基于saf成像技术的棒材超声成像检测

基于saf成像技术的棒材超声成像检测

超声封闭轴聚焦成像技术是20世纪70年代开发的一种成像技术。基本原则是用点源在整个测量对象上扫描，接收每个物体上的声音散射信号，并将其存储。然后根据每个图像点的空间位置，向获得的信号引入适当的延迟或相位延迟，以同时到达输出端，重叠输出，并获得图像对象的分散成像。该技术较用回波信号直接生成图像的技术要复杂得多,但应用SAFT图像重建算法能够增强缺陷信号,提高检测的灵敏度及分辨率。由于棒材圆周曲面的曲率较大,声束发散严重,进行超声检测时会产生波形转换,形成表面变型波。尤其是粗晶粒材料的棒材(如奥氏体和钛合金),因其严重的结构噪声,使信噪比很低,以致缺陷信号受到干扰,因而对缺陷进行定位、定量和定性较为困难。目前我国对棒材的检测仍以手工A扫描为主,工作效率较低。超声扫描成像作为近年来兴起的超声检测新技术,以图像的形式直观地显示缺陷和工件的其它信息。笔者对合成孔径成像技术进行了改进,得到适用于棒材超声成像检测的SAFT成像算法,并对变形钛合金棒材进行了2D-SAFT成像,发现与B扫描结果相比,SAFT成像提高了信噪比及棒材检测的灵敏度和分辨率。1dap算法的基本原则1.1单频纵波声速ssr如图1所示,在进行二维合成孔径聚焦成像时,兼发兼收的超声探头在一直线上作等间距(Δx)扫描。超声探头的每一点发射脉冲并接收来自物体内部的各点的反射回波。设探头位于(x0,0)时发射单频纵波st(x0,t)st(x0,t)=A0exp(jωt)(1)式中A0为振幅,ω为圆频率。经P点散射,探头接收到的回波为sr(x0,t)=A0κexp[jω(t−2rc)](2)式中κ为与声程衰减、换能器指向性引起的角度衰减、介质散射等有关的系数,r为声程,c为纵波声速。合成孔径聚焦处理是对不同位置x0上获得的sr(x0,t)对应物体中各重建点位置进行相应的延时,再叠加合成为重建图像,即SAFT延时-叠加算法:f(x,z)=∑n=−NNsn(nΔx)exp(jω2r′c)(3)1.2p点回波信号在对棒材进行扫描成像时,先使探头以一定的步距在轴向移动;当探头轴向扫描完成后使棒材转动一定的角度,然后再使探头重新轴向移动扫描。如此反复,使声束覆盖整个棒材,避免漏检。其扫描的截面如图2和3。实际扫描成像时,为保证缺陷不漏检,探头移动步距应使声束重叠一部分区域,如图2阴影部分。假设图2中A,O,B为探头连续移动的三个位置,对P点进行图像重建时,应计算在A,B,O三个位置声束传播到P点的声程AP,OP,BP。设探头移动的步距为N,P点为距棒材表面x处的重建点,则:AP=BP=N2+x2−−−−−−−√(4)设棒材旋转的角度为θ,棒材的直径为R,则C,E处到P点的声程为CP=CE=(R2−x)2+(R2)2−2(R2−x)(R2)cosθ−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√(5)应用SAFT算法对棒材成像时,对P点的回波信号应将A,B,C,D,E五点处对应声程的回波信号进行叠加。设P点处的角度为α,距离棒材起点距离为i,距棒材表面深度为x,则P点处的回波信号I(α,i,x)为I(α,i,x)=I(α+θ,i,CP)+I(α−θ,i,EP)+I(α,i−N,AP)+I(α,i+N,BP)(6)式中I(α+θ,i,EP)为探头在E点处声程为EP点的回波信号,I(α-θ,i,CP)为探头在C点处声程为CP点的回波信号,I(α,i-N,AP)为探头在A点处声程为AP点的回波信号,I(α,i+N,BP)为探头在B点处声程为CP点的回波信号。从公式中可以看出,在有缺陷的地方,回波信号同相叠加,信号增强,在无缺陷的地方,回波信号的叠加是随机,其叠加值较小,即信号相对较弱。2棒式超声波扫描成像检测系统2.1棒材超声图像成像部分超声扫描成像检测系统框图由超声信号采集部分、棒材扫描运动部分、成像算法部分和系统管理软件组成(图4)。超声信号采集部分完成超声信号产生、耦合和信号接收处理等功能;棒材扫描运动部分完成棒材的轴向移动,径向旋转并同时将位置信息传送到计算机中;成像部分根据棒材的位置信息和对应的超声信号组成超声图像;系统管理软件完成成像系统的运动控制、数据采集、成像算法和图像显示部分的管理功能。2.2变形钛合金棒检测理想的超声SAFT成像要求采用点源探头,这是由于探头孔径越小,合成孔径就越大,横向分辨力也就越高。而实际上,制作小孔径的探头将以牺牲灵敏度为代价。实验以24mm直径的变形钛合金棒为检测对象。参照HB/Z36—1982《变形钛合金棒材超声波检验说明书》规定,实验用探头为水浸线聚焦探头,探头晶片直径为12mm,焦柱直径为5mm,探头频率为5MHz。钛棒试块上有四个人工缺陷,三个ϕ0.8mm的平底孔,一个ϕ0.8mm的横孔(图5)。3基于b扫描、saft的saft成像算法棒材扫描完毕后,各点的A扫描信号都保存在计算机中,通过编写软件对这些数据重建成像,为了比较SAFT成像效果,分别对这些数据进行B扫描成像和SAFT成像。下面主要分析试块缺陷处所成的图像。3.1缺陷图像重建b扫描图对超声信号直接成B扫描如图7所示,试块上有一个长为11mm的横孔,3个直径为0.8mm的平底孔,从所成的B扫描图中可以看出,图像已基本实现对试块截面重建。由于从ϕ0.8mm平底孔上反射回来的信号较弱,因此所成像不是很清晰,同样超声信号在横孔上的回波也较微弱,因此横孔所成的像也不是很清晰,直接B扫描成像对缺陷重建很模糊(图7)。3.2次界面波和一次底波的一次缺陷从图8可以看到,各点的超声信号都得到一定的增强,在有缺陷处,缺陷信号增强幅度比没有缺陷处大。所成图像可以很清晰地看到一个横孔和三个平底孔所成像。但是在所成图像更清晰的同时,平底孔直径被扩大。图像中平底孔的直径约为13mm,而实际只有0.8mm。下面分析产生这种现象的原因,实验中所用探头晶片的直径为12mm,当探头以3mm步距移动时,只要缺陷没有移出探头的孔径之外,探头收到的回波信号都是一样的。由于平底孔直径较小只有0.8mm,因此探头移动到平底孔相邻位置处时,探头也能收到回波信号,当探头直径D大于缺陷尺寸a时,所成像的尺寸近似为a+D。虽然平底孔所成的像由于探头直径较大而扩张,但其中心位置与实际平底孔的位置基本相符。由于超声信号的触发脉冲并非理想的δ(t)脉冲,而是有一定的宽度,因此一次界面波,缺陷波和底波都有一定的宽度,这造成缺陷信号将被湮没在一次界面波和一次底波位置处,这个区域为检测盲区。为了减小检测盲区,应尽量减小探头始脉冲宽度。4超声成像系统硬件提高分辨率及对缺陷进行定量是超声成像的发展趋势,由于棒材的超声信号衰减厉害,回波信号较弱造成棒材检测困难。B扫描是一种最简单的超声成像系统,然而,对于结构较复杂或较弱小的缺陷,容易造成漏检。通过棒材SAFT所成图像,缺陷图像得到增强,