圓柱類部件在線相控陣超聲成像理論與技術(shù)的研究.pdf

1、管類、棒材和軸類等圓柱類部件在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和高新技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其生產(chǎn)質(zhì)量的監(jiān)控和使用性能的保障都離不開無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。在眾多的無(wú)損檢測(cè)方法，超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以其高可靠性、適應(yīng)性、安全性和特征參量豐富性以及與信息技術(shù)結(jié)合的方便性等諸多優(yōu)勢(shì)，成為了無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)手段之一。并隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)無(wú)損檢測(cè)效率及其精度的要求不斷提升，常規(guī)超聲無(wú)損檢測(cè)已難以滿足圓柱類部件質(zhì)量監(jiān)控的應(yīng)用需求。為此，有必要將機(jī)電一體化

2、與相控陣超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相融合，發(fā)展出一種面向圓柱類部件的自動(dòng)化在線相控陣超聲成像檢測(cè)技術(shù)，達(dá)到提高超聲無(wú)損檢測(cè)可靠性、效率及其精度的目的。然而，由于超聲波傳播過(guò)程的復(fù)雜性，聲學(xué)信號(hào)除受激勵(lì)脈沖和超聲換能器性能影響外，還受到聲衰、衍射和頻散等諸多聲學(xué)效應(yīng)的作用，使得超聲成像分辨率進(jìn)一步惡化。目前，盡管已有一些行之有效的提高成像分辨率的理論和算法，但大多建立在柱坐標(biāo)系下，難以適合螺旋掃查模式下的應(yīng)用需求，而正是螺旋掃查建模理論的缺失阻礙了

3、高分辨率成像算法的發(fā)展。基于以上背景，本學(xué)位論文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“圓柱類部件高性能自動(dòng)化相控陣超聲成像檢測(cè)理論與技術(shù)的研究”(No51675480)，提出開展圓柱類部件在線相控陣超聲成像理論與技術(shù)的研究。在分析超聲無(wú)損檢測(cè)和相控陣超聲成像相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，明確圓柱類部件相控陣超聲成像檢測(cè)機(jī)理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展相控陣超聲檢測(cè)聲場(chǎng)合成、稀疏化反演成像、面向復(fù)雜疊層圓柱結(jié)構(gòu)及基于螺旋掃查的合成孔徑聚焦等關(guān)鍵技術(shù)的研究，有效

4、提高圓柱類部件自動(dòng)化相控陣超聲成像的時(shí)間和空間分辨率，以滿足圓柱類部件缺陷的在線定量無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用需求。同時(shí)，研發(fā)一套圓柱類部件自動(dòng)化相控陣超聲成像檢測(cè)系統(tǒng)，開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)本文所研發(fā)理論與技術(shù)的可行性和有效性。本文的主要工作內(nèi)容包括:
　　第一章，闡述了圓柱類部件對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的作用，以及開展了圓柱類部件在線相控陣超聲成像檢測(cè)技術(shù)研究的重要意義，分析了相控陣超聲成像相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，明確了目前相控陣超聲

5、成像技術(shù)存在的問題及其對(duì)策，為本文的研究指明方向。同時(shí)，還對(duì)論文的研究?jī)?nèi)容及其章節(jié)進(jìn)行了安排。
　　第二章，開展了圓柱類部件相控陣超聲成像理論與技術(shù)基礎(chǔ)的研究。建立和求解圓柱與螺旋坐標(biāo)系下的波動(dòng)方程，實(shí)現(xiàn)圓柱體內(nèi)聲波傳播信號(hào)的理論建模，明確了圓柱和螺旋掃查模式下圓柱類部件內(nèi)聲波的傳播機(jī)理。同時(shí)，系統(tǒng)分析和仿真研究了相控陣超聲換能器的指向特性及其聲束的合成，并對(duì)相控陣超聲復(fù)合掃查成像技術(shù)進(jìn)行了理論探討。
　　第三章，提出了一種

6、相控陣超聲圖像的稀疏化盲反卷積技術(shù)。在建立相控陣超聲成像卷積模型及利用正交匹配追蹤算法實(shí)現(xiàn)稀疏化反卷積的基礎(chǔ)上，對(duì)于超聲脈沖響應(yīng)未知的檢測(cè)場(chǎng)合，通過(guò)非對(duì)稱高斯模型估計(jì)脈沖響應(yīng)函數(shù)的頻譜，并采用反復(fù)迭代的方式實(shí)現(xiàn)了盲反卷積運(yùn)算，從而提高了相控陣超聲成像的時(shí)間分辨率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于回波聲學(xué)特性變化較大的應(yīng)用場(chǎng)合，該技術(shù)能夠有效改善成像的時(shí)間分辨率，并減少檢測(cè)盲區(qū)及提高檢測(cè)精度。
　　第四章，提出了一種圓柱掃查模式下的相控陣超聲頻域

7、合成孔徑聚焦成像技術(shù)。根據(jù)圓柱坐標(biāo)下波動(dòng)方程的通解，利用傅里葉變換建立圓柱外掃查方式下檢測(cè)信號(hào)模型的頻域表達(dá)式，推導(dǎo)出圓柱坐標(biāo)系下檢測(cè)聲場(chǎng)的重建公式。在此基礎(chǔ)上，利用爆炸反射模型的成像條件，對(duì)感興趣圓柱面上的聲場(chǎng)進(jìn)行重建，從而提高圓柱掃查模式下的相控陣超聲成像空間分辨率。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)能夠有效提高圓柱掃查模式下超聲成像的空間分辨率。
　　第五章，提出了一種螺旋掃查模式下的相控陣超聲頻域合成孔徑聚焦成像技術(shù)。根據(jù)螺旋坐標(biāo)

8、系下波動(dòng)方程的通解，利用傅里葉變換建立螺旋掃查下檢測(cè)信號(hào)模型的頻域表達(dá)式，推導(dǎo)出螺旋坐標(biāo)下的檢測(cè)聲場(chǎng)重建公式。在此基礎(chǔ)上，利用爆炸反射模型的成像條件，對(duì)感興趣螺旋面上的聲場(chǎng)進(jìn)行重建，從而提高螺旋掃查模式下的相控陣超聲成像空間分辨率。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)能夠有效提高螺旋掃查模式下超聲成像的空間分辨率。
　　第六章，提出了一種面向復(fù)雜圓柱結(jié)構(gòu)的相控陣超聲頻域合成孔徑聚焦成像技術(shù)。將裂步傅里葉算法融入相控陣超聲頻域合成孔徑聚焦成像

9、技術(shù)中，解決了復(fù)雜圓柱結(jié)構(gòu)的非規(guī)則分層問題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜圓柱結(jié)構(gòu)的高空間分辨率的頻域合成孔徑聚焦成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)有效拓展了前述兩章中的合成孔徑聚焦成像技術(shù)，對(duì)于復(fù)雜圓柱體結(jié)構(gòu)也能夠確保很高的成像空間分辨率。
　　第七章，開展了圓柱類部件在線相控陣超聲成像檢測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用的研究。在完成基于虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)的成像檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種基于PXI總線的相控陣超聲檢測(cè)板卡，并結(jié)合機(jī)電一體化技術(shù)，研發(fā)了一套圓柱類部