雙跨孔距超聲蘭姆波層析成像無損檢測(cè)重排算法研究

馮倩許笑月

(西華大學(xué)，四川 成都 610039)

摘要：針對(duì)濾波反投影重建算法不能直接重建雙跨孔距的蘭姆波數(shù)據(jù)，提出了在濾波反投影重建之前將采集的蘭姆波數(shù)據(jù)重排成平行束數(shù)據(jù)，以滿足重建條件。首先介紹了濾波反投影算法及重排算法，然后采用雙跨孔距結(jié)構(gòu)對(duì)有缺陷的鋁板進(jìn)行超聲蘭姆波檢測(cè)，通過提取S0模態(tài)的走時(shí)數(shù)據(jù)，得到鋁板中的雙跨孔距結(jié)構(gòu)蘭姆波投影數(shù)據(jù)。最后，將投影數(shù)據(jù)重排后進(jìn)行濾波反投影重建成像。重建結(jié)果表明，通過對(duì)投影數(shù)據(jù)的重排可以實(shí)現(xiàn)雙跨孔距結(jié)構(gòu)蘭姆波檢測(cè)的濾波反投影重建成像，得到缺陷的基本信息。

關(guān)鍵詞：超聲蘭姆波；層析成像；無損檢測(cè)；重排；濾波反投影

收稿日期:2015-05-06

作者簡(jiǎn)介：馮倩(1987—)，女，陜西安康人，在讀碩士研究生，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

0引言

蘭姆波是超聲波在薄板結(jié)構(gòu)中形成的一種特殊的波，具有傳播距離長(zhǎng)、多模式和頻散好等特性，適用于分層、裂紋和孔洞等多種缺陷的檢測(cè)，特別適合薄板探傷。

蘭姆波層析重建常用的檢測(cè)結(jié)構(gòu)是雙跨孔距和扇束結(jié)構(gòu)，相對(duì)扇束結(jié)構(gòu)，雙跨孔距結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集的工作量較少，所需的射線條數(shù)要少得多，并且重建結(jié)果的偽影較少。目前，對(duì)雙跨孔距的蘭姆波數(shù)據(jù)均采用迭代重建算法。在CT圖像重建算法中，相對(duì)迭代重建算法，濾波反投影重建算法(Filtered Back Projection，簡(jiǎn)稱FBP)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，重建速度快，并且通過濾波環(huán)節(jié)可以降低數(shù)據(jù)噪聲，獲得良好的重建結(jié)果。然而，F(xiàn)BP算法不能直接重建雙跨孔距的蘭姆波數(shù)據(jù)，因此，本文對(duì)FBP重建算法如何使用雙跨孔距投影數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，給出重排方案及重排過程主要變量的關(guān)系，通過仿真，提取蘭姆波在鋁板中傳播的走時(shí)信號(hào)，并通過重排進(jìn)行重建成像，獲取缺陷信息。

1FBP重排算法

雙跨孔距的探頭布置方法是將各檢測(cè)邊N等分，本文取N=32，在各等分的中點(diǎn)位置布置檢測(cè)點(diǎn)，并沿順時(shí)針方向索引。

對(duì)采集到的雙跨孔距投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重排時(shí)，根據(jù)中心切片定理可知，只需在180°范圍內(nèi)將雙跨孔距結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)重排為平行束數(shù)據(jù)即可。重排過程可大體分三步進(jìn)行：

(1) 重排范圍分區(qū)。由于在重排過程中，發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)所在邊會(huì)隨著排角度的變化而變化，為簡(jiǎn)化重排過程，先對(duì)重排范圍內(nèi)的角度進(jìn)行區(qū)域劃分，再依次對(duì)各區(qū)域進(jìn)行重排。重排角度區(qū)域的劃分是在180°的角度范圍內(nèi)按逆時(shí)針劃分4個(gè)區(qū)域，分別是0°～45°、45°～90°、90°～135°、135°～180°。

(2) 計(jì)算第m重排角度下的射線條數(shù)p。

(3) 對(duì)第m重排角度下的各條射線進(jìn)行重排。在重排時(shí)，射線起點(diǎn)在雙跨孔距結(jié)構(gòu)檢測(cè)中固定的檢測(cè)點(diǎn)位置，終點(diǎn)位置點(diǎn)則隨著重排角度及射線起點(diǎn)的變化而變化，是否在固定檢測(cè)點(diǎn)是不確定的。根據(jù)重排角度，計(jì)算出各條射線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，當(dāng)投影射線兩端點(diǎn)都在固定檢測(cè)點(diǎn)上時(shí)，直接取相應(yīng)的雙跨孔投影數(shù)據(jù)即可。

2投影數(shù)據(jù)的采集

以鋁板為檢測(cè)對(duì)象，使用Abaqus有限元仿真軟件建模仿真，并提取群速度S0模態(tài)的走時(shí)數(shù)據(jù)，以得到鋁板中的雙跨孔距結(jié)構(gòu)蘭姆波投影數(shù)據(jù)。

采用含有不同缺陷信息的兩個(gè)模型進(jìn)行仿真，本文選擇兩模型均為邊長(zhǎng)160 mm的正方形，設(shè)置鋁板厚度為4 mm，缺陷處板厚1 mm，缺陷圓半徑20 mm，缺陷位置分別位于模型中心和缺陷向X軸正方向偏移20 mm時(shí)的情況。

通過Abaqus有限元軟件建模仿真，得到蘭姆波在鋁板中傳播的數(shù)值分析結(jié)果，并對(duì)每一個(gè)發(fā)射點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果曲線進(jìn)行分析。由于缺陷會(huì)影響蘭姆波在鋁板中的傳播，使得信號(hào)復(fù)雜，提取困難，先使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、Hilbert變換對(duì)其進(jìn)行濾波處理，再根據(jù)投影射線的路徑，估算其群速度S0模態(tài)波的傳播時(shí)間范圍，以此為基礎(chǔ)，提取群速度S0模態(tài)走時(shí)信號(hào)。使用重排方法，對(duì)兩組雙跨孔距投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重排，分別得到兩種缺陷位置對(duì)應(yīng)的重排結(jié)果數(shù)據(jù)A和數(shù)據(jù)B，雙跨孔距投影數(shù)據(jù)重排。

3投影重建結(jié)果

對(duì)數(shù)據(jù)A進(jìn)行FBP重建的結(jié)果圖像和外輪廓線分別如圖1和圖2所示。圖1所示的重建結(jié)果中，在對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)模型缺陷的位置，可以清晰地分辨出缺陷的位置、大小和形狀等基本信息，并且圖2所示的外輪廓線中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)模型缺陷的位置，像素值有明顯的變化。

圖1　數(shù)據(jù)A重建結(jié)果

圖2　數(shù)據(jù)A重建結(jié)果外輪廓線

對(duì)數(shù)據(jù)B進(jìn)行FBP重建的結(jié)果圖像和外輪廓線分別如圖3和圖4所示。在圖3中，中間偏右的位置，像素顏色明顯與周圍不同，通過圖4所示的外輪廓線可以發(fā)現(xiàn)，在外輪廓線X=[27，48]的位置，像素值均有明顯變化，符合缺陷特征，對(duì)應(yīng)于像素模型，缺陷位置應(yīng)在X=[32，50]的位置，

重建結(jié)果對(duì)應(yīng)位置略有偏移，但整體來說位置、大小范圍都符合數(shù)據(jù)模型的缺陷信息。

圖3　數(shù)據(jù)B重建結(jié)果

圖4　數(shù)據(jù)B重建結(jié)果外輪廓線

4結(jié)語

本文通過分析雙跨孔距到平行束投影數(shù)據(jù)的重排的關(guān)系，給出重排方案及其主要變量關(guān)系。通過使用Abaqus有限元軟件建模仿真，得到蘭姆波在鋁板中傳播的波形，并提取S0模態(tài)的走時(shí)數(shù)據(jù)，獲取到兩組含有不同缺陷信息的雙跨孔距結(jié)構(gòu)投影數(shù)據(jù)。使用提出的重排方案，將獲取到的雙跨孔距投影數(shù)據(jù)重排，得到兩組含有不同缺陷信息的平行束投影數(shù)據(jù)，并進(jìn)行FBP重建成像，獲得了缺陷相關(guān)信息。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王浩全.超聲成像檢測(cè)方法的研究與實(shí)現(xiàn)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.