一種基于時(shí)反music的多濾波超聲成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及缺陷定位技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種粗晶材料的高分辨成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 粗晶粒材料在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，因此對其安全性檢測成為無損檢測領(lǐng) 域的熱點(diǎn)之一。但其因晶粒平均直徑大，散射幅度曲線向低頻方向偏移，與換能器頻帶發(fā)生 較大交疊，散射現(xiàn)象明顯，信噪比低，使得超聲對缺陷的檢出能力嚴(yán)重下降。傳統(tǒng)超聲相控 陣對粗晶材料的缺陷定位手段大致可以總結(jié)為三類：1)采用低頻窄帶探頭進(jìn)行檢測2)采 用聚焦技術(shù)3)采用信號處理技術(shù)。其中低頻窄帶探頭、聚焦，由于現(xiàn)有技術(shù)的限制，使得很 難達(dá)到較為理想的狀態(tài)，現(xiàn)多采用信號處理。目前在超聲相控陣領(lǐng)域內(nèi)對粗晶材料的缺陷 定位比較流行的算法是成像算法，它是通過不斷迭代，將超聲波束的有效能量集中到缺陷 所在的位置，從而獲可以克服介質(zhì)不均勻帶來的聲束畸變和失真。這種方法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是 當(dāng)信號進(jìn)入直接中時(shí)，大部分只經(jīng)過一次散射回到陣元，陣列響應(yīng)矩陣的主對角線對目標(biāo) 之間有決定關(guān)系。但當(dāng)介質(zhì)進(jìn)入多散射的環(huán)境，這種成像方法就失去了作用。為了克服這 種局限性，設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)反MUSIC算法克服介質(zhì)多散射的成像方法，其基本思想是在 多散射背景中分離目標(biāo)的單散射回波信號，通過MUSIC算法成像，從而提高分辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于時(shí)反MUSIC算法克服介 質(zhì)多散射的成像方法。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種基于時(shí)反MUSIC算法克服多散 射的成像方法，包括以下步驟：
[0005] 步驟1 :在超聲相控陣檢測裝置主機(jī)上安裝探頭和楔塊，對檢測裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，包 括聲速、楔塊延時(shí)、靈敏度、編碼器的校準(zhǔn)，之后對超聲相控陣實(shí)驗(yàn)試塊進(jìn)行掃描，具體為：
[0006] 超聲相控陣中的一個(gè)陣元i首先發(fā)射一束脈沖波，之后N個(gè)陣元接收并記錄回波 信號Ii1, (t)。在完成第一次接收之后超聲相控陣的其他陣元重復(fù)上述步驟，得到N2個(gè)脈沖 響應(yīng)組成的NXN的響應(yīng)矩陣H(t)。經(jīng)過傅里葉變換，時(shí)間信號被截?cái)喑蛇B續(xù)的時(shí)間窗，表 達(dá)式如下：
[0007] Kl jCT, t) = Iil j (T-t) Wr (t) (1)
[0008] 當(dāng) t 在區(qū)間[-Δ t/2, Δ t/2]時(shí)，WR(t) = 1，否則 WR(t) = 0。在每個(gè)時(shí)間 T 下， 的值構(gòu)成了傳輸矩陣K。傳輸矩陣K經(jīng)過快速傅里葉變換，得到在時(shí)間T和頻率f下的響應(yīng) 矩陣 K(T，f)。
[0009] 步驟2 :由坐標(biāo)變換對響應(yīng)矩陣K (T，f)進(jìn)行數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)得到包含噪聲信號的兩個(gè)副 矩陣AjP A 2，具體如下：
[0010] 對響應(yīng)矩陣K(T，f)的坐標(biāo)進(jìn)行如下變化（Xl，Xj) - (yu，yv) CN 105181805 A W 切卞 2/4 頁
[0012] 變化之后得到兩個(gè)副矩陣AJP A2，其中A1的維數(shù)L屬（2M-1) X (2M-1)，A2的維 數(shù)1^是（21-2)\(21-2)，其中1=(糾3)/4。八132和響應(yīng)矩陣1((1^)的關(guān)系如式（3)和 (4)：
[0013] B1 [u, v] = k[u+v-l, v-u+2M-l] (3)
[0014] a2[u, v] = k[u+v, V-U+2M-1] (4)
[0015] 步驟3 :根據(jù)多散射和單散射的特征，對矩陣AjP A 2分別在矢量上進(jìn)行映射，映射 結(jié)果乘以矢量，分別得到近似單散射的信號矩陣4"和尤，具體為：
[0016] 矩陣AJPA2分別在矢量S上投影，其中矢量S的坐標(biāo)如式（5)所示：
[0018] 其中R = cT/2, k = 2 π f/c，c為超聲波傳播速度。投影結(jié)果PjP P 2如式（6)所 示：
[0020] 對矩陣AJPA2S行濾波，濾波后的結(jié)果 <和<可以用如下式（7)表示：
[0022] 最終得到的濾波后的矩陣Kf中的元素如式（8)所示：
[0024] 步驟4 :對信號矩陣KF?行特征值分解，得到特征值對應(yīng)的噪聲子空間，噪聲子空 間借助格林函數(shù)對目標(biāo)進(jìn)行成像，具體為：
[0025] 對矩陣礦進(jìn)行奇異值分解，分解結(jié)果如式（9)所示：
[0026] Kf= UAUh (9)
[0027] Λ是有N個(gè)特征值的對角矩陣，其中有M個(gè)有效特征值，其余有（N-M)個(gè)近似 為〇的特征值。U為特征值對應(yīng)的特征向量，其中噪聲子空間NS = {uM+1(co)，uM+2(co)，… ，Un ( 〇 ) } 〇
[0028] 最終的成像函數(shù)D (χρ，ω )為：
[0030] 其中g(shù)(xp，ω)為格林函數(shù)矢量，表達(dá)式如下：
[0031] g(xp，ω) = [G(xp，α ω)，G(xp，α 2, ω)，…，G(xp，α Ν，ω)]τ (11)
[0032] Xp表示搜索位置的矢量，a ;代表陣元位置，T表示轉(zhuǎn)置。
[0033] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出了一種包含在強(qiáng)散射介質(zhì)中缺陷的成像方法， 該方法可以克服多散射回波和聲速畸變造成的缺陷定位不準(zhǔn)確、分辨率不高等問題。并首 次將多濾波和時(shí)反MUSIC算法結(jié)合，為粗晶材料缺陷的定位檢測提供了一種新的思路。
【附圖說明】
[0034] 圖1是本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0036] 如圖1所示，本發(fā)明一種基于時(shí)反MUSIC算法克服多散射的成像方法，包括以下步 驟：
[0037] 步驟1 :在超聲相控陣檢測裝置主機(jī)上安裝探頭和楔塊，對檢測裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，包 括聲速、楔塊延時(shí)、靈敏度、編碼器的校準(zhǔn)，之后對超聲相控陣實(shí)驗(yàn)試塊進(jìn)行掃描，具體為：
[0038] 超聲相控陣中的一個(gè)陣元i首先發(fā)射一束脈沖波，之后N個(gè)陣元接收并記錄回波 信號Ii1, (t)。在完成第一次接收之后超聲相控陣的其他陣元重復(fù)上述步驟，得到N2個(gè)脈沖 響應(yīng)組成的NXN的響應(yīng)矩陣H(t)。經(jīng)過傅里葉變換，時(shí)間信號被截?cái)喑蛇B續(xù)的時(shí)間窗，表 達(dá)式如下：
[0039] Kl jCT, t) = Iil j (T-t) Wr (t) (1)
[0040] 當(dāng) t 在區(qū)間[-Δ t/2, Δ t/2]時(shí)，WR(t) = 1，否則 WR(t) = 0。在每個(gè)時(shí)間 T 下，Icij的值構(gòu)