基于線性陣列聚焦-時間反轉(zhuǎn)的鋼板Lamb波檢測成像方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明屬于超聲波無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于線性陣列聚焦-時間反轉(zhuǎn)的鋼板Lamb波檢測成像方法。

背景技術(shù)：
超聲相控陣聚焦偏轉(zhuǎn)理論表明，只要按照一定的規(guī)則激發(fā)一組由相對獨立的壓電晶片組成的超聲相控陣傳感器陣列，就能使各個陣元發(fā)射的波束出現(xiàn)疊加、偏轉(zhuǎn)等效果，實現(xiàn)聲波在任意一點的聚焦；因而超聲相控陣聚焦偏轉(zhuǎn)法可以使聲能在一定區(qū)域內(nèi)聚集，抑制聲波在傳播過程中的衰減。圖1為超聲波聚焦示意圖，將一組探頭按照兩端先激發(fā)，中間后激發(fā)的時間順序激勵出一組超聲波，則各個探頭激勵出的超聲波在向前傳播的過程中會出現(xiàn)疊加的情況，使得波陣面越來越小，能量越來越集中，最終聚焦于一點，即實現(xiàn)了超聲波的聚焦。圖2為超聲波偏轉(zhuǎn)示意圖，將一組探頭按照左端先激發(fā)，右端后激發(fā)的時間順序激勵出一組超聲波，則各個探頭激勵出的超聲波在向前傳播的過程中會出現(xiàn)疊加的情況，使得波陣面越來越小，能量越來越集中，且波陣面會向一定的方向偏轉(zhuǎn)，最終聚焦于一點，即實現(xiàn)了超聲波的偏轉(zhuǎn)聚焦。時間反轉(zhuǎn)聲學(xué)理論表明，缺陷在聲波傳播過程中類似一個新的被動波源對傳感器激勵的初始聲波進行反射，同時產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)換模態(tài)，通過對傳感器接收到的回波信號進行時間反轉(zhuǎn)處理，并將處理后的信號作為新的波源加載到模型中發(fā)射，即可實現(xiàn)聲波在缺陷處的自聚焦。簡單來說，即用一組超聲波探頭同時激勵出一組超聲波，根據(jù)惠更斯原理，當(dāng)超聲波探頭作為主動的超聲波波源發(fā)射的超聲波到達平板內(nèi)缺陷時，缺陷可以視為一個被動的超聲波波源向外發(fā)射超聲波，這是我們可以假想存在有一臺攝像機，記錄下缺陷發(fā)射的超聲波達到各個超聲波探頭的過程，這個過程稱為帶有缺陷信息的超聲波信號被超聲波探頭接收的過程。然后我們將記錄下的影像倒過來放映，即從片尾向片頭放映，這時我們可以看到一組超聲波信號從探頭發(fā)射出來并在缺陷處聚焦的過程，且先接收到超聲波的探頭會后激勵出超聲波，后接收到超聲波的探頭會先激勵出超聲波，即所謂信號的先到后發(fā)和后到先發(fā)，這個過程稱為超聲波在缺陷處自聚焦的過程。而將影像倒過來放映的過程即為對探頭接收到的回波信號進行時間反轉(zhuǎn)處理的過程。圖3為時間反轉(zhuǎn)的示意圖，圖中實線表示從超聲波探頭作為主動波源發(fā)出的超聲波到達缺陷的過程，這組聲波是同時激勵的；圖中虛線表示缺陷作為被動波源發(fā)射的超聲波回波信號被超聲波探頭接收的過程；圖中點劃線表示對超聲波回波信號(虛線表示)進行時間反轉(zhuǎn)后重新加載到超聲波探頭中進行發(fā)射，在缺陷處自聚焦的過程。由于超聲波在傳播過程中衰減較快，因此目前比較成熟的缺陷時間反轉(zhuǎn)成像技術(shù)多采用如圖3所示的環(huán)繞工件式傳感器陣列布設(shè)方式；但這種傳感器布設(shè)方式存在以下局限：(1)布置的傳感器數(shù)量較多，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜；(2)由于傳感器陣列環(huán)繞工件布置，因此限制了檢測工件的尺寸，不適合大型工件的檢測。目前，比較成熟的平板缺陷時間反轉(zhuǎn)成像技術(shù)多采用環(huán)繞工件式傳感器陣列布設(shè)方式。這種傳感器陣列布設(shè)方式只能具有一定厚度且缺陷顯著的結(jié)構(gòu)件中進行檢測，對大型構(gòu)件的檢測只能通過一系列的掃描實現(xiàn)，因而無法實現(xiàn)對大型板件的高效快速檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，將超聲相控陣聚焦偏轉(zhuǎn)法對聲波衰減的抑制特性和時間反轉(zhuǎn)法在缺陷處的自聚焦特性結(jié)合起來，提出了基于線性陣列聚焦-時間反轉(zhuǎn)的鋼板Lamb波檢測成像方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于線性陣列聚焦-時間反轉(zhuǎn)的鋼板Lamb波檢測成像方法，按照一定的規(guī)則激發(fā)一組超聲相控陣傳感器陣列，實現(xiàn)聲波在大面積板材中任意一點的聚焦；對包含缺陷信息的回波信號進行時間反轉(zhuǎn)處理，并將處理后的信號作為新的波源加載到模型中發(fā)射，實現(xiàn)聲波在缺陷處的二次聚焦；建立在缺陷二次聚焦時刻的幅值聚焦圖，對大面積板材缺陷進行成像。超聲相控陣聚焦偏轉(zhuǎn)理論表明，只要按照一定的規(guī)則激發(fā)一組由相對獨立的壓電晶片組成的超聲相控陣傳感器陣列，就能使各個陣元發(fā)射的波束出現(xiàn)疊加、偏轉(zhuǎn)等效果，實現(xiàn)聲波在任意一點的聚焦。因而超聲相控陣聚焦偏轉(zhuǎn)法可以使聲能在一定區(qū)域內(nèi)聚集，抑制聲波在傳播過程中的衰減。時間反轉(zhuǎn)聲學(xué)理論表明，缺陷在聲波傳播過程中類似一個新的被動波源(惠更斯原理)對傳感器激勵的初始聲波進行反射，同時產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)換模態(tài)，通過對傳感器接收到的回波信號進行時間反轉(zhuǎn)處理，并將處理后的信號作為新的波源加載到模型中發(fā)射，即可實現(xiàn)聲波在缺陷處的自聚焦。本發(fā)明方法是線性陣列聚焦-時間反轉(zhuǎn)(LinearArrayFocusingTimeReversal，簡寫為LAFTR)超聲檢測成像方法，采用線性陣列聚焦探頭作為超聲波激勵-接收聲源，結(jié)合時間反轉(zhuǎn)技術(shù)實現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)缺陷的精確成像。表二的數(shù)據(jù)表明，與采用陣列式傳感器直接進行時反成像所得到的結(jié)果相比，基于線性陣列聚焦-時間反轉(zhuǎn)的鋼板Lamb波檢測成像方法的成像效果較好，其位置精度提高了30％～50％，幾何精度提高了26％～130％。依據(jù)圖4所示相控陣聚焦偏轉(zhuǎn)理論，按照一定規(guī)則激發(fā)一組由相對獨立的壓電晶片組成的超聲相控陣傳感器陣列，能使發(fā)射波束出現(xiàn)疊加、偏轉(zhuǎn)等效果，實現(xiàn)聲波在任意一點的聚焦，從而增強聲波在聚焦區(qū)域內(nèi)的能量。所述超聲相控陣傳感器陣列為線性陣列換能器，有N+1個陣元，若聲束在深度為F，偏轉(zhuǎn)角為θ的位置完成聚焦偏轉(zhuǎn)，則傳感器i所需的聚焦延遲時間ti為：其中，d為陣元間距，為聲速，θ為偏轉(zhuǎn)角度。利用上述公式即可實現(xiàn)對檢測對象內(nèi)任意一點P(x,y)的聚焦，傳感器陣元0、傳感器陣元N和聚焦點P(x,y)構(gòu)成了一個三角形，所述三角形所圍區(qū)域視為有效檢測區(qū)。若想實現(xiàn)對大面積板材的完全檢測，只需適當(dāng)選取多個聚焦點進行聚焦即可。如果超聲波陣列的功率足夠大，聚焦點P可以選擇距離超聲波陣列無限遠處，因此本方法理論上可以實現(xiàn)對無限大面積板材的快速檢測。如果有效檢測區(qū)內(nèi)存在缺陷，由于各個傳感器與缺陷的距離不同，因而從激勵超聲波到接收包含缺陷信息的回波信號所需的時間也不相同。時間反轉(zhuǎn)是指傳感器在接受到回波信號后，對其進行時間反轉(zhuǎn)處理，隨后將其作為新的波源加載到模型中發(fā)射，實現(xiàn)信號的先到后發(fā)，后到先發(fā)。時間反轉(zhuǎn)聲學(xué)理論表明，缺陷在聲波傳播過程中類似一個新的被動波源對傳感器激勵的初始聲波進行反射，同時產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)換模態(tài)，通過對傳感器接收到的回波信號進行時間反轉(zhuǎn)處理，并將處理后的信號作為新的波源加載到模型中發(fā)射，即可實現(xiàn)聲波在缺陷處的自聚焦。采用上述技術(shù)方案的大面積板材缺陷成像識別方法的具體步驟包括：步驟1：將待掃描區(qū)域進行離散化，通過聚焦陣列探頭分時沿不同角度發(fā)射超聲波，每個探頭發(fā)射超聲波的時刻為Am,i，其下標(biāo)代表第m個掃描區(qū)域內(nèi)的第i個探頭；步驟2：設(shè)定報警缺陷閾值，提取陣列探頭接收到缺陷反射回波的時刻Bm,i，計算反轉(zhuǎn)延遲時間ΔTm,i，截取時間窗長度Lm,i；步驟3：將截取時間窗長度Lm,i內(nèi)的信號進行時間反轉(zhuǎn)得到時反信號fm,i，并重新加載至第i個探頭，則在缺陷處實現(xiàn)二次聚焦時刻Fm,i；步驟4：建立在二次聚焦Fm,i時刻的幅值聚焦圖K，K圖上的每一個像素點對應(yīng)于模型上的每個結(jié)構(gòu)單元；步驟5：將掃描區(qū)域劃分為h×g的網(wǎng)格，將網(wǎng)格中心點回波幅值Km,p近似為整個網(wǎng)格的回波幅值，建立二維像素矩陣PP∝(Km,p)h×g其中圖像像素值最大處即為缺陷。進一步地，所述步驟2中反轉(zhuǎn)延遲時間ΔTm,i的計算公式為：時間窗長度Lm,i的計算公式為：Lm,i＝Bm,i+ΔTm,N-i。進一步地，所述步驟3中在缺陷處實現(xiàn)二次聚焦時刻Fm,i的計算公式為：Fm,i＝Lm,i-(Am,i+Bm,i)/2。進一步地，所述步驟4中對于每個結(jié)構(gòu)單元，任意圖像單元P(xp,yp)在Fm,i時刻的回波幅值可表示為：其中，Ns為采樣信號的個數(shù)，Ai為補償?shù)趇個傳感器性能差異及監(jiān)測信號能量衰減的放大系數(shù)，放大系數(shù)取歸一化系數(shù)；v為聲速；xi、yi為第i個傳感器的坐標(biāo)。進一步地，超聲相控陣傳感器陣列由相對獨立的壓電晶片組成，在主動Lamb波時反成像過程中，先將一組壓電傳感器元件組成壓電陣列，在激勵時采用全發(fā)全收的模式。進一步地，超聲相控陣傳感器沿大面積板材的一邊布設(shè)。進一步地，傳感器的檢測探頭為壓電探頭或EMAT探頭。進一步地，傳感器陣列還可采用弧形探頭布設(shè)方式、面積型探頭布設(shè)方式。本發(fā)明的有益效果是：將超聲相控陣聚焦偏轉(zhuǎn)法對聲波衰減的抑制特性和時間反轉(zhuǎn)法在缺陷處的自聚焦特性結(jié)合起來，提出了基于超聲相控陣聚焦偏轉(zhuǎn)理論和時間反轉(zhuǎn)聲學(xué)理論的大面積板材材缺陷成像識別方法，突破傳統(tǒng)時間反轉(zhuǎn)缺陷成像技術(shù)無法對大面積板材進行快速檢測的局限。附圖說明圖1是超聲相控陣聚焦示意圖。圖2是超聲波偏轉(zhuǎn)示意圖。圖3是時間反轉(zhuǎn)的示意圖。圖4是本發(fā)明大面積板材缺陷成像識別方法原理圖。圖5是聚焦延遲時間與時反聚焦時刻示意圖。圖6是單通孔LAFTR檢測模型圖7是仿真結(jié)果圖。圖8是損傷散射信號圖。圖9是時反信號波形圖。圖10是時反成像結(jié)果圖。圖11是雙刻槽LAFTR檢測模型。圖12(a)采用陣列式傳感器直接進行時反成像得到的成像效果。圖12(b)基于線性陣列聚焦-時間反轉(zhuǎn)的鋼板Lamb波檢測成像方法的成像效果。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。實施例1、實施例2通過COMSOL有限元仿真軟件說明LAFTR超聲檢測的建模方法以及線性陣列聚焦對時反檢測成像的影響。實施例1單通孔LAFTR檢測模型圖6是單通孔LAFTR檢測模型，鋼板邊長300mm，由于采用Lamb波檢測模型，忽略板厚尺寸并建立二維平面模型，材料為45號鋼，其屬性如表1所示。板內(nèi)正中心設(shè)有一個直徑為的通孔作為待檢測缺陷，以缺陷中心作為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，陣列式傳感器布置在鋼板一側(cè)，陣元個數(shù)為16陣元，陣元中心位于(0，150)處，陣元間距為1/4個波長，并采用全發(fā)全收模式。表1鋼板幾何尺寸及材料屬性參數(shù)采用瞬時脈沖函數(shù)作為激勵波源，其表達式為：式中：f為中心脈沖頻率；N為激勵脈沖波形中的波數(shù)。設(shè)置瞬態(tài)求解時間為：6.5×10-5s，求解步長為：1/f/30，線圈電流幅值為10A。通過計算求解，仿真結(jié)果如圖7所示，可以看出：(1)聲束的波陣面在水平方向上長度變短，證實利用相控陣的聚焦偏轉(zhuǎn)技術(shù)可以有效地提高超聲波束在傳播方向上的能量進而加大聲束在傳播方向上的檢測距離，從而滿足大型金屬板材的檢測需求；(2)由于采用了相控陣的聚焦技術(shù)，在波陣面方向上的旁瓣被抑制，主波束變窄，可以提高缺陷的分辨率；結(jié)合相控陣偏轉(zhuǎn)技術(shù)，從而實現(xiàn)對檢測對象的多角度全方位檢測，最終達到擴大檢測范圍的目的。時反處理分析：為了突出缺陷信號在時反波形中的幅值并易于聚焦，從而使得最終時反成像效果明顯且易于識別缺陷，采用差分方式對檢測信號做處理，也即是將傳感器在缺陷模型上所接收到的信號與其在結(jié)構(gòu)健康模型上接收到的信號相減，就可以得到缺陷散射信號，如圖8所示。對各個傳感器接收到的波形進行缺陷信號截取，同時在時間窗口內(nèi)對其進行時反就可以得到其時反信號，如圖9所示。將時反后的信號重新加載至各個傳感器，以時反信號的開始時刻為零時刻點，從而實現(xiàn)在缺陷處的二次聚焦。檢測成像效果分析：缺陷成像結(jié)果如圖10所示，可以看出，鋼板中心通孔缺陷可以清晰成像，檢測結(jié)果顯示是中心坐標(biāo)為(1,2)，直徑為的通孔。實施例2雙刻槽LAFTR檢測模型為進一步研究采用線性陣列聚焦偏轉(zhuǎn)技術(shù)下的時反成像效果的優(yōu)越性，選用復(fù)雜缺陷進行驗證。以模型中心作為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，缺陷設(shè)置為長、寬分別為5mm和1mm的兩條相鄰刻槽，其中心坐標(biāo)分別為(-10,0)，(10,0)，如圖11所示。模型其余參數(shù)保持不變；圖12(a)是采用陣列式傳感器直接進行時反成像并做閾值處理后的成像效果圖，圖中僅顯示超過閾值的像素或像素值，閾值大小根據(jù)實驗采用經(jīng)驗值；圖12(b)是采用陣列式傳感器分別沿-30°、0和30°三個方向做聚焦偏轉(zhuǎn)并分別進行時反成像，然后將成像結(jié)果圖像做平均疊加并做閾值處理后的成像效果圖，圖中僅顯示超過閾值的像素或像素值，閾值大小根據(jù)實驗采用經(jīng)驗值。為進行對比，將兩種方法的檢測結(jié)果羅列在表2中，其中以成像結(jié)果圖中幅值最高點坐標(biāo)作為各個缺陷的成像坐標(biāo)，以缺陷超過閾值的像素個數(shù)作為成像大小。表2陣列與聚焦偏轉(zhuǎn)時反成像結(jié)果誤差(單位：mm)數(shù)據(jù)表明，與采用陣列式傳感器直接進行時反成像所得到的結(jié)果相比，基于線性陣列聚焦-時間反轉(zhuǎn)的鋼板Lamb波檢測成像方法的成像效果較好，其位置精度提高了30％～50％，幾何精度提高了26％～130％。一種LAFTR超聲檢測成像方法應(yīng)用于Lamb波在大型板材上的檢測，借助COMSOL有限元仿真軟件對這一技術(shù)進行驗證，有益的效果如下：(1)將時間反轉(zhuǎn)技術(shù)應(yīng)用于Lamb波檢測，能夠很好的避免頻散、多模式等不利因數(shù)，實現(xiàn)對缺陷的二次聚焦，其聚焦幅值高，效果好，圖像清晰且缺陷易于識別。(2)陣列式傳感器的布置方法相較于其他布置方法在保證對缺陷的辨識效果以及最后的成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上，同時能夠大大減少傳感器的應(yīng)用數(shù)量，降低檢測成本，更適用于大型板材的檢測。(3)基于此方法建立的幅值聚焦圖像能夠較為準(zhǔn)確地檢測出板中缺陷，其對缺陷的位置、大小的成像結(jié)果更加真實，可為缺陷的定位、定性、定量提供有力的技術(shù)支持。