗z ，焦距为6 0 r ，直径 1 2 m m ，扫描步长为l 姗。声图象清晰地显示出预埋在试件中的六个圆型金属片。 图1 1 碳纤维试件中的超声c 扫描检测结果 “超声彩色成象与分析系统”的主要构成部分是： 1 、超声检测设备，包括超声波探伤仪和超声波换能器等。 2 、九自由度超声波扫奁装置，用于移动超声波探头( 换能器) ，实现对 试件不同部位的扫查动作。包括机械扫查装置( 即机械执行系统) 和机械运 动传感与控制系统。 3 、分析处理部分。完成系统控制与传感，如高速h f f l ) 的控制并获取超声 波探伤信号，扫查装置的控制和及其信息的输入。进行超声波信号处理与分 析，如时域分析、频域分析等。结合扫查信息和超声波探伤信息进行超声波 成象，并对所成的超声波图象进行处理与分析。这是该系统的最终研究目标， 也是其技术创新之处。 本工作报告的上篇部分，结合已完成的该项目，以超声成象与分析为对 象，按超声扫描成象与分析技术的三个大环节：声成象、声象处理、声象分 析分章讨论。 在第二章中，文章在给出超声扫描成象的定义后，分析超声扫攒成蒙系 统的构成，着重对声束扫描的三种实现方式进行了比较分析。介绍了在超声 扫描过程中如何运用伪彩色技术显示成象结果；如何实现信号数据和图象数 据的保存。该章还引入小波分析用于信号的去噪和提取成象特征。超声检测 探伤技术本身存在着局限性，该章的最后一节讨论在超声扫描成象中的几个 超声扫描成象与分析 问题，如实时性。尤其是由于超声波的传播和超声检测设备的特性，在超声 扫描成象时，会产生假象，文章对产生假象的原因进行了分析。 在第三、四章中给出对于所得到的声图象如何进行后处理。通过对声象 的处理和分析，人们可以得到超声检测信息中所具有的内涵，克服设备或人 体器官的不足，从而对检测对象有深入细致的认识。 第三章讨论如何改善声象显示，如整体及局部的缩放、准三维成象、声 象的c + v 、c + a 和c + b 的组合显示。其中组合显示使用户了解声象中某个局部及 其成象的原始信息，并提供成象点修改接口。准三维成象使得用户对试件及 缺陷有一个空间状态的了解。第三章中的声象处理以不改变原始声象的成象 值为原则，目的是提供一个超声扫描成象检测成象或分析处理结果的可视化 界面，以达到更好的人机交互。 由于检测系统各种因素的影响，由各种超声成象方法直接得到的材辩超 声图象还不能完全满足对缺陷进行进一步分析及识别的要求，在第四章给出 如何在超声扫描成象中应用计算机图象处理技术，进行声象识别。其内容按 声象识别的过程分为预处理、分割、提取特征、分类和识别。 第五章是总结了前三章，并给出声成象、声象处理和声象分析之间关系。 同时指出超声成象与分析服务与人，又离不开人的参与。 本工作报告的下篇部分介绍计算机辅助航空透明件超声检测系统 ( l i t s c ) 的开发情况。航空透明件包括飞机上的风档、舱盖等构件。在加 工和使用中受到温度、压力波动的影响，容易对透明件造成擦伤、疲劳、裂 纹及表面层变质等损伤，这些缺陷的存在直接影响飞行的安全。对于航空透 明件的无损检测。国外已进行了光学检测法和超声检测法的研究，而国内尚 很少展开这方面的工作。应国防科工委型号工程工程项目“航空透明件超声 检测技术与系统”的要求，开发的计算机辅助飞机透明件超声检测系统 ( u t s c ) ，可以检测飞机透明件中的脱粘及分层、气泡及夹杂、体裂纹、表 厩裂纹等缺陷以及端缘位置等结构参数。其检测原理、算法和系统构成将在 本报告的下篇给出。 博士后期间的工作还包括国家教委博士点基金项目“计算机泛视觉理论 及其在自动化制造过程中的应用”的内容。 超声扫描成象与分拆 由于目前计算机视觉研究中存在的问题，以及将计算机视觉技术推广到 工业自动化领域所面临的困难，该项目提出的一种与现众多的计算机视觉理 论并行的，以强调工程领域应用为特色的新理论。在博士论文工作中，已初 步建立起计算机泛视觉的基本理论与体系。博士后期间除了继续对计算机泛 视觉理论进行了完善，对计算机泛视觉系统中的人机信息融合以及多传感信 息融合技术进行了研究，参见发表论文。 有关计算机泛视觉理论及其应用的研究，所在研究方向已作出了相应的 研究与应用系列安排。由于该部分研究内容是博士期间工作的继续，而且已 以发表论文的方式给出，在此博士后工作报告中不再赘述。 超声扫描成摹与分析 第二章超声扫描成象 2 1 超声扫描成象 2 1 1b 扫描成象与c 扫描成象 常规超声探伤仪通常采用a 型显示，即脉冲回波显示。在示波器荧光屏 上，横坐标代表超声传播时间，纵坐标代表回波高度郾超声振幅。对同一均 匀介质，由于传播时闻与缺陷深度成正比故由回波位置可以确定缺陷深度。 然而a 型显示中的波形仅是探头所在探伤面上那一点的探伤结果，整个探伤 面的检查结果是在最后靠探伤人员的记忆来完成。因此缺乏直观性，也不便 于记录和存档。 b 扫描显示的是与声束传播方向相平行且与样品的测量表面垂直的剖面 的图象。如图2 1 ，声柬沿z 方向传播，探头沿x 方向扫描，声束依次“照射” 物体不同的区域，并接收声柬所达区域内物体的散射声信号。也即利用超声 检测的基本原理，获取样品平行于声束截面内的全部信息形成二维图象的方 法，与c 扫描相比，超声b 扫描的成象速度快，效率高。 ( a ) 声束扫描( b ) 屏幕图象显示 图21b 型扫描成象原理示意图 c 扫描成象是利用超声探伤原理提取垂直于声束指定截面的回波信息而 形成二维图象的信息，如图2 2 。与b 型成象不同的是，c 型成象中，探头不 仅要沿x 方向扫描，而且还要沿y 方向扫描，即是一个面扫描，而不足一个线 扫描。 超声扫描成摹与分析 第二章超声扫描成象 2 1 超声扫描成象 2 1 1b 扫描成象与c 扫描成象 常规超声探伤仪通常采用a 型显示，即脉冲回波显示。在示波器荧光屏 上，横坐标代表超声传播时间，纵坐标代表回波高度郾超声振幅。对同一均 匀介质，由于传播时闻与缺陷深度成正比故由回波位置可以确定缺陷深度。 然而a 型显示中的波形仅是探头所在探伤面上那一点的探伤结果，整个探伤 面的检查结果是在最后靠探伤人员的记忆来完成。因此缺乏直观性，也不便 于记录和存档。 b 扫描显示的是与声束传播方向相平行且与样品的测量表面垂直的剖面 的图象。如图2 1 ，声柬沿z 方向传播，探头沿x 方向扫描，声束依次“照射” 物体不同的区域，并接收声柬所达区域内物体的散射声信号。也即利用超声 检测的基本原理，获取样品平行于声束截面内的全部信息形成二维图象的方 法，与c 扫描相比，超声b 扫描的成象速度快，效率高。 ( a ) 声束扫描( b ) 屏幕图象显示 图21b 型扫描成象原理示意图 c 扫描成象是利用超声探伤原理提取垂直于声束指定截面的回波信息而 形成二维图象的信息，如图2 2 。与b 型成象不同的是，c 型成象中，探头不 仅要沿x 方向扫描，而且还要沿y 方向扫描，即是一个面扫描，而不足一个线 扫描。 超声扫描成每与分析 c 扫描本身不显示缺陷的深度。对于c 扫描过程中的数据( 如振幅) 进 行彩色编码，用多种颜色显示不同的数据值( 振幅) ，可使用线性或对数标度 来选择彩色，从而产生彩色c 扫描图象。 ( a ) 声束扫描( b ) 屏幕图象显示 图2 2c 型扫描成象原理示意匿 单层c 扫描成象是在一次的扫描成象中仅获取单层截面而形成c 扫描图象 的方法，对应的则有多断层c 扫描图象的方式。 超声b 、c 扫描成象设备简单，操作容易，已成为最普及的两种超声成 象方法。 2 1 2 其它超声扫描成象 2 1 2 1 超声显微 超声显微是利用物体声学特性的差异来显示其细微结构的技术，由产生 或接收声波的不同手段形成了不同种类的声学显微镜，其中较重要的有机械 扫描声显微镜( s a m ) 和激光扫描声显微镜( s l a m ) 。 s a m 的工作原理与c 扫描相似，接收与发射聚焦探头构成共焦系统， 声束焦斑直径接近于声波长。样品置于焦平面上并作栅格式机械扫描。s a m 可分为透射式和反射式，后者应用较广。一般来说，s a m 的视场较小，在毫 米级或更小，s a m 用于精细材料、集成电路、晶粒间界的观测，也用于材料 表面、亚表面力学性能的测量。为提高分辩率，s a m 的工作频率一般较高， 可达3 0 0 0 日忆，工作频率为11 0 0 m h z 时，可对线宽仅几个微米，间隔l 微 米，厚度1 5 微米的大规模集成电路的布线清晰地成象。1 1 8 1 降低工作频率可 增加检测深度，工作频率为几 m h z 时，检测深度可达几个毫米。 超声扫描成每与分析 c 扫描本身不显示缺陷的深度。对于c 扫描过程中的数据( 如振幅) 进 行彩色编码，用多种颜色显示不同的数据值( 振幅) ，可使用线性或对数标度 来选择彩色，从而产生彩色c 扫描图象。 ( a ) 声束扫描( b ) 屏幕图象显示 图2 2c 型扫描成象原理示意匿 单层c 扫描成象是在一次的扫描成象中仅获取单层截面而形成c 扫描图象 的方法，对应的则有多断层c 扫描图象的方式。 超声b 、c 扫描成象设备简单，操作容易，已成为最普及的两种超声成 象方法。 2 1 2 其它超声扫描成象 2 1 2 1 超声显微 超声显微是利用物体声学特性的差异来显示其细微结构的技术，由产生 或接收声波的不同手段形成了不同种类的声学显微镜，其中较重要的有机械 扫描声显微镜( s a m ) 和激光扫描声显微镜( s l a m ) 。 s a m 的工作原理与c 扫描相似，接收与发射聚焦探头构成共焦系统， 声束焦斑直径接近于声波长。样品置于焦平面上并作栅格式机械扫描。s a m 可分为透射式和反射式，后者应用较广。一般来说，s a m 的视场较小，在毫 米级或更小，s a m 用于精细材料、集成电路、晶粒间界的观测，也用于材料 表面、亚表面力学性能的测量。为提高分辩率，s a m 的工作频率一般较高， 可达3 0 0 0 日忆，工作频率为11 0 0 m h z 时，可对线宽仅几个微米，间隔l 微 米，厚度1 5 微米的大规模集成电路的布线清晰地成象。1 1 8 1 降低工作频率可 增加检测深度，工作频率为几 m h z 时，检测深度可达几个毫米。 超声扫描成象与分析 j 激光扫描器2 一光电接收器3 刀口4 - 样品5 缺陷6 照明声柬 图2 3 激光扫描检测表面振动原理 s l a m 的工作原理见图2 3 ，一般以声波透射方式工作。平面声波从下 表面照射样品，使样品上表面产生微小折皱，这些折皱使聚焦在样品上表面 的激光束的反射方向改变，用刀口一光电管系统解调可测得偏角大小。使聚 焦激光束沿样品表面高速扫描，即对样品成象。s l a m 的工作频率一般在 1 0 0 5 0 0 m h z ，检测灵敏度和分辩能力低于s a m ，但其成象速度快，可达s a m 的3 0 0 倍。因此s u 5 l m 可实现实时成象，而s a m 则不能。 2 1 2 2p 扫描显示 p 扫描是投影成象扫描的简称，是专为检测焊缝而开发的1 1 8 l ，其工作原 理参见图2 4 。两个斜探头位于焊缝两侧并按事先规划好的方式扫查，扫查手 动或自动。测得的声波送入p 扫描处理器，它以声线理论为基础进行计算， 并将计算结果以两个投影图的方式显示，一个是俯视图，投影面平行于表面， 另一个是侧视图，投影面平行于焊缝，且垂直于表面。由两张视图及零件图 可大致估计焊缝中缺陷的形状和空间位置。使用不同的显示阚值，相当于不 同的检测灵敏度，会得到差别很大的显示图象。确定正确的显示阈值通常要 凭经验的积累。 h 图24p 扫描原理图 超声扫描成霉与分析 2 1 1 2 3a l o k 超声j 成象 a l o k 是德文振幅一传播时间一位置曲线的缩写，其成象基本原理见图 25 。在采集数据时不加时间闸门，测量系统记下探头在各测量点得到的回波 串中所有的正峰时值及其出现的时间。a l o k 允许3 2 个探头同时在线收集 数据。成象和数据分析事后进行。根据几何声学的原理，回波的传播时间k 在重构空间中确定了圆心在测量点p ；，半径r 。= t ，d ，v 的一条圆弧( v 为试件的 声速) ，许多圆弧的交点就是重构出的缺陷的象点。回波振幅用来对重建图象 作修正，振幅修正后可提高信噪比约2 0 d b 。由上述原理已发展出许多复杂 的重建算法。 由于裂缝型缺陷的表面以镜面反射为主，a l o k 对裂缝的平直缺陷的重 建存在着困难。 ( a ) 采样m 重构空间 图2 5a l o k 成象的基本原理 2 1 2 4 声全息和声c t 早期的模仿光全息的声全息所产生的重建象，有严重的深度畸变。目前 研究较活跃的有扫描声全息、多频全息的计算机辅助重建方法，它们不再使 用参考声波，而是利用空间傅氏逆变换来重建声函数。近场声全息是全息研 究的另一种，可达到小于工作波长的分辩率，适于检测的重建算法的低频表 面振动。 超声c t 需要全方位的投影信息，这在无损检测实践中很难做到。目前， 在有限角度内投影的c t 及新的重建算法的研究已取得较大的进展 还有许多声成象技术，如超声相机、超声扫描声全息、相控成象、电子 线路空间滤波成象等，这里不再一一列举。 超声 描成驾l 与分析 2 2 超声成象系统构成 2 2 1 超声成象系统构成 在早期的b 型成象中，将a 型显示波形输入示波管的控制栅，对水平扫 描线进行亮度调制，荧屏上探伤移动线与时基线组成直角坐标。以亮点或暗 点显示缺陷。 同样在早期c 型扫描成象中，闸门电路输出的闸门波同接收电路输出的 发射波、缺陷波和底波一起加到与门电路上，但只有当闸门波存在时，与门 电路才有输出，调整延时和闸门量，使发射波和底波均不通过与门电路，只 有缺陷波才得以通过，这样当探头移到缺陷上部时，在荧屏的相应位置上即 可同时显现缺陷图象点。 现代成象大多都与计算机技术、信号和图象处理技术结构起来，因而有 着相似的工作过程，即数据采集和图象重建。对于超声扫描成象还包括声束 的扫描“照射”，故数据采集涉及扫描机构、超声探头、模拟激励及接收电路、 a d 转换、数据存储等方面：而图象重建涉及信号提取或数字滤波( 硬件或软 件) 、重建算法( 软件) 、图象显示( 硬件与软件) 、综合评价( 软件) 、硬拷贝 输出( 硬件) 等方面。超声成象系统的系统构成如图2 6 。 圈2 6 超声成象系统构成示意图 超声成象系统在计算机控制下，利用高速信号采集器获得超声信号传播 时间和幅度的信息。同时利用声束( 或探头) 定位系统取得对应时刻声束( 探 头) 位置：通过计算机分析处理得到缺陷的位置坐标；最后把缺陷信息( 坐标 和幅度1 显示在屏幕并做记录。移动声束( 探头) 对缺陷部位逐点扫查便可得 到完整的缺陷图象。 在超声扫描成象中，计算机将通过高速采样器从探伤系统( 由探伤仪、探 头和耦合剂构成) 采集探伤信号。对高速采样器有如下要求。 1 0 超声 描成驾l 与分析 2 2 超声成象系统构成 2 2 1 超声成象系统构成 在早期的b 型成象中，将a 型显示波形输入示波管的控制栅，对水平扫 描线进行亮度调制，荧屏上探伤移动线与时基线组成直角坐标。以亮点或暗 点显示缺陷。 同样在早期c 型扫描成象中，闸门电路输出的闸门波同接收电路输出的 发射波、缺陷波和底波一起加到与门电路上，但只有当闸门波存在时，与门 电路才有输出，调整延时和闸门量，使发射波和底波均不通过与门电路，只 有缺陷波才得以通过，这样当探头移到缺陷上部时，在荧屏的相应位置上即 可同时显现缺陷图象点。 现代成象大多都与计算机技术、信号和图象处理技术结构起来，因而有 着相似的工作过程，即数据采集和图象重建。对于超声扫描成象还包括声束 的扫描“照射”，故数据采集涉及扫描机构、超声探头、模拟激励及接收电路、 a d 转换、数据存储等方面：而图象重建涉及信号提取或数字滤波( 硬件或软 件) 、重建算法( 软件) 、图象显示( 硬件与软件) 、综合评价( 软件) 、硬拷贝 输出( 硬件) 等方面。超声成象系统的系统构成如图2 6 。 圈2 6 超声成象系统构成示意图 超声成象系统在计算机控制下，利用高速信号采集器获得超声信号传播 时间和幅度的信息。同时利用声束( 或探头) 定位系统取得对应时刻声束( 探 头) 位置：通过计算机分析处理得到缺陷的位置坐标；最后把缺陷信息( 坐标 和幅度1 显示在屏幕并做记录。移动声束( 探头) 对缺陷部位逐点扫查便可得 到完整的缺陷图象。 在超声扫描成象中，计算机将通过高速采样器从探伤系统( 由探伤仪、探 头和耦合剂构成) 采集探伤信号。对高速采样器有如下要求。 1 0 超声扫描成象与分析 1 、高速采样器的工作包括模数转换、采样时钟、采样触发、数据存储和 总线控制。 2 、高速采集嚣在探伤仪同步信号触发下开始工作，采集到的信号时间按 序列记录。序号正比于传播时间，序号内的数据正比于幅度。 3 、早期的c 扫描采用阈值报警和电敏记录，相当于只有l b i t 的a d 分 辩率。现代c 扫描常采用8 b i t 以上的a d 转换。 4 、高速采样器的采样频率决定于超声探头发射信号，必须满足采样定理。 5 、由于超声检测中超声频率一般在m h z 数量级上，故选用的高速采样 器应带有数据缓存区。 6 、为了保证扫描成象的实时性，采样器与计算机之间的采样数据传送采 用直接存储器存取( d m a ) 方式，使得计算机内存储器与高速采样器数据缓存区 之间不通过c p u 进行大批量数据传送。 在“超声彩色成象与分析系统”中采用了2 0 m h z 采样频率，带6 4 k 数 据缓存的支持d m a 传送方式的8 位高速采样器。 由计算机对声束扫描装置( 或电路) 进行控制，当扫描装置采用闭环控制方 式，或使用手持式扫描器，则在采集超声探伤信息的同时，计算机从扫描装 置( 或电路) 中获取对应于当前采样点的位置信息。 通过分析软件将所采得的探伤信号进行分析、成象和处理。 2 2 2 声束扫描实现 在b 、c 扫描成象的过程中，声柬需作一维、二维或更多维的扫描，声束 扫描实现方法有多种。 ( 一) 探头阵列电子扫描 探头阵列电子扫描方法是利用具有电子开关的多元探头，在排除机械移 动的情况下实现超声声柬的扫描。多元探头可由1 2 8 或2 5 6 个压电体组成，它 们被分别转接到发射放大器和接收前置放大器上，通过程序控制发射一系列 控制脉冲，即可实现电子扫描。一般这类装镬具有扫描、偏转、聚焦和信号 加权等多功能。探头阵列有面阵和线阵，通常线阵应用较多。为r 扩火扫描 超声扫描成象与分析 1 、高速采样器的工作包括模数转换、采样时钟、采样触发、数据存储和 总线控制。 2 、高速采集嚣在探伤仪同步信号触发下开始工作，采集到的信号时间按 序列记录。序号正比于传播时间，序号内的数据正比于幅度。 3 、早期的c 扫描采用阈值报警和电敏记录，相当于只有l b i t 的a d 分 辩率。现代c 扫描常采用8 b i t 以上的a d 转换。 4 、高速采样器的采样频率决定于超声探头发射信号，必须满足采样定理。 5 、由于超声检测中超声频率一般在m h z 数量级上，故选用的高速采样 器应带有数据缓存区。 6 、为了保证扫描成象的实时性，采样器与计算机之间的采样数据传送采 用直接存储器存取( d m a ) 方式，使得计算机内存储器与高速采样器数据缓存区 之间不通过c p u 进行大批量数据传送。 在“超声彩色成象与分析系统”中采用了2 0 m h z 采样频率，带6 4 k 数 据缓存的支持d m a 传送方式的8 位高速采样器。 由计算机对声束扫描装置( 或电路) 进行控制，当扫描装置采用闭环控制方 式，或使用手持式扫描器，则在采集超声探伤信息的同时，计算机从扫描装 置( 或电路) 中获取对应于当前采样点的位置信息。 通过分析软件将所采得的探伤信号进行分析、成象和处理。 2 2 2 声束扫描实现 在b 、c 扫描成象的过程中，声柬需作一维、二维或更多维的扫描，声束 扫描实现方法有多种。 ( 一) 探头阵列电子扫描 探头阵列电子扫描方法是利用具有电子开关的多元探头，在排除机械移 动的情况下实现超声声柬的扫描。多元探头可由1 2 8 或2 5 6 个压电体组成，它 们被分别转接到发射放大器和接收前置放大器上，通过程序控制发射一系列 控制脉冲，即可实现电子扫描。一般这类装镬具有扫描、偏转、聚焦和信号 加权等多功能。探头阵列有面阵和线阵，通常线阵应用较多。为r 扩火扫描 超声扫描成象与分昕 范围，有时也将线阵法与机械法相结合，提高扫描速度。 ( 二) 机械扫描 由于探头阵列电子扫描法在排除机械移动的情况下，扫描范围受到探头 阵列大小或压电体数目的限制，对于较大工件进行扫描是困难的，一般应用 在医学上。目前在工业上应用较多的是机械扫描法，机械扫描法通常采用水 浸法或喷水探头扫描法，对于要求精度和灵敏度较高的成象超声检测，通常 采用水浸扫描法。 机械扫描中扫描系统能带动探头多个方向的移动，并能调节声束的入射 角度。探头的扫描过程应能手动和电机驱动，或由计算机进行自动控制。 对于普通类似于板材或长方体的工件，常用弓形扫描轨迹，通过x - y f 图 2 7 ( a ) ) 或y - x ( 图2 7 ( b ) ) 扫描实现。但对于圆柱体或圆筒式工件，以及棒材或 管材类工件，x y 或y - x 则不够理想，可在水槽安装转台或水平旋转器。 转台为装卡圆柱、圆盘和圆筒类工件而设计的，转台上三爪卡盘，可以带动 工件绕着自身的对称轴旋转，支杆带动探头上下移动，从而完成r - z ( 图2 7 ( c ) ) 模式扫描。水平旋转器适用于棒材和管材类工件，将工件水平夹持在水槽中， 工件旋转时，旋转轴与水槽底部平行，通过r - x ( 图2 7 ( d ) ) 模式完成扫描动作。 广j ，占 ，j 器y f 唧 ( a ) x - y f b ) y - x 南酥 ：i 囤 b ( c ) r - z 图2 7 ( d ) r - x 扫描模式 我们在“超声彩色成象与分析系统”中研制的大型九自由度扫描装置， 为r 实现穿透法和反射法工作式。安装两个探头，每一个探头五个自由度， 分别为x 、y 、z 、u 、0 ，备自l 妇度定义如图2 8 。 超声扫描成象与分析 图2 8 九自由度扫描装置各自由度定义 其中x 方向两个探头共用，总运行长度为1 2 0 0 r a m 。 y ，和y 2 方向运行范围不重叠，即y 。和y 1 两方向的运行长度和为 9 0 0 r m r t 。 z 。和z ：运行区域可重叠，即z 。和z ：两方向的运行长度各为8 0 0 m m 。 对于弓形扫描轨迹的情况，该九自由度扫描装置可实现的扫描自由度组 合见表2 1 ，自由度组合格式为a b c 。 试件形状探伤方式自由度组合 x y l ，x z l ，z t y l f平板 反射式 x y 2 ，x z 2 ，z 2 一y 2 穿透式 x z 乙 x y t - - ( z i + i ) ，x y 2 - ( z 2 + q2 ) y i x 一( z l + qi ) ，y 2 一x 一( z 2 + d2 ) i 小曲率板反射式 z l x 一( y l + 01 ) ，z 2 一x 一( y 2 + 02 ) z l y l 一( x + e1 ) ，z 2 - - y 2 - ( x + o2 ) 穿透式 x f z 。一( y 1 a1 ) 】 z 2 一( y 2 十o2 月 表21 九自由度扫描装置运行自由度组合 a 为主扫查方向。主扫套方向可以采用连续运行的方式，也可以采用步 进的方式。对于小曲率板，主扫查方向沿小曲率板的母线方向运行。 b 为次扫查方向。采用步进的方式。 c 为调整运行自由度。在小曲率板的扫查中为了保证声耦合距离，及声 柬沿试件当前点的法线方向入射，要求调整运行自由度进行棚应的调整运行， 每次调整运行最由小曲率板的几何参数和当前所在的点决定。 超声扫描成象与分析 在进行穿透式时检测时，主扫查运行方向为x ，两探头分别作次扫查运 行和调整运行。 由于成象结果是以二维的形式给出，以主扫查方l 甸和次扫套方式表征当 前采样点。 ( 三) 手动扫描 手动扫描成象是通过手动扫描器实现的，它把手动操作与数据采集、存 贮、处理和图象的绘制结合起来，成为一种携带式的成象检测装置。它可灵 活地应用于检测大型平面、曲面或不规则形面的局部区域，例如检查机翼、 机身、压力容器和重要结构件等。此类手动扫描器与探伤仪相结合，可以实 现b 扫描、c 扫描，并能绘制综合图象。已有的商品化手动扫描器如德国k k 公司的a n d s c a n 手控超声c 扫描装置，美国p a c 公司的p a c - p h s 2 型携 带式手动扫描器等。 图2 9 手动扫描器原理图 一般手动扫描器工作原理如图2 9 所示。在x y z 三维空间中，坐标原点 o 为固定基座，作为参考点，扫查臂o a = a b = l ，o a b 始终处于一个平面内， 并可沿o z 轴旋转，转角为y ( o 9 0 。) ， a 、o 二点均有轴，可在平面内改变 张角，分别为q ( 0 - 9 0 。) 和0 ( 0 - 9 0 。) ，则探头所在位置b 可由下式得到。 x = l ( s i n c t + s i n t 3 ) c o sy y = l ( s i n c l + s mb ) s i ny z = l ( c o s 旺n e ：o s b ) 因此通过c i 、b 、y 三个角度传感器可以获得扫描探头的位簧坐标。 ( 2 1 ) i 二述机械结构的手持扫描器虽然技术成熟，易于实现，但精度低，a 不 超声扫描成象与分析 适合对某些复杂形状结构件的定位。在 2 9 中提出了超声脉冲三维络定位与 步进电机二维x y 微扫描相结合的复合定位技术方案。定位时，先由超声 脉冲三维定位法定出网格位置一网格参考点，然后由步进电机带动探头以小 步跃在网格内作弓字形轨迹扫捕。以二维微扫描替带小范围定位，不仅解决 了光电定位中定位球打滑的问题，保证良好祸合条件，而且大大降低操作人 员的劳动强度。二维x y 微扫描是通过对步进电机进行控制实现的，具体 实现参见参考文献 2 4 1 。 电子扫描中多元探头各传感单元相对独立，通过控制对不同传感单元进 行开关控制。而机械式扫描和手动式中传感器仅具有单个或若干个( 不足以 构成完整的二维阵列) 传感单元构成，阵列信息的获取需通过传感器的机械 移动或手动实现扫描运动。对应地有两种扫描阵列合成和阵列协调方案如图 2 1 0 所示。其中图2 1 0 ( a 忡的n 和m 分别对应阵列的行和列。后一方案相对 于前者具有特点： i 、无须解决多个传感单元的一致性闯题。 2 、可以在扫描过程中更易于灵活地设定扫描轨迹、扫查自由度组合、扫 描分辨率、扫描步距、和扫描范围，可用于多种多类的工件。这使得渐进的 多分辨率的传感成象得以进行。 3 、来自扫描系统的信息，如坐标值等可以作为辅助信息加以利用。 4 、系统复杂，控制要求高。 ( n ) 电子扫描法 ( b ) 机城扫描或手动扫描法 图2l o 阵列合成和阵列m 调方式 超声扫描成象与分析 在医学上通常采用电子扫描的方法，而在工业应用中，常采用机械扫描 法，对于型面复杂或外场应用场合中，则采用手持扫描器。 2 3 超声成象过程 2 3 1 超声成象数学原理 在数字超声成象中，由高速采样器对超声波检测信号进行采集，a 型探 伤信号f o ( t ) 经采样后离散为联z ) 。z 对应于采样数据序列中的序号，用于表征 超声信号在试件中的传播时间。 对采集到的原始a 型超声信号( z ) 无疑要进行去噪，信号去噪有多种方 法，在2 4 中我们针对超声探伤信号的奇异性给出了如何运用小波分析进行 超声信号去噪。 、 设由高速采样得到去噪后的a 型探伤信号为f 【z ) ，对于扫描过程中的一 个采样点( ) 【，y ) ，得到的采样数据则可用f ( x ，y ，z ) 表示。 二维超声图象可用矩阵直k y 0 表示。对于b 型成象，由b 型成象的定义 可知，对于某剖面y = y 0 ，有 g ( x 。