双跨孔距超声兰姆波层析成像无损检测重排算法研究

双跨孔距超声兰姆波层析成像无损检测重排算法研究

冯倩许笑月

(西华大学，四川 成都 610039)

摘要：针对滤波反投影重建算法不能直接重建双跨孔距的兰姆波数据，提出了在滤波反投影重建之前将采集的兰姆波数据重排成平行束数据，以满足重建条件。首先介绍了滤波反投影算法及重排算法，然后采用双跨孔距结构对有缺陷的铝板进行超声兰姆波检测，通过提取S0模态的走时数据，得到铝板中的双跨孔距结构兰姆波投影数据。最后，将投影数据重排后进行滤波反投影重建成像。重建结果表明，通过对投影数据的重排可以实现双跨孔距结构兰姆波检测的滤波反投影重建成像，得到缺陷的基本信息。

关键词：超声兰姆波；层析成像；无损检测；重排；滤波反投影

收稿日期:2015-05-06

作者简介：冯倩(1987—)，女，陕西安康人，在读硕士研究生，研究方向：单片机与嵌入式系统应用。

0引言

兰姆波是超声波在薄板结构中形成的一种特殊的波，具有传播距离长、多模式和频散好等特性，适用于分层、裂纹和孔洞等多种缺陷的检测，特别适合薄板探伤。

兰姆波层析重建常用的检测结构是双跨孔距和扇束结构，相对扇束结构，双跨孔距结构数据采集的工作量较少，所需的射线条数要少得多，并且重建结果的伪影较少。目前，对双跨孔距的兰姆波数据均采用迭代重建算法。在CT图像重建算法中，相对迭代重建算法，滤波反投影重建算法(Filtered Back Projection，简称FBP)实现简单，重建速度快，并且通过滤波环节可以降低数据噪声，获得良好的重建结果。然而，FBP算法不能直接重建双跨孔距的兰姆波数据，因此，本文对FBP重建算法如何使用双跨孔距投影数据进行了研究，给出重排方案及重排过程主要变量的关系，通过仿真，提取兰姆波在铝板中传播的走时信号，并通过重排进行重建成像，获取缺陷信息。

1FBP重排算法

双跨孔距的探头布置方法是将各检测边N等分，本文取N=32，在各等分的中点位置布置检测点，并沿顺时针方向索引。

对采集到的双跨孔距投影数据进行重排时，根据中心切片定理可知，只需在180°范围内将双跨孔距结构的数据重排为平行束数据即可。重排过程可大体分三步进行：

(1) 重排范围分区。由于在重排过程中，发射点与接收点所在边会随着排角度的变化而变化，为简化重排过程，先对重排范围内的角度进行区域划分，再依次对各区域进行重排。重排角度区域的划分是在180°的角度范围内按逆时针划分4个区域，分别是0°～45°、45°～90°、90°～135°、135°～180°。

(2) 计算第m重排角度下的射线条数p。

(3) 对第m重排角度下的各条射线进行重排。在重排时，射线起点在双跨孔距结构检测中固定的检测点位置，终点位置点则随着重排角度及射线起点的变化而变化，是否在固定检测点是不确定的。根据重排角度，计算出各条射线的起点和终点，当投影射线两端点都在固定检测点上时，直接取相应的双跨孔投影数据即可。

2投影数据的采集

以铝板为检测对象，使用Abaqus有限元仿真软件建模仿真，并提取群速度S0模态的走时数据，以得到铝板中的双跨孔距结构兰姆波投影数据。

采用含有不同缺陷信息的两个模型进行仿真，本文选择两模型均为边长160 mm的正方形，设置铝板厚度为4 mm，缺陷处板厚1 mm，缺陷圆半径20 mm，缺陷位置分别位于模型中心和缺陷向X轴正方向偏移20 mm时的情况。

通过Abaqus有限元软件建模仿真，得到兰姆波在铝板中传播的数值分析结果，并对每一个发射点所对应的仿真结果曲线进行分析。由于缺陷会影响兰姆波在铝板中的传播，使得信号复杂，提取困难，先使用经验模态分解、Hilbert变换对其进行滤波处理，再根据投影射线的路径，估算其群速度S0模态波的传播时间范围，以此为基础，提取群速度S0模态走时信号。使用重排方法，对两组双跨孔距投影数据进行重排，分别得到两种缺陷位置对应的重排结果数据A和数据B，双跨孔距投影数据重排。

3投影重建结果

对数据A进行FBP重建的结果图像和外轮廓线分别如图1和图2所示。图1所示的重建结果中，在对应数据模型缺陷的位置，可以清晰地分辨出缺陷的位置、大小和形状等基本信息，并且图2所示的外轮廓线中对应数据模型缺陷的位置，像素值有明显的变化。

图1　数据A重建结果

图2　数据A重建结果外轮廓线

对数据B进行FBP重建的结果图像和外轮廓线分别如图3和图4所示。在图3中，中间偏右的位置，像素颜色明显与周围不同，通过图4所示的外轮廓线可以发现，在外轮廓线X=[27，48]的位置，像素值均有明显变化，符合缺陷特征，对应于像素模型，缺陷位置应在X=[32，50]的位置，

重建结果对应位置略有偏移，但整体来说位置、大小范围都符合数据模型的缺陷信息。

图3　数据B重建结果

图4　数据B重建结果外轮廓线

4结语

本文通过分析双跨孔距到平行束投影数据的重排的关系，给出重排方案及其主要变量关系。通过使用Abaqus有限元软件建模仿真，得到兰姆波在铝板中传播的波形，并提取S0模态的走时数据，获取到两组含有不同缺陷信息的双跨孔距结构投影数据。使用提出的重排方案，将获取到的双跨孔距投影数据重排，得到两组含有不同缺陷信息的平行束投影数据，并进行FBP重建成像，获得了缺陷相关信息。

[参考文献]

[1]王浩全.超声成像检测方法的研究与实现[M].北京：国防工业出版社，2011.