基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法及介质

本发明涉及无损检测领域，尤其是涉及一种基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法及介质。

背景技术：

1、超声相控阵成像检测技术因其检测灵敏度与方法灵活性，被广泛应用于航空航天、铁路、汽车、船舶、石油、化工、电力等领域。其中，快速可靠地检测和确定裂缝的尺寸非常重要，但目前的常规超声相控阵检测技术无法检测裂纹产生的非线性声散射。近年来，许多用于检测非线性散射的非线性超声技术被提出，但大部分研究都集中在获取结构的单个非线性参数，不能真正显示出整体非线性与裂纹尺寸的相关性；而且大部分研究不能够直接生成非线性图像结果，检测结果需专业人员进行分析评价，导致检测效率较低。结合非线性超声与超声相控阵技术形成的高灵敏度可视化超声检测方法，能够对构件进行更有效的检测与评价，为其安全服役提供有效参考，具有广阔的应用前景。

2、部分专利公开了一些针对非线性超声相控阵成像的研究工作。专利申请cn108535362a公开了一种非经典非线性超声相控阵无损检测方法，该方法中提出对回波信号进行滤波处理的方法，提取出高次谐波进行时间反转成像，但高次谐波信号微弱较难提取，故该方法需要与高能超声激励系统搭配使用，并对阵列换能器的带宽有较为严格的要求，不适用于大部分常规超声相控阵检测系统。专利申请cn105004792a公开了一种用于微裂纹检测的非线性超声相控阵成像方法，该方法通过采集顺序聚焦和并行聚焦方式下的检测信号，并计算两种方法的相对能量差进行非线性超声相控阵成像，但该方法需要逐个阵元进行信号采集和复杂的信号处理，导致检测效率较低，且该方法的实现需要以在构件内形成有效扩散场为前提，而实际工业检测中尺寸较大或由吸声材料制造的构件难以形成扩散场，这导致该方法的应用范围受到局限。索邦大学发表于ndt&e的论文《ultrasonicimaging of nonlinear scatterers buried in a medium》(埋于介质中的非线性散射体的超声成像)采用了相似的全阵元、奇数序号阵元和偶数序号阵元激励方式，但该研究仅在时域信号进行简单的作差处理来提高成像结果对比度，并没有讨论其在非线性声学层面的作用机理，不具备针对非线性目标的检测能力。该领域目前仍缺少一种适用于多数常规超声相控阵系统，并具有较大实际应用范围的非线性超声相控阵成像检测方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种的精确成像的基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法及介质。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法，包括以下步骤：

4、获取对被测金属结构件中的各聚焦点进行三次信号采集的结果，其中第一次采集结果为经过相控阵阵列换能器的所有阵元进行激励后得到的，第二次采集结果和第三次采集结果分别为经过相控阵阵列换能器的奇数序号阵元和偶数序号阵元进行激励后得到的；

5、基于三次信号采集结果，分别计算三次的基频剩余能量；

6、基于三次的基频剩余能量，计算聚焦点对应的基频能量损耗比；

7、将所述基频能量损耗比作为像素值填充至各聚焦点，得到非线性超声相控阵成像结果。

8、进一步地，信号采集时，相控阵阵列换能器的位置固定。

9、进一步地，信号采集时，相控阵阵列换能器的接收阵元为全阵元。

10、进一步地，同一聚焦点的每次信号采集均使用同一聚焦法则。

11、进一步地，计算基频剩余能量的具体步骤包括：

12、将三次信号采集结果均进行基频范围内的带通滤波处理；

13、基于所述带通滤波处理结果，计算基频剩余能量。

14、进一步地，采用带通滤波器进行带通滤波处理，所述带通滤波器的中心频率设置为5mh。

15、进一步地，所述基频剩余能量的计算表达式为：

16、

17、式中，e(p)为聚焦点p处的基频剩余能量，h(p,ω)为第n个阵元的滤波后信号对应的激励结果的频域表达，δn(p)为接收阵元n的对应聚焦点p的延时值。

18、进一步地，计算基频能量损耗比的具体步骤包括：

19、将第二次和第三次的基频剩余能量与第一次的基频剩余能量进行差分处理，得到基频能量损耗比。

20、进一步地，所述基频能量损耗比的计算表达式为：

21、

22、式中，η(p)为聚焦点p对应的基频能量损耗比，eall(p)，eodd(p)和eeven(p)为第一次、第二次和第三次的基频剩余能量。

23、本发明还提供一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法的指令。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、(1)本发明采用不同的激励方式进行三次信号采集，根据信号在非线性声学层面的作用机理，本发明不仅通过计算各聚焦点对应的基频能量损耗比，还将其作为像素值填充至各聚焦点，提高了成像结果的对比度，得到更精确的非线性散射体的成像结果。

26、(2)本发明对检测目标内的非线性散射体(如闭合裂纹等)进行快速有效的检测成像，并抑制线性响应与无效非线性效应(如系统非线性、耦合剂非线性)的干扰，获得更高的缺陷检测特异性和灵敏度，对构件进行更有效评价。

27、(3)本发明的数据采集过程不需要动态控制系统电压，不需要逐阵元进行采集与信号处理，也不需要对谐波信号进行接收，这大大降低了对检测设备硬件水平、系统复杂度和换能器带宽的需求。

技术特征：

1.一种基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法，其特征在于，信号采集时，相控阵阵列换能器的位置固定。

3.根据权利要求1所述的一种基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法，其特征在于，信号采集时，相控阵阵列换能器的接收阵元为全阵元。

4.根据权利要求1所述的一种基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法，其特征在于，同一聚焦点的每次信号采集均使用同一聚焦法则。

5.根据权利要求1所述的一种基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法，其特征在于，计算基频剩余能量的具体步骤包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法，其特征在于，采用带通滤波器进行带通滤波处理，所述带通滤波器的中心频率设置为5mh。

7.根据权利要求1所述的一种基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法，其特征在于，所述基频剩余能量的计算表达式为：

8.根据权利要求1所述的一种基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法，其特征在于，计算基频能量损耗比的具体步骤包括：

9.根据权利要求8所述的一种基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法，其特征在于，所述基频能量损耗比的计算表达式为：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-9任一所述基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法的指令。

技术总结
本发明涉及一种基于阵元数量调制的非线性超声相控阵成像方法及介质，该方法包括以下步骤：获取对被测金属结构件中的各聚焦点进行三次信号采集的结果，其中第一次采集结果为经过相控阵阵列换能器的所有阵元进行激励后得到的，第二次采集结果和第三次采集结果分别为经过相控阵阵列换能器的奇数序号阵元和偶数序号阵元进行激励后得到的；基于三次信号采集结果，分别计算三次的基频剩余能量；基于三次的基频剩余能量，计算聚焦点对应的基频能量损耗比；将所述基频能量损耗比作为像素值填充至各聚焦点，得到非线性超声相控阵成像结果。与现有技术相比，本发明具有快速有效地检测成像、提高构件缺陷检测特异性和灵敏度等优点。

技术研发人员：项延训,滕达,轩福贞,朱武军,刘立帅,胡正,宋爱玲
受保护的技术使用者：华东理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17