[发明专利]一种金属圆棒超声螺旋扫查检测的合成孔径成像技术

说明书

本发明的目的在于提供一种极坐标系下的合成孔径pSAFT聚焦成像算法以及基于该算法的金属圆棒超声螺旋扫查检测的合成孔径成像技术，具体成像技术为：先对金属圆棒螺旋扫查一周后得到数据集然后计算工件表面的半孔径角θ′和能被所有位置声束覆盖的内接圆半径r；对圆棒内所有点A(ρ，α)以适当的成像分辨力分别将按极坐标系下的合成孔径聚焦成像公式进行合成聚焦计算，从而得到数据矩阵Sp(i，j)；最后将极坐标数据矩阵进行坐标变换以显示圆截面断层扫描图。该方法可在提高检测分辨力的同时，能够尽可能的满足在线实时检测需求，并以类似于CT成像的断层扫描图形式直观显示棒材内缺陷大小与分布等信息，为棒材质量评价提供更丰富而准确的信息。

技术领域

本发明属于无损检测领域，特别提供一种金属圆棒超声螺旋扫查检测的合成孔径成像技术。

背景技术

铸造和锻轧以及粉末冶金等工艺制成的金属圆棒及其零部件广泛应用于各工业领域，其制造过程中的缺陷若得不到及时发现和清除，极易降低工业设备运行的可靠性，甚至造成断裂事故，带来人员伤亡和极大的经济损失。而无损检测与评价作为材料加工工程的一个重要分支，不但在产品材料质量和生产工艺质量控制、协调使用性能与经济效益等方面起着重要作用，还是保障材料及其产品使用安全性的重要技术手段。因此，开展提升金属棒材及其零部件缺陷无损检测技术水平和棒材质量控制能力的研究具有重要意义。

对于金属棒材来说，常用的无损检测技术有射线、磁粉、渗透、涡流和超声检测等五大类。其中超声检测技术拥有可靠性高、特征参量丰富和易于实现自动化等优点，已得到广泛应用。目前的金属棒材超声自动化检测设备大多是基于超声棒材检测标准，以人工缺陷确定检测灵敏度，用超声探头对棒材进行螺旋扫查，以Go/No Go简单报警方式进行合格性评定。如：国标GB/T 37566-2019规定可采用纵波水浸聚焦自动化设备检测圆钢中的横孔缺陷，即基于A扫描信号幅值报警来评价缺陷的大小。由于棒材中缺陷形态与分布是复杂多样的，目前棒材超声自动检测设备所提供的缺陷信息太少，对缺陷尺寸测量误差也较大，不利于金属棒材的合理使用和保障安全性。

对棒材质量状态进行成像检测甚至进行定量无损检测是棒材质量控制技术的发展趋势。源自合成孔径雷达技术的超声合成孔径成像技术(SAFT)，自70年代发展以来，由于具有高信噪比、方位分辨率与检测深度无关、“近场”适用性、可与B扫、C扫描成像相结合等优势，得到了在医学检查和工业检测领域很多学者的进一步发展，其技术内容非常丰富。但大多是基于笛卡尔坐标系直线扫查方式下的2D和3D成像。对于圆柱类棒材圆截面的合成孔径成像方法研究始于90年代医学超声成像研究，O’Donnell等采用置于冠状动脉内腔的环形相控阵传感器，提出了圆截面导管的合成孔径方法。2015年浙江大学吴施伟进一步将该方法发展用于工业检测的圆柱类工件在笛卡尔坐标系下的B扫超声成像。

国内外学者针对圆截面或螺旋环绕扫查的SAFT成像的研究，除了在改进成像分辨力和成像反演速度方面外，还要针对圆柱曲面结构研究其特殊合成孔径算法。圆柱曲面结构检测方式主要有三种：一种是采用一维线阵相控阵探头检测圆柱形工件；另一种是水浸聚焦探头相对工件进行螺旋扫查，这是圆棒工业检测的主流；还有一种是用相控阵探头进行螺旋扫查,如检测大直径轧辊等。曲面结构的特殊合成孔径方法主要有三类：一是采用快速行进法(FMM)进行飞行时间校正；二是采用声场相对曲面结构的显式近似波解(CCWS)或曲面前向矢量法(UFVA)对SAFT进行改造；三是根据导出的圆柱坐标系下的波动方程，在频域上进行相位延迟。

然而，目前还未出现能推动现有棒材超声自动化检测设备技术进步的实用性SAFT方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极坐标系下的合成孔径pSAFT聚焦成像算法以及基于该算法的金属圆棒超声螺旋扫查检测的合成孔径成像技术，在提高检测分辨力的同时，能够尽可能的满足在线实时检测需求，并以类似于CT成像的断层扫描图形式直观显示棒材内缺陷大小与分布等信息，为棒材质量评价提供更丰富而准确的信息。

本发明技术方案如下：