通过超声检测并表征非均质材料中的缺陷的方法与流程

本发明涉及对材料的无损检验，并且更确切地涉及通过超声检测并表征非均质材料中的缺陷。

背景技术：

超声通常用于实施对材料的无损检验。为此使用位于要检查的材料表面的超声换能器，超声换能器在材料中发射超声波。这些波在材料中传播，并且根据材料的结构被材料反射。换能器接收这些反射波，并且对反射波的分析允许检测材料中可能存在的缺陷。

但是，对于非均质材料，即颗粒大小为超声波在该材料中的波长数量级的多晶材料，超声波被材料结构漫射的现象成为主导现象。因此该漫射可能导致产生结构噪声，即由换能器接收的幅度不可忽视的超声信号，并且所述超声信号具有与由缺陷反射的波的特征相似的特征，因此导致损害检测材料中实际存在的缺陷的能力。

实际上，在结构噪声具有与构成有效信号的缺陷特征(signature)相似的时间或频谱特征的情况下，通过基于小波的投影或去卷积、时域或频域滤波对超声信号进行处理的传统方法被证实是无效的。

专利申请us2007/0006651a1描述了一种借助超声波进行无损检验的方法，该方法基于信号所选部分的频谱幅度与参考幅度的比较。该申请提出在不同位置进行测量的可能，并提出使这些测量结合以便获得在空间意义上的平均测量信号。但是，这种方法并不是完全令人满意的，并且信号仍受噪声损害。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种通过超声检测非均质材料中的缺陷的方法，所述方法允许减小损害所获得的数据的结构噪声的影响。

为此，提出一种通过超声检测并表征非均质材料中的缺陷的方法，所述方法包括以下步骤：

-从抵靠材料放置的超声发射换能器发射超声波；

-通过相对于所述材料的不同位置处的超声接收换能器获取多个时间信号，所述多个时间信号表示对于超声接收换能器的位置、在材料中传播的超声波随着时间而变的幅度，

所述方法包括以下步骤：

-确定表示与超声接收换能器的不同位置相对应的时间信号的空间平均功率的时间函数，表示时间信号的空间平均功率的所述时间函数为如下一般公式：

其中α、β、γ不为零，x(z,t)为时间信号，所述时间信号表示对于超声接收换能器的位置z、在材料中传播的声音随着时间而变的幅度，以及m(t)为时间的函数，

-借助所述时间函数对时间信号归一化，以获得归一化的时间信号，

-根据归一化的所述时间信号检测并表征材料的缺陷。

有利地，通过以下以单独或任一可能的技术结合的方式采用的特征来将本发明补充完整：

·m(t)＝0，或者或者m(t)＝medianz{x(z,t)}，以及

·α＝2且γ＝0.5，或者α＝1且γ＝1，以及

·或者或者β＝1，其中nz是位置的数量，nz大于2。

-选择m(t)＝0，α＝2，γ＝0.5，所述时间函数是接收换能器的不同位置的时间信号的空间标准差σ(t)，所述位置由所述位置的高度h和所述位置的角度θ定义：

-借助所述时间函数f(t)对时间信号x(z,t)的归一化对应于将所述时间信号除以所述时间函数：

-表示对于接收换能器的位置、在材料中传播的声音随着时间而变的幅度的时间信号是a型空间-时间表示，所述a型空间-时间表示代表对于接收换能器的位置、在材料中传播的声音随着时间而变的幅度；

-缺陷检测包括通过针对超声接收换能器的每个位置选择与该位置相对应的归一化的时间信号的绝对值在时间上的最大值，来确定至少一个c型空间表示的确定步骤；

-缺陷检测包括借助低通空间滤波器对所述至少一个c型空间表示进行空间滤波的空间滤波步骤；

-缺陷检测包括将比例与检测阈值进行比较的比较步骤，所述比例为两方面之间的比，一方面为由c型空间表示所采用的针对一个位置的值与c型空间表示的值的平均值之差的绝对值，以及另一方面为c型空间表示的值的标准差；

-在确定时间函数之前：

-通过针对超声接收换能器的每个位置选择与该位置相对应的时间信号的绝对值在时间上的最大值，来确定至少一个c型空间表示；

-对该c型空间表示应用预处理二维低通空间滤波器，以便获得在每个测量位置处的结构噪声的平均水平；

-将每个时间信号除以在与所述时间信号相关联的测量位置处的结构噪声的平均水平；

本发明还涉及一种计算机程序产品，包括用于当所述程序在计算机上被执行时执行根据本发明的方法的程序代码指令。

附图说明

借助下面的描述将更好地理解本发明，该描述涉及作为非限制性例子给出的优选实施例，并参照所附示意图进行说明，在附图中：

-图1a和1b示出通过探头检查管道，所述探头分别专用于检测纵向和圆周方向的缺陷；

-图2示出根据到达时间的结构噪声的标准差的变化；

-图3a、3b和3c是c型表示的例子，示出了使结构噪声的空间变异(variability)减小的预处理的不同步骤；

-图4是c型表示的例子，对应于在归一化之前，针对超声接收换能器的每个位置选择与该位置相对应的时间信号绝对值在时间上的最大值；

-图5示出在借助时间信号的空间标准差进行归一化之后的图4的c型表示。

-图6示出比例的c型表示，所述比例为一方面图5的c型表示的值与这些值的平均值之差的绝对值以及另一方面图5的c型表示的值的标准差之间的比例。

具体实施方式

出于示意性目的，本描述将在借助超声换能器对穿透核反应堆池底部的管道进行无损检验的背景下进行。通常进行对这种换能器测量结果的获取，尤其用于实施称作衍射路径时间测量的技术，该技术以英文缩写为tofd(timeofflightdiffraction)而更加熟知，可实施该相同的获取协议用于本发明。

对穿透核反应堆池底部的管道进行无损检验具有核领域特有的多个约束。一方面，该环境容易导致材料的过早老化，以及另一方面结构故障的后果使得所有缺陷都应被尽早检测到。另外，这些穿透管道的可达性被限制在管道内部，这导致需要从管道的内表面检查管道的整个厚度，因为从管道外部进行检查是难以实现的。

穿透池底部的管道一般由因科镍合金(inconel)构成，即主要以镍、铬、和铁为基础的合金，并且合金还包含铜、锰和钼，以及可能的一般较少量的其它成分。其涉及非均质材料，其结构具有与在无损检验中使用的超声波的波长差不多尺寸的颗粒。作为示例，一般在无损检验中使用的超声波频率可以在0.1至50mhz之间延伸，最常使用2-10mhz的频带。因此在该频带中，对于诸如钢或铝之类的金属，波长实际包括在3mm到0.5mm之间。要指出的是，该方法不一定限制于非均质材料，但在非均质材料中得到有利的应用。

对这种管道的检查一般借助两种类型的探头进行。一种探头适于检测纵向缺陷，该探头给出称作tofd-l的纵向信号，而另一种探头适于检测圆周缺陷，该探头给出称作tofd-c的圆周信号。两个探头例如可以按螺旋形的方式扫过管道的内表面。

图1a和1b示出通过两种类型的超声探头扫描管道10。因此图1a示出面对管道10的内壁11设置的检查管道10的tofd-l(纵向)型探头1，探头1遵循管道10的曲率。管道10具有这里为凹口形状的缺陷13。探头1的发射换能器14和接收换能器15被设置为使得彼此与管道10的纵轴线垂直定向。因此它们位于与管道10的所述纵轴线垂直的平面中。

图1b示出检查具有缺陷13的管道10的tofd-c(圆周)型探头2。tofd-c探头2被设置为面对该管道10的内壁11，探头2遵循管道10的曲率。tofd-c探头2的发射换能器24和接收换能器25被设置为使得按管道10的纵轴线对齐。它们因此位于与管道10的所述纵轴线平行的平面中。

对于这两种类型的探头，测量方法相似，将要描述的检测方法也相同。因此可以使用探头中的一种类型或另一种类型，或者使用两种类型。从抵靠材料放置的超声发射换能器14、24发射超声波。探头扫过管道，并且对于由高度h和角度θ表示的多个位置，进行超声波的发射，并通过超声接收换能器15、25接收反射信号。例如，对于测量，高度步长可以为0.5mm，转动步长可以为1.44°。

通过幅度定义如此获取的数据，所述幅度为与高度h和角度θ有关的随时间的函数。可以用z表示由高度h和角度θ定义的位置z。因此记作：

-xl(h,θ,t)或者xl(z,t)：由tofd-l探头1接收的时间信号，以及

-xc(h,θ,t)或者xc(z,t)：由tofd-l探头2接收的时间信号，

可以根据这些数据构造多种类型的表示：

-表示a或a-scan，它是针对探头位置的时间信号，其数据记作xlorc(h，θ)(t)或xlorl(z)(t)；

-表示b或b-scan，它可以是：

·对于给定高度的角度/时间二维信号：xlorc(h)(θ,t)，或者

·对于给定角度的高度/时间二维信号：xlorc(θ)(h,t)；

-表示c或c-scan，它是对应于针对探头的每个位置所测量的最大幅度(绝对值)的二维信号

或

为了更方便，并且在它们等效的条件下，下面省略涉及已经获取了所研究信号的探头的纵向或圆周方面的下标(l或c)。

优选地，在继续该方法之前，实施预处理以便减少结构噪声的空间变异，并因此改善后续处理的有效性。为此，首先通过针对超声接收换能器的每个位置选择与该位置相对应的时间信号绝对值在时间上的最大值，来确定至少一个c型空间表示，如上所述。图3a示出c型或c-scan型表示，其中垂直轴表示高度，这里以0.5mm的探头步长来表示，以及水平轴表示角度θ，这里以1.44°的角度步长来表示。在该图3a以及后续的图3b和3c中，暗色指示低值，而亮色指示高值。可以通过它们的平均水平来区分彼此相区分的至少四个区域：对应于0个和约50个角度步长之间的探头角度的第一区域31具有低的平均值(暗色)，对应于约50个角度步长和约150个角度步长之间的角度的第二区域32具有高的平均值(亮色)，对应于约150个角度步长和约200个角度步长之间的角度的第三区33具有低的平均值(暗色)，对应于约200个角度步长和约250个角度步长之间的角度的第四区34具有高平均值(亮色)。

对该c型空间表示应用预处理二维低通空间滤波器，以便获得在每个测量位置处的结构噪声的平均水平。将两个截断频率(一个针对高度h和另一个针对角度θ)选择为对应于距离的倒数，根据所述距离，结构噪声水平被认为是相对恒定的。在上面的例子中，给出了截断频率和1/50的探头步长或1/72度^-1。

图3b示出了对应于图3a的c-scan在由预处理二维低通空间滤波器滤波之后的结构噪声平均值的图像。其中看到由其平均水平彼此区分的四个区域：对应于0个和约50个角度步长之间的角度的第一区域41具有低的平均值(暗色)，对应于约50个角度步长和约150个角度步长之间的角度的第二区域42具有高的平均值(亮色)，对应于约150个角度步长和约200个角度步长之间的角度的第三区43具有低的平均值(暗色)，对应于约200个角度步长和约250个角度步长之间的角度的第四区44具有高平均值(亮色)。

因此获得在每个测量位置处的结构噪声的平均水平。然后将每个时间信号，即每个a-scan，除以在与所述时间信号相关联的测量位置处的结构噪声的平均水平。将在测量位置z处的结构噪声的平均水平记作p(z)，并重新采用上面指示的记号a-scan，因此对于如此预处理的a-scan，有：

在对a-scan中的结构噪声的空间变异进行该可能的预处理之后，随后感兴趣的是在a-scan中的结构噪声的时间变异。a型表示对应于多个时间信号，所述多个时间信号表示对于超声接收换能器15、25的位置、在材料中传播的声音随着时间而变的幅度。正是根据这些时间信号将实施缺陷检测。

在图1a和1b中表示出了超声波的不同路线。超声波由发射换能器14、24发射，并在管道10的内壁11处穿透到管道10中，然后在所述管道10的材料中传播。第一路线16、26构成超声波的短路径，超声波被缺陷13向接收换能器15、25的方向衍射。第二路线17、27构成超声波的长路径，超声波被管道10的外壁12向接收换能器15、25的方向反射。

因此，对于由接收换能器15、25接收到的超声波，不同路线是可能的，根据这些路线构造不同的测量信号(a-scan、b-scan或c-scan)。然而，超声波在材料中的路线越长，与材料颗粒的相互作用越大。这表现为结构噪声的功率随着波的路线的时间而增加，因此随波的接收时间而增加。

为了表征该现象，确定表示根据时间信号传播时间而变的所述时间信号的空间平均功率的时间函数，所述时间信号与抵靠材料的接收换能器的不同位置相对应。空间平均功率表示在空间中的平均值，即根据量(在该例子中，给定时间t的瞬时功率)的z或(h,θ)。时间函数表示该空间平均功率，这就是说，该时间函数可以直接或间接与空间平均功率相关，并且因此可以基于不与该空间平均功率对应但是与该空间平均功率相关的量，诸如空间标准差之类。在所有情况下，对每个时刻t，在考虑由时间信号在该时刻t在所述空间上所采用的值的情况下，该时间函数涉及在所述空间上的和。

要指出的是，实际上所述功率是空间平均值，而不是测量信号。因此，涉及的时间函数是取决于时间的信号，它在时刻t取表示时间信号在时刻t时的平均功率的值，所述时间信号对应于超声接收换能器的不同位置。

该时间函数的一般公式为：

其中α、β和γ不为零，x(z,t)为时间信号，所述时间信号表示对于超声接收换能器的位置z(由高度和角度定义)、在材料中传播的声音随着时间而变的幅度，t为超声波的路线或传播时间，以及m(t)为时间的函数。

可以选择：

·m(t)＝0，或者即信号x在空间上的平均值，或者m(t)＝medianz{x(z,t)}，以及

·优选地，α＝2且γ＝0.5，这对应于标准差，α＝1且γ＝1，这对应于平均绝对偏差，以及

·优选地，或者或者β＝1，

其中nz是所考虑的位置的数量，大于2；

因此，在m(t)＝0，α＝2，γ＝0.5，的情况下，时间函数是接收换能器的不同位置的时间信号的空间标准差σ(t)，所述位置由其高度h和其角度θ定义：

优选地，接收换能器的不同位置(根据接收换能器的所述不同位置确定时间函数)对应于被研究的材料的部分，而不是其全部。因此对材料的这些部分的每个部分确定时间函数。这样处理的材料的部分可以是并列的，如在通过块处理的情况下那样，但是优选地，材料的部分相互覆盖，并且每个部分以在测量位置为中心，使得对于每个测量位置存在根据围绕材料上的所述位置的区域来确定的时间函数。

所考虑的材料部分的范围取决于结构噪声的空间变异，并且因此取决于所测量信号的功率的空间变异。以示例的方式，围绕所述位置的区域可以在高度上延伸100个测量点(或位置)，以及在角度上延伸100个测量点。在高度测量步长为0.5mm以及角度步长为1.44度的情况下，因此获得在高度上延伸50mm、在宽度上延伸150度的材料部分。

图2a和2b示出对于在管道10表面处的位置，针对探头l(图2a)和探头c(图2b)的根据到达时间的时间信号的空间标准差。由于管道10只包括很少的缺陷，标准差的时间变化主要是由于结构噪声。观察到，至少在开始时，标准差随着信号的到达时间而增加，并且因此随着超声波的发射与超声波被探头接收之间的时间而增加，影响结构噪声的功率。

实际上，如上面解释的，对于超声波路线的较短时间，几乎不可能存在衍射路径。相反，对于较长的路线时间，对于超声波可以存在相对应的多个不同的衍射路径。接收到的总信号是经衍射的超声波的和，接收到的功率将针对较长的路线时间，并且这不管每个衍射的更大衰减。但是，在最长的路线时间上观察信号衰减，并且因此其离差由标准差来表示，如所示出的，图2a和2b的曲线最后稍微降低。

然后表示时间信号的空间平均功率的时间函数被用于对时间信号进行归一化。更确切地说，将时间信号的幅度x(z,y)除以所述时间函数f(t):

因此，当所使用的时间函数为标准差σ(t)时，可以对a-scan信号进行归一化，a-scan信号是针对探头位置的时间信号，在省略指示由探头寻找的缺陷的类型的下标l或c的情况下，a-scan信号的数据被记作x(h,θ)(t)。

归一化允许增加由于材料的可能的缺陷导致的有效信号与结构噪声之间的对比度。因此可以根据这些归一化的a-scan来构造归一化的b-scan。还可以根据这些归一化的a-scan来构造归一化的c-scan，这是通过针对超声接收换能器的每个位置选择与该位置相对应的归一化时间信号在时间上的最大值来实现的：

或

因此，获得借助表示时间信号的空间平均功率的时间函数(在该示例中为标准差)从时间信号的归一化推导出的信号。

图4、5示出在c型表示即c-scan的例子上的归一化的实施，c型表示对应于针对超声接收换能器的每个位置，在与该位置相对应的时间信号绝对值中选择在时间上的最大值。如前所述，垂直轴表示高度，这里以0.5mm的探头步长表示，以及水平轴表示角度，这里以1.44°的角度步长表示。在该图4及在图5中，暗色指示低值，而亮色指示高值。

因此图4是c-scan在该归一化之前的例子。观察到，通过它们的颜色可以看到似乎是随机的值的分布。相反，在示出图4的c型表示借助与图2a和2b类似形式的时间信号的空间标准差被归一化之后的图5中，观察到，由比周围区域更高的值来彼此区分的两个组51和52在c-scan中心处被突出显示。因此使与这两个组相对应的两个缺陷的存在被突出显示。

还剩下通过在所推导的信号中检测缺陷特征(signature)来检测并表征缺陷。在这方面，优选地借助诸如c-scan之类的二维空间信号而不是时间信号或诸如b-scan之类的空间-时间信号来进行缺陷的检测及表征。实际上，无论缺陷的轮廓如何，例如缺陷涉及矩形或半椭圆形凹口，缺陷在c-scan上的投影是直线段，对于纵向凹口所述直线段是垂直的，或者对于圆周凹口所述直线段是水平的，亦或者是二者的结合(例如，在管道中同时为圆周地以及纵向地沿对角线延伸的裂缝的情况)。因此，使用二维空间的c型空间表示使得能够独立于要检测的缺陷轮廓。

诸如凹口之类的缺陷可延伸几十毫米。因此c-scan在该特征处的点彼此是互相关的(intercorrelated)，即它们在缺陷处的多个相邻空间位置上具有相关性。相反，在c-scan中没有缺陷特征只有噪声的情况下，c-scan在任何一点的周围具有更弱的相关性。因此，可以通过在c-scan上沿凹口出现的角度和/或高度的空间持续性(persistence)来识别每个凹口。

另外c型或l型探头tofd的配置也会导致空间持续性。实际上，只要缺陷位于发射换能器14、24和接收换能器14、25之间(见图1a和1b)，所接收的超声信号就被缺陷影响。因此，可以在c-scan上在缺陷附近的多个位置(高度、角度)上观察到缺陷的持续性。

因此利用该空间相关性来削弱空间相关性较差的噪声以凸显表示缺陷的有效信号。因此，通过对c-scan应用低通空间滤波器，来在从归一化推导出的信号上实施利用该空间相关性的空间滤波，以便对所述信号进行空间滤波。低通空间滤波器被设计用于允许衰减结构噪声的变异同时保留了缺陷的特征水平，所述结构噪声的变异由其幅度分布的空间标准差表征。

滤波器被称作是空间的，因为它不涉及时间考虑，c-scan是纯空间信号，没有时间变量。空间滤波可以是应用于角度分量θ上的一维滤波器，即对于每个高度h，对归一化信号y(h)^norm(θ)进行滤波，并且/或者应用于高度分量h上，即对于每个高度h，对归一化信号y(θ)^norm(h)进行滤波。

可以根据寻求检测的缺陷的最小尺寸δlmin来将低通空间滤波器的空间截断频率选择为该最小尺寸δlmin的倒数。因此，为了检测至少10mm的缺陷，因此将空间截断频率选择为小于100m^-1。空间滤波器一般为butterworth滤波器。

空间滤波器还可以是应用在c-scan图像上的二维低通空间滤波器。可以根据所寻找的缺陷的最小尺寸来选择二维频率响应，对于一维空间滤波器也是一样。

这样滤波的c-scan允许获得缺陷检测图。实际上，特征尤其通过与周围不同的幅度体现在c-scan上，这允许检测缺陷，还可对缺陷定位。实际上，c-scan是空间表示，并且每个点通过其高度和其角度定位。

简单的检测方法在于使用给定的阈值：c-scan的一组相邻点任何超过阈值表示存在缺陷。

稍经完善的检测方法不是基于由c-scan直接采用的值y^filtred(z)值，而是基于比例与检测阈值的比较，所述比例为两方面之间的比，一方面为由c型空间表示所采用的针对一个位置的值与c型空间表示的值的平均值之差的绝对值，以及另一方面为c型空间表示的值的标准差。使用前述表示，因此有：

其中，y^filtred(z)为在位置z处采用的可能经滤波的c-scan的值，average为c-scan的空间平均值，以及γ为c-scan的值的标准差。检测阈值例如可以是3。

该方法允许以更清楚的方式凸显缺陷。出于示意目的，图6示出了该计算的实施，由于简化表示的原因，没有实施如前所述的空间滤波步骤。因此图6表示对应于一方面图5的c型表示的值与这些值的平均值之差的绝对值和另一方面图5的c型表示的值的标准差之间的比例的c-scan。从中看到两组较高的值51和52，但是与围绕它们的区域相对地被突出显示，这两个组具有比围绕它们的区域高3至4倍的值。因此容易对缺陷定位。

一旦在高度和角度上对缺陷进行了定位，在对应于已定位的缺陷位置的归一化的a-scan上，幅度的尖峰位置允许确定缺陷的深度。

所描述的方法一般通过设有处理器和存储器的计算机实施。为此，提出了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于当所述程序在计算机上被执行时执行根据本发明的方法的程序代码指令。

本发明不限于所描述的和附图中表示的实施方式。可以进行修改，尤其是关于各种元件的构成，或者通过等效技术替代，但是这些修改和替代都不超出本发明的保护范围。