基于合成孔徑的圓柱類部件在線超聲成像理論與實(shí)踐的研究.pdf

1、管材、棒材及軸類等作為在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用的圓柱類部件，一直以來對(duì)無損檢測(cè)技術(shù)具有強(qiáng)烈的需求。盡管目前無損檢測(cè)方法種類眾多，但由于超聲無損檢測(cè)技術(shù)的可靠性逐步提高，并在安全性、適用性、特征參量豐富性以及與信息技術(shù)結(jié)合方便性等方面具有其他方法難以媲美的優(yōu)勢(shì)，已成為無損檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣及最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)手段之一。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；约跋嚓P(guān)設(shè)備的大型化、運(yùn)行高速化和使用環(huán)境極端化，圓柱類部件的種類、結(jié)構(gòu)和尺寸更

2、加多樣，其用量、工作溫度和工作壓力進(jìn)一步提高，在可靠性、實(shí)時(shí)性、定量化以及在線應(yīng)用能力等方面對(duì)超聲無損檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。為此，有必要將機(jī)電一體化與超聲無損檢測(cè)技術(shù)有機(jī)融合，在水浸環(huán)境及外掃查方式下實(shí)施對(duì)圓柱類部件在線超聲成像，發(fā)展出一種高性能的在線超聲成像檢測(cè)技術(shù)，以滿足圓柱類部件在線定量化質(zhì)量監(jiān)控的應(yīng)用需求。但是，在水浸環(huán)境和外掃查方式下實(shí)施成像，面向的對(duì)象將是一種疊層圓柱結(jié)構(gòu)，而聲波在這種結(jié)構(gòu)中的傳播特性十分復(fù)雜，加之運(yùn)動(dòng)過

3、程中發(fā)射和接收信號(hào)，使得衍射效應(yīng)更為明顯，如何確保圓柱類部件在線超聲成像的分辨率，在理論和技術(shù)層面上還存在諸多的挑戰(zhàn)。同時(shí)，實(shí)際應(yīng)用中有平面和聚焦探頭之分，由于兩者在傳播聲程上存在明顯差異，因而現(xiàn)有針對(duì)平面探頭所發(fā)展起來的成像技術(shù)不適合聚焦探頭的應(yīng)用。基于以上背景，本學(xué)位論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于旋轉(zhuǎn)聲場(chǎng)的高性能自動(dòng)化在線超聲無損檢測(cè)理論與實(shí)踐研究”(No.51175465)，提出開展基于合成孔徑的圓柱類部件在線超聲成像理論與實(shí)

4、踐的研究。在分析無損檢測(cè)領(lǐng)域超聲成像相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，明確圓柱結(jié)構(gòu)聲波傳播及合成孔徑成像機(jī)理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展聚焦探頭水浸檢測(cè)場(chǎng)合、非均勻耦合條件以及圓柱外掃查檢測(cè)方式下頻域超聲合成孔徑成像等關(guān)鍵技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于圓柱類部件在線定量無損檢測(cè)的頻域超聲合成孔徑成像技術(shù)，賦予其高實(shí)時(shí)和高分辨率的成像能力，并研發(fā)了一套圓柱類部件在線超聲成像檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了管類部件在線質(zhì)量監(jiān)控的應(yīng)用研究。具體的研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)有:

5、　　第一章，闡述圓柱類部件對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代國防建設(shè)的影響，以及開展圓柱類部件在線超聲成像檢測(cè)技術(shù)研究的重要意義，分析超聲成像與合成孔徑相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，明確目前合成孔徑成像理論和相關(guān)技術(shù)所存在的問題，為本文的研究指明方向。同時(shí)，對(duì)本學(xué)位論文的研究?jī)?nèi)容及各章節(jié)進(jìn)行安排。
　　第二章，開展圓柱體聲波傳播機(jī)理及合成孔徑成像理論的研究。在建立圓柱坐標(biāo)系下圓柱體波動(dòng)方程的基礎(chǔ)上，利用變分法求得圓柱體波動(dòng)方程的通解，進(jìn)而明確

6、圓柱體內(nèi)聲波的傳播機(jī)理，并結(jié)合探頭輻射聲場(chǎng)的計(jì)算，分析確定超聲成像橫向分辨率隨深度下降的主要因素。同時(shí)，以時(shí)域合成孔徑成像的基本原理為依托，研究了合成孔徑成像的頻域?qū)崿F(xiàn)方法，不僅確保高分辨率的成像能力，而且還有效提高成像的效率，為后續(xù)研究奠定必要的理論基礎(chǔ)。
　　第三章，提出一種聚焦探頭水浸檢測(cè)下的頻域合成孔徑成像技術(shù)。在建立相位遷移成像與時(shí)域合成孔徑成像等效關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過分析聚焦與平面探頭之間在焦平面前后的聲程差異，并將這種

7、差異轉(zhuǎn)換為頻域上的相位補(bǔ)償，推導(dǎo)出聚焦探頭水浸檢測(cè)信號(hào)的相移逐層遞推公式，實(shí)現(xiàn)一種基于相位遷移的聚焦探頭水浸超聲成像技術(shù)，解決傳統(tǒng)相位遷移成像應(yīng)用于聚焦探頭水浸檢測(cè)所存在的過矯正問題，有效提高成像分辨率和實(shí)時(shí)性。
　　第四章，提出一種非均勻耦合條件下的頻域合成孔徑成像技術(shù)。在確定非均勻耦合介質(zhì)均方根聲速的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建非平穩(wěn)濾波器，將傳統(tǒng)方法中頻譜重采樣轉(zhuǎn)換為混合域?yàn)V波過程，發(fā)展出一種非迭代的頻域合成孔徑成像技術(shù)，解決相位遷移成

8、像技術(shù)難以在非均勻耦合條件下應(yīng)用的問題，為在線成像檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)。
　　第五章，提出一種外掃查方式下的均質(zhì)圓柱體頻域合成孔徑成像技術(shù)。根據(jù)圓柱體波動(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)出均質(zhì)圓柱體聲場(chǎng)重建公式，進(jìn)而利用檢測(cè)信號(hào)頻譜重建出感興趣圓柱面上的聲壓信號(hào)頻譜。同時(shí)，對(duì)該聲壓重建結(jié)果進(jìn)行反傅里葉變換，并以t=0時(shí)刻的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)均質(zhì)圓柱體的超聲成像。另外，還開展仿真與實(shí)驗(yàn)研

9、究，以證實(shí)本章方法的可行性和有效性。
　　第六章，提出一種外掃查方式下的疊層圓柱結(jié)構(gòu)頻域合成孔徑成像技術(shù)。根據(jù)均質(zhì)圓柱體聲場(chǎng)重建公式，結(jié)合疊層圓柱結(jié)構(gòu)界面的聲學(xué)效應(yīng)影響，采用逐層遞推的策略，利用檢測(cè)信號(hào)頻譜重建感興趣圓柱面上的聲壓信號(hào)頻譜。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該聲壓重建結(jié)果進(jìn)行反傅里葉變換，并以t=0時(shí)刻的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)疊層圓柱結(jié)構(gòu)的超聲成像。另外，還開展仿真與實(shí)驗(yàn)研究，以證實(shí)本章方法的可行性和有效性。
　　第七章，在完成總體方案設(shè)計(jì)的