专利名称：相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法
技术领域：
本发明涉及一种全数字式相控阵超声检测系统控制声束合成聚焦、扫描和回波接收的方法，尤其涉及一种在检测天然气输送管道焊缝的全数字式相控阵超声检测系统(USPA-2000)中应用的控制声束合成聚焦、扫描和回波接收的方法。
背景技术：
目前用于材料无损检测的超声仪器多由单个换能器探头、控制发射和接收等模拟电路器件以及显示器组成。检测中，由人工手持探头在工件上移动搜索，通过观察显示回波判断检测的结果。这类仪器具有方便、灵活和经济实用的优点。但要求检测技术人员具有较丰富的经验，工作效率较低尤其是在检测像天然气输送管道焊缝这种工作量大，要求高的场合，此外检测数据难以长期保存供进一步深度分析和存档。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全数字式相控阵超声检测系统控制声束合成聚焦、扫描和回波接收的方法。
一种全数字式相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法，其包括如下步骤
a计算各振元中心点的坐标值；b确定振元组；c确定声程时间；d对振元组内所有振元求对应的发射和接收延迟时间；e各振元按上述对应的发射及接收延迟时间分别发射及接收；从检测的多种因素综合考虑，采用相同小尺寸多换能器振元组成的阵列探头与多路高速的数字电路装置相结合来组合发射和接收，可以开发出各种专用的检测系统。这种阵列型探头可以充分发挥小尺寸换能器声束发散角大，接收转换系数高的特点。无须改变探头相对位置，通过选择振元激发顺序和激发脉冲延迟时间使合成声束既偏转指定的角度又聚焦到指定的检测区域。当指定一系列的聚焦点和及其顺序时即可实现扫描的功能。
采用这种阵列型探头的检测系统具有如下突出优点1.所需要的聚焦声束和回波接收是由多路高速电子器件控制完成的，不需要改变探头和检测区域的相对位置即可以高速完成对检测区域的声束聚焦扫描检测，具有很高的工作效率。
2.可以数字化地精细确定聚焦声束扫描方案和缺陷反射源位置，提高了检测质量。
3.与多路高速的数字电路发射和接收控制装置以及上位工业控制机相结合，可以实现回波数据的A超、B超和C超等图象显示；建立回波数据库供长期存档。为开发带检测结果评价智能化功能的超声检测系统提供可能性。
图1阵列探头和被检测工件位置的示意图。
图2确定振元组示意图。
图3计算声程示意图。
图4各振元发射和接收时序图。
图5超声波聚集柱示意图。
图6是二次声程情况示意图。
图7是三次声程情况示意图。
图8是本发明具体实施方式
的工作流程图。
具体实施例方式
阵列探头中振元排列方式有多种，本发明针对振元沿直线一字排开的线振元阵列，如图1所示本发明使用有机玻璃斜楔块1的斜面耦合斜探头2，所述的振元沿直线一字排开设于探头2上用于横波检测。检测中有机玻璃楔块1接触放置于被检测工件上。
在选定的坐标系中，探头上各振元中心点坐标的位置已定，希望的聚焦区焦点已定，换言之即各振元发出的波的声程已定。设最长的声程时间为T，我们可以使振元组中声程较长的波先发射，即对应振元先激发，声程短的对应振元迟些激发，使这些波的声程时间和延迟时间之和均等于T，则各波的干涉效应可以实现在规定区域声束聚焦的目的。如何安排各振元激发的先后时间即提出了计算延迟时间的问题。基本问题可归纳为已知聚焦点几何坐标(fx，fy)和声波中心线在界面的折射角β，在楔块的纵波和钢材内横波声速C1，C2，以及参与发射和接收的振元数(偶数2M个)，现要确定 探头上至多2M个振元，它们平均分布在中心线两侧，参与发射和接收； 各振元的发射延迟时间，使之组合发射的声束以给定的中心线为中心线，且聚焦在给定的焦点。
各振元的接收延迟时间，供控制接收的数字器件将各振元的接收数据经相位移位到标准时间基后叠加，得到完整回波数据。
先考虑一次声程问题，即声波经振元组发出纵波在楔块中行进经界面折射，折射横波直接聚焦于焊缝截面的某个指定的分区。以下给出解决上述问题的方法1.确定振元组(如图2所示)设各振元中心点坐标x(1-N)，y(1-N)，N为探头上振元数，排序由左至右。
其步骤如下①计算声束中心线在探头上的位置。
P点坐标xp＝xf+(D0-yf)tanβyp＝D0
②计算入射角αmu＝c1/c2，sinα＝mu*sinβ③i从N至2循环，计算本振元和下一个振元中心点和P点连线对应的sinαsinα0＝(x(i)-xp)/sqrt((x(i)-xp)2+(y(i)-yp)2)sinα1＝(x(i-1)-xp)/sqrt((x(i-1)-xp)2+(y(i-1)-yp)2)若(sinα0≥sinα)^(sinα1＜sinα)，取i送入i0，转出循环，否则转去下一步循环。
循环完毕仍找不到，显示提示“找不到中心振元”，转出程序。
若(i0≥M)^(N-i0)≥M，则振元组振元数目2M，从i0-M至i0+M-1；若i0≥(N-i0)，则振元组振元数目2(N-i0)，从2i0-N+1至N；否则，振元组振元数目2i0，从1至2i0。
这样可确定振元组振元数目elnum，振元号elem(1-elnum)。
2.计算声程(如图3所示)振元发射延迟时间计算的关键是求点Pi坐标，它可归结为如下问题在直线y＝D0上求一点，使得sinαi＝mu*sinβi设Pi坐标为(x，D0)，带入上式化为f(x)＝0，形式即(xi-x)/sqrt((xi-x)2+(yi-D0)2)-mu*(x-xf)/sqrt((x-xf)2+(D0-yf)2)＝0设xx是过I(xi，yi)和F(xf，yf)点的直线和y＝D0交点的横坐标xx＝xi-(yi-D0)(xi-xf)/(yi-yf)
可以证明f(x)在[xx，xi]上是单调的，且f(xx)＞0，f(xi)＜0，[xx，xi]上f(x)＝0存在且仅有一个根。采用Pegasus迭代法求解f(x)＝0，其收敛的阶为7.275，不用求导数。以下给出算法。
求f(x)在[a，b]上的零点，f(x)满足f(a)f(b)＜0。
迭代公式Xi+1＝Xi-Fi*(Xi-Xi-1)/(Fi-Fi-1)用a，b起步，即x0＝a，F0＝f(a)，x1＝b，F1＝f(b)；若FiFi+1＜0，用(Xi，Fi)代替(Xi-1，Fi-1)，(Xi+1，Fi+1)代替(Xi，Fi)若FiFi+1＞0，用(Xi+1，Fi+1)代替(Xi，Fi)，(Xi-1，vFi-1)代替(Xi-1，Fi-1)其中v＝Fi/(Fi+Fi+1)然后迭代求Xi+2，迭代一直进行到|Xi-Xi-1|＜eps1或|F|＜eps2止。eps1，eps2是预先给定的充分小的正数。程序中计算f(x)和求解f(x)＝0可设计函数过程供调用。
程序概要对振元组内振元1-elnum循环取振元编号，振元中心坐标xi，yi计算xx调用求解f(x)＝0函数求xpi，得到Pi坐标(xpi，D0)计算I→Pi，Pi→F二段声程计算行程时间iPi/c1+Pif/c2(单位纳秒)循环毕。
3.计算延迟时间(如图4所示)取声程最长振元的激发时刻为时间0基准，于是各振元发射和接收时序如附图4所示 各振元行程时间与发射延迟时间之和均相等且等于T。设行程时间最长的(即延时时间为0的)振元序号为i0，行程时间为T，则对振元组内各振元有ts(i)+time(i)＝T i＝1，2，....，nts(i)为振元的延迟时间time(i)为振元的行程时间n为参与发射与接收的振元组振元个数。
各振元发射延迟时间为ts(i)＝T-time(i) i＝1，2，....，n 最早激发的振元最迟收到回波。
最迟激发的振元最早收到回波。
以上述时间基准，各振元的接收延迟时间为tr(i)＝ts(i)+time(i)+time(i)＝T+T-ts(i)＝2*T-ts(i)i＝1，2，....，n 关于声束聚焦，实际的超声束不是聚焦于一点，而是聚焦于一柱体内(如图5所示)。设聚焦柱为ab，检测中总是安排聚焦柱覆盖检测区的一个分区。以主声轴为基准，ab距离是柱长，f是几何焦点。超声束进入a后均可能遇到反射源，超声束到达b之前均可能遇到反射源，于是对接收延迟时间作如下修正tr(i)’＝2*T-ts(i)-(a到b的行程时间)i＝1，2，....，n 时间窗的含义是超声束进入a后到达b之间t3＝2*(a到b的行程时间)检测中，希望一个声束的聚焦区覆盖检测区的一个分区，换言之，从a到b范围内可能有的反射回波是我们关注的对象。定义从a到b波的行程时间的2倍为接收时间窗。接收延迟时间应从零延迟振元激发时刻到a点反射回波到振元时止。当然振元组内各振元的接收延迟时间应减去从a到f的行程时间的2倍。
对於二次声程问题和三次声程问题，即折射后再经一次和二次反射再聚焦至某个分区，可以通过反射定律先求出等效的焦点坐标，然后化为一次声程问题处理。如图6所示，二次声程情况当实际焦点坐标为Xf，yf，其等效焦点坐标为Xf，-yf。如图7所示，三次声程情况当实际焦点坐标为Xf，yf，其等效焦点坐标为Xf，yf-2D0。
在实际检测工艺中，往往将被检测物体划分成许多检测面，每一个检测面又被许多条声束所覆盖。引进检测方案的概念所谓一个检测方案即一组数据，它们按照事先的约定完成期望的一超声波束的发射和回波接收全部控制功能，具体的工作流程如图8所示
首先执行步骤100初始化，设置已知数据，主要包括探头位置、钢管数据、物理参数、方案数据；其中方案数据是指应用软件中设计一专门生成方案的程序�？�--方案生成器，它既可一批地生成常规检测方案，又可生成单个的检测方案，生成的方案可按约定予编号以文件或数据库的方式存储形成方案库供检测控制�？榈饔茫桓龇桨傅闹饕萦蟹桨副嗪牛痪劢沟阕�、聚焦区的场宽和场深；发射的物理参数激发的脉冲宽度，幅度等；参与发射和振元组，声束中心线折射角；振元组内容各振元的延迟时间；接收延迟时间和采样时间窗值。
再执行步骤101计算各振元中心点的坐标值{(Xi，yi)，I＝1，...，N}；执行步骤102进行方案循环；执行步骤1021对给定一个方案(声束)，取焦点坐标(fx，fy)和声波中心线的折射角β数据；根据折射定律计算入射角α，进而计算中心线在探头上位置(Xo，Yo)；执行步骤1022确定振元组 若(Xo，Yo)二侧振元数均≥M，则二侧各取M个共2M个振元组成振元组。
否则(Xo，Yo)必有一侧振元数＜M，设其个数为m，则取(Xo，Yo)二侧各m个，共2m个振元组成单元组。
执行步骤1023估计约束条件，所述的约束条件为 采用以有机玻璃为楔块的横波探伤钢材时，在β角给定的情况下其对应的α角应满足27.6°＜α＜57.7°的限制条件，使得钢中只有折射横波，无折射纵波。
在波源的近场区，由于波的干涉而出现一系列的声压极大极小值，易形成误判或漏判，因此应避免在近场区探伤定量，即声束中心声程应大于近场长度。对相控阵探头而言，需估算振元组的近场长度，形成另一个限制条件。
在楔块夹角φ较�。裨檎裨峡拷ń谴κ保捎谏ㄔ诟止鼙谥卸啻畏瓷渌ゼ醵诨夭ㄖ行纬梢黄髯床�。必须调整声程使时间窗落在树状波之后。树状波区对应的声程可通过理论计算或实验确定。
对上述约束条件应在计算过程中及时对中间结果进行验证，不满足约束条件时调整振元组位置等参数，求出较优的结果供使用。
执行步骤1024对振元组内振元逐次计算 该振元中心坐标(Xi，Yi) 该振元对应的入射点Ai的坐标，直接计算有一定困难，可以利用sinαi/sinβI＝c1/c2条件，列出方程，然后采用求f(X)＝0根的数值方法求介。
在二种质介中的声程和行程时间执行步骤1025判断是否满足步骤1023中所述的约束条件，不满足则转步骤1022调整振元组。
执行步骤1026对振元组内所有振元求对应的发射和接收延迟时间，接收时间窗，并记入文件。
执行步骤1027判断方案是否已循环完，对下一方案，转步骤102进行方案循环，直至所有声束循环完毕，执行步骤1028退出。
通过以上步骤即可确定每个声束参与发射的振元组和每个振元的延迟时间。
权利要求
1.一种全数字式相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法，其特征在于，包括如下步骤a计算各振元中心点的坐标值；b确定振元组；c确定声程时间；d对振元组内所有振元求对应的发射和接收延迟时间以及时间窗；e各振元按上述对应的发射及接收延迟时间分别发射及接收；
2.根据权利要求1所述的全数字式相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法，其特征在于，将控制一超声波束的发射和接收的全部数据组成检测方案。
3.根据权利要求2所述的全数字式相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法，其特征在于，由所述的检测方案组成一方案库，并利用方案库里的检测方案进行循环检测。
4.根据权利要求3所述的全数字式相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法，其特征在于，所述的检测方案的数据有方案编号；聚焦点坐标、聚焦区的场宽和场深；发射的物理参数激发的脉冲宽度，幅度等；参与发射和振元组，声束中心线折射角；振元组内容各振元的延迟时间；接收延迟时间和采样时间窗值。
5.根据权利要求1所述的全数字式相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法，其特征在于，所述的各振元发出的波的声程时间和延迟时间之和均相等，且等于最长的声程时间T。
6.根据权利要求1所述的全数字式相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法，其特征在于，所述的振元至多2M个，所述的确定振元组包括如下步骤①计算声束中心线在探头上的位置。②计算入射角α。③i从N至2循环，计算本振元和下一个振元中心点和P点连线对应的sinα。④若(sinα0≥sinα)^(sinα1＜sinα)，取i送入i0，转出循环，否则转去下一步循环，所述的为i0振元序号；⑤若(i0≥M)^(N-i0)≥M，则振元组振元数目2M，从i0-M至i0+M-1；若i0≥(N-i0)，则振元组振元数目2(N-i0)，从2i0-N+1至N；否则，振元组振元数目2i0，从1至2i0。
7.根据权利要求1所述的全数字式相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法，其特征在于，各振元发射延迟时间为ts(i)＝T-time(i) i＝1，2，....，n各振元的接收延迟时间为tr(i)＝ts(i)+time(i)+time(i)＝T+T-ts(i)＝2*T-ts(i)i＝1，2，....，n所述的ts(i)为振元的延迟时间，time(i)为振元的行程时间，n为参与发射与接收的振元组振元个数。
8.根据权利要求1所述的全数字式相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法，其特征在于，所述的各振元发射的超声束不是聚焦于一点，而是聚焦于一柱体内，设聚焦柱为ab，以主声轴为基准，ab距离是柱长，f是几何焦点，接收延迟时间为tr(i)’＝2*T-ts(i)-(a到b的行程时间) i＝1，2，....，n
9.根据权利要求1所述的全数字式相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法，其特征在于，在步骤c与步骤d之间还包括步骤f估计约束条件，若不满足约束条件则调整振元组。
10.根据权利要求1所述的全数字式相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法，其特征在于，所述的约束条件为①在β角给定和有机玻璃楔块的情况下其对应的α角应满足27.6°＜α＜57.7°的限制条件，所述的β角为声波中心线在界面的折射角。②声束中心声程应大于近场长度，对相控阵探头而言，需估算振元组的近场长度。③必须调整声程使时间窗落在树状波之后。
全文摘要
本发明提供一种全数字式相控阵超声检测系统控制声束聚焦扫描和接收的方法，包括如下步骤a计算各振元中心点的坐标值；b确定振元组；c确定声程时间；d对振元组内所有振元求对应的发射和接收延迟时间以及时间窗；e各振元按上述对应的发射及接收延迟时间分别发射及接收；采用这种阵列型探头的检测系统具有如下突出优点1.所需要的聚焦声束和回波接收是由多路高速电子器件控制完成的，不需要改变探头和检测区域的相对位置即可以高速完成对检测区域的声束聚焦扫描检测，具有很高的工作效率。2.可以数字化地精细确定聚焦声束扫描方案和缺陷反射源位置，提高了检测质量。
文档编号G01N29/04GK1521501SQ0311522
公开日2004年8月18日 申请日期2003年1月28日 优先权日2003年1月28日
发明者张国彬 申请人:上海市计算技术研究所, 上海市计 技术研究所
专业数控铣床产品供应商
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