本發(fā)明屬于工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種柔性相控陣陣元位置確定方法及柔性脈沖式超聲波相控陣收發(fā)裝置。

背景技術(shù)：

1、超聲檢測(cè)技術(shù)適用于工件表層及內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，可快速而準(zhǔn)確地檢測(cè)缺陷的位置和大小，靈敏度高、綠色環(huán)保，適用于各類(lèi)工件的缺陷檢測(cè)與表征。然而受曲面幾何形狀影響，超聲波傳播時(shí)會(huì)發(fā)生聲束畸變、彎曲、分離等現(xiàn)象，給缺陷的準(zhǔn)確定位、定性和定量檢測(cè)帶來(lái)了困難。為提高缺陷的檢測(cè)精度，在超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展了超聲相控陣技術(shù)。

2、超聲相控陣技術(shù)通過(guò)控制各個(gè)陣元的超聲波信號(hào)發(fā)射，實(shí)現(xiàn)聲波的連續(xù)偏轉(zhuǎn)與聚焦，在工件表面同一位置對(duì)不同檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行多次掃描及成像顯示，其檢測(cè)速度快、探傷靈敏度高、檢測(cè)結(jié)果可靠。因此，在復(fù)雜曲面構(gòu)件的檢測(cè)方面，超聲相控陣技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)能夠通過(guò)時(shí)間延遲法則靈活控制聲束的偏轉(zhuǎn)與聚焦，因此具有檢測(cè)范圍廣、精度高、掃描速度快等優(yōu)點(diǎn)。

3、然而，傳統(tǒng)的剛性超聲探頭與剛性超聲相控陣探頭存在一些技術(shù)難點(diǎn)：

4、首先，剛性超聲相控陣探頭無(wú)法直接與復(fù)雜曲面試件表面相匹配，為了傳播聲波，通常需要借助水耦合或楔塊耦合方式。然而，由于耦合劑與試件之間存在聲阻抗差異，聲場(chǎng)能量在傳輸過(guò)程中會(huì)有所損失，這會(huì)影響探頭的靈敏度，從而導(dǎo)致缺陷定位不準(zhǔn)確。

5、其次，剛性探頭在操作時(shí)需要調(diào)整特定的角度與位置和檢測(cè)角度固定，可能導(dǎo)致成像質(zhì)量和缺陷檢測(cè)的敏感性降低。

6、另外，剛性探頭檢測(cè)速度慢，傳統(tǒng)剛性探頭需要逐點(diǎn)掃描，效率低下，特別是在大面積檢測(cè)時(shí)，時(shí)間成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種柔性相控陣陣元位置確定方法及柔性脈沖式超聲波相控陣收發(fā)裝置，旨在針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)直射波路徑之間的傳播時(shí)間數(shù)據(jù)集作為輸入，并通過(guò)比較標(biāo)定數(shù)據(jù)與合成數(shù)據(jù)之間的誤差來(lái)迭代地調(diào)整優(yōu)化陣列發(fā)射與接收陣元元素的位置，首先，使用一個(gè)方程組將距離矩陣與時(shí)間和速度聯(lián)系起來(lái)，并利用該方程組求解未知的距離。然后，根據(jù)得到的距離值計(jì)算出各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)到達(dá)時(shí)間和接收器的時(shí)間差。最后，通過(guò)最小化這些時(shí)間差與實(shí)際測(cè)量值之間的差異來(lái)優(yōu)化陣列元素的位置。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確確定發(fā)射陣元和接收陣元的位置。

2、本發(fā)明提供了一種柔性相控陣陣元位置確定方法，包括如下步驟：

3、測(cè)量工件時(shí)，將各個(gè)柔性相控陣陣元作為接收陣元時(shí)的回波信號(hào)合成為所有陣元的掃描線數(shù)據(jù)；

4、利用掃描線數(shù)據(jù)中第i次回波信號(hào)基于直接波路徑的相對(duì)陣元元素定位算法，確定柔性超聲相控陣中陣元的位置，具體為：

5、分析出直接波路徑，生成直接波路徑的傳播時(shí)間數(shù)據(jù)集，作為輸入；

6、不斷迭代調(diào)整用于發(fā)射的陣列元素的位置及相對(duì)的接收陣元元素的位置，直到目標(biāo)函數(shù)最小化為止，確定最終的發(fā)射陣元和接收陣元位置。

7、優(yōu)選地，所述生成直接波路徑的傳播時(shí)間數(shù)據(jù)集，作為輸入，不斷迭代調(diào)整用于發(fā)射的陣列元素的位置及相對(duì)的接收陣元元素的位置，直到目標(biāo)函數(shù)最小化為止，具體為：

8、利用掃描線數(shù)據(jù)生成直接波路徑的傳播距離數(shù)據(jù)集，作為生成數(shù)據(jù)集；

9、根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量標(biāo)定樣品的直接波路徑傳播時(shí)間得到標(biāo)定的直接波路徑的傳播距離標(biāo)定數(shù)據(jù)集，作為標(biāo)定數(shù)據(jù)集；

10、根據(jù)生成數(shù)據(jù)集得到合成數(shù)據(jù)集，通過(guò)迭代使目標(biāo)函數(shù)最小，使標(biāo)定數(shù)據(jù)集與合成數(shù)據(jù)集之間的差值最小化；

11、根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)集與合成數(shù)據(jù)集之間的差值確定最終的發(fā)射陣元位置；

12、根據(jù)最終的發(fā)射陣元位置確定最終的接收陣元位置。

13、優(yōu)選地，目標(biāo)函數(shù)定義為標(biāo)定數(shù)據(jù)集d和合成數(shù)據(jù)集v之間平方誤差之和的一半，具體表達(dá)式如下：

14、

15、其中，

16、v為合成數(shù)據(jù)集，其中的數(shù)據(jù)為測(cè)量工件時(shí)，不同陣元作為發(fā)射陣元、其他陣元作為接收陣元時(shí)的直接波路徑的歐幾里得距離；v中的第j個(gè)元素其中，lj＝||rt(j)-rr(j)||2(1.1)，lj為陣元l的第j個(gè)波路的超聲波傳播距離，rt(j)和rr(j)分別為第j個(gè)波路的發(fā)射陣元位置和第j個(gè)波路的接收陣元位置；

17、j為波路索引，j∈{1，...，nw}，nw是總波路數(shù)；

18、t(j)為第j波路的發(fā)射陣元索引，t(j)＝floor((j-1)/nt)+1；

19、r(j)為第j波路的接收陣元索引，r(j)＝(j-1)％nr+1，nt為發(fā)射陣元數(shù)量，nt＝nw/nr，nr為接收陣元數(shù)量，“％”是模運(yùn)算符；

20、為目標(biāo)函數(shù)；

21、x為發(fā)射陣元位置向量的集合，其中第j波路的元素為xj,t為發(fā)射陣元序號(hào)；

22、z為接收陣元位置向量的集合，其中第j波路的元素為zj，r為接收陣元序號(hào)；

23、d為標(biāo)定數(shù)據(jù)集，其中的數(shù)據(jù)為測(cè)量標(biāo)定樣品得到的直接波路徑傳播距離；

24、e為誤差向量，e＝d-v(1.2)。

25、優(yōu)選地，標(biāo)定數(shù)據(jù)集d中的數(shù)據(jù)為所有發(fā)射陣元和接收陣元組合之間的平方直射波路徑長(zhǎng)度。

26、優(yōu)選地，平方直射波路徑長(zhǎng)度通過(guò)波速c與直接波路徑傳播時(shí)間的平方的乘積得到，此時(shí)，標(biāo)定數(shù)據(jù)集為d(c，t)，其中的第j波路的元素為t為測(cè)量標(biāo)定樣品得到的直接波路徑傳播時(shí)間矩陣；τj為t中的元素，為測(cè)量標(biāo)定樣品時(shí)第j波路的直接波路徑傳播時(shí)間，c為波速。

27、優(yōu)選地，合成數(shù)據(jù)集v通過(guò)如下方式得到：

28、計(jì)算所有波路發(fā)射陣元與接收陣元組合的發(fā)射陣元-接收陣元位置向量之間的差值δ：

29、δ＝axx-azz?????????????(1.3)

30、其中，

31、

32、

33、其中，ax和az分別為發(fā)射陣元位置向量矩陣和接收陣元位置向量矩陣，i是單位矩陣，矩陣的下標(biāo)為每個(gè)矩陣的行列取值，x和z分別是x和z中的向量；

34、則將合成數(shù)據(jù)集v中的向量v表示為：

35、v＝cdiag(δ)δ???????????(1.6)

36、其中，

37、

38、其中，c為記錄所有波路發(fā)射陣元與接收陣元之間的平方距離分量。

39、優(yōu)選地，根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)集與合成數(shù)據(jù)集之間的差值確定最終的發(fā)射陣元位置，具體包括：

40、假設(shè)第一個(gè)陣列元素作為發(fā)射陣元的位置為r1＝{0，0}t，最后一個(gè)陣列元素作為發(fā)射陣元的位置為來(lái)消除最終陣列形狀的模糊性,t在這里表示轉(zhuǎn)置；

41、其中，其他所有陣元的坐標(biāo)都被初始化為從正態(tài)分布中抽取的隨機(jī)數(shù)，larr是發(fā)射陣元的長(zhǎng)度；

42、對(duì)式(1.8)中的發(fā)射陣元位置向量的集合x(chóng)求導(dǎo)，得到：

43、

44、在發(fā)射陣元位置向量?jī)?yōu)化開(kāi)始時(shí)，將傳播時(shí)間設(shè)置為0，后通過(guò)將式(1.9)中的梯度元素設(shè)置為零，消除傳播時(shí)間的權(quán)重；

45、添加正則化項(xiàng)到目標(biāo)函數(shù)，修改后的目標(biāo)函數(shù)o為：

46、

47、其中，ψ是側(cè)向約束矩陣，為一個(gè)權(quán)重矩陣，在本發(fā)明中，跟傳播時(shí)間有關(guān)，它強(qiáng)制執(zhí)行x中元素x之間的關(guān)系，q＝ψx，并且γ是平衡陣列形狀和引入修正項(xiàng)θ的側(cè)向約束的目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)的一個(gè)參數(shù)；

48、根據(jù)式(1.10)，正則化目標(biāo)函數(shù)梯度如下：

49、

50、其中，

51、側(cè)向約束矩陣ψ是通過(guò)1/4縮放的二階有限差分矩陣，并且正則化強(qiáng)度γ為1e-5；

52、采用bfgs優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)正則化目標(biāo)函數(shù)梯度優(yōu)化，得到最終的發(fā)射陣元位置；

53、根據(jù)最終的發(fā)射陣元位置確定最終的接收陣元位置。

54、本發(fā)明還提供了一種柔性脈沖式超聲波相控陣收發(fā)裝置，包括柔性相控陣超聲換能器、下位機(jī)和上位機(jī)；所述柔性相控陣超聲換能器和所述上位機(jī)均與所述下位機(jī)連接；

55、上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)配置、波形顯示；

56、下位機(jī)包括硬件電路部分及fpga，其中硬件電路包括電源電路、脈沖發(fā)射電路、回波接收電路及通信電路，電源電路為脈沖發(fā)射電路、回波接收電路及通信電路供電；

57、其中fpga包括系統(tǒng)控制模塊、硬件電路控制模塊、發(fā)射波束合成模塊、接收波束控制模塊、rael定位與分配陣元模塊、存儲(chǔ)控制模塊及通信控制模塊；

58、工作時(shí)，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)的選擇，上位機(jī)將配置的參數(shù)通過(guò)通信接口下發(fā)到下位機(jī)的fpga中，下位機(jī)接收到參數(shù)數(shù)據(jù)后進(jìn)行配置，fpga中的系統(tǒng)控制模塊控制硬件電路控制模塊、發(fā)射波束合成模塊、接收波束控制模塊、rael定位與分配陣元模塊、存儲(chǔ)控制模塊及通信控制模塊進(jìn)行超聲激勵(lì)工作，具體如下：

59、硬件電路控制模塊按照下發(fā)的參數(shù)對(duì)硬件電路進(jìn)行控制，其中硬件電路中的可控高壓源根據(jù)配置產(chǎn)生相應(yīng)的高壓輸出到脈沖發(fā)射電路，fpga中的發(fā)射波束合成模塊控制脈沖發(fā)射電路中各個(gè)陣元發(fā)射高壓脈沖電信號(hào)，激發(fā)超聲柔性相控陣中陣元產(chǎn)生超聲波；

60、超聲柔性相控陣發(fā)射陣元產(chǎn)生的超聲波在工件的傳播過(guò)程中，若遇工件中存在缺陷，超聲波就會(huì)反射，產(chǎn)生的回波通過(guò)接收波束控制模塊被相控陣接收陣元接收，由壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)回波接收電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行增益放大及ad采集，采集到的數(shù)字信號(hào)輸入到fpga中進(jìn)行處理；

61、rael定位與分配陣元模塊，使用上述的柔性相控陣陣元位置確定方法確定柔性相控陣陣元位置，并且分配超聲波發(fā)射時(shí)間、發(fā)射陣元和接收陣元，并將處理結(jié)果存儲(chǔ)到存儲(chǔ)控制模塊，通過(guò)通信控制模塊從通信接口上傳到上位機(jī)。

62、優(yōu)選地，柔性相控陣超聲換能器包括可伸縮的橡膠陣元底座、超聲陣元、柔性探頭電氣適配器；超聲陣元設(shè)置在所述可伸縮的橡膠陣元底座上，在可伸縮的橡膠陣元底座的端部連接柔性探頭電氣適配器，所述柔性探頭電氣適配器具有柔性相控陣發(fā)射與接收連接端口。

63、優(yōu)選地，參數(shù)配置包括脈沖類(lèi)型。

64、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

65、1.本發(fā)明提供了一種確定非平面的柔性超聲陣列元素位置的算法，通過(guò)直射波路徑之間的傳播時(shí)間數(shù)據(jù)集作為輸入，并通過(guò)比較標(biāo)定數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)之間的誤差來(lái)迭代地調(diào)整優(yōu)化陣列發(fā)射與接收陣元元素的位置，直到目標(biāo)函數(shù)最小化為止，能夠準(zhǔn)確確定發(fā)射陣元和接收陣元的位置。

66、2.本發(fā)明具有靈活性和適應(yīng)性：柔性探頭可以適應(yīng)不同的檢測(cè)環(huán)境和幾何形狀，特別是在曲面或復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。相比之下，傳統(tǒng)探頭通常是剛性的，適應(yīng)性差。

67、3.本發(fā)明采用了相控陣技術(shù)，因?yàn)槊總€(gè)陣元都是有單獨(dú)的控制線的，這樣fpga能夠單獨(dú)控制柔性相控陣超聲探頭中每個(gè)陣元做發(fā)射陣元還是接收陣元，使得探頭可以調(diào)整發(fā)射和接收波的角度，以及發(fā)射陣元發(fā)射超聲波脈沖的時(shí)間，使之同時(shí)到達(dá)缺陷，即超聲波在缺陷處聚焦，提高成像分辨率和檢測(cè)精度具有更高的分辨率。

68、4.本發(fā)明能夠進(jìn)行多向探測(cè)：每個(gè)陣元既能夠作為發(fā)射陣元，也能夠作為接收陣元，并且該柔性探頭為平面，可以分配不同的發(fā)射陣元-接收陣元組合(不局限于1對(duì)1的組合，也可以是1對(duì)多，或者多對(duì)多，可以使發(fā)射陣元有多個(gè)發(fā)射陣元發(fā)射超聲脈沖，同時(shí)到達(dá)缺陷處，實(shí)現(xiàn)超聲波在缺陷處的聚焦，以達(dá)到最好的效果)，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)類(lèi)似多個(gè)傳統(tǒng)探頭分布工件上，同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，即可以同時(shí)進(jìn)行多角度、多方向的檢測(cè)，減少了傳統(tǒng)探頭逐點(diǎn)掃描所需的時(shí)間。

69、5.本發(fā)明具有更好的聲場(chǎng)特性：通過(guò)相控陣技術(shù)，可以?xún)?yōu)化聲波在材料中的傳播，提升對(duì)缺陷的探測(cè)能力，優(yōu)化的聲波傳播。