一种用于裂纹方向识别的超声散射系数优化计算方法
专利汇可以提供一种用于裂纹方向识别的超声散射系数优化计算方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种用于裂纹方向识别的超声散射系数优化计算方法，属 无损检测 领域。本发明利用超声 相控阵 检测系统，采集裂纹 缺陷 的全矩阵数据，首先利用采集到的数据对缺陷进行全聚焦成像确定其 位置 ，然后计算裂纹缺陷的散射系数空间分布，确定裂纹的 角 度。其 中子 阵列包含的晶片个数、相邻子阵列间隔晶片数对裂纹角度的测量 精度 影响较大。本发明利用多个评价指标评价不同子阵列包含的晶片个数、相邻子阵列间隔晶片数时裂纹角度测量结果的优劣，通过主成分分析法综合评价测量结果，得到最佳测量结果，其对应的参数——子阵列包含的晶片个数和相邻子阵列间隔晶片即为最佳检测参数。，下面是一种用于裂纹方向识别的超声散射系数优化计算方法专利的具体信息内容。
1.超声相控阵检测系统，其特征在于：该系统包括计算机(1)、超声相控阵系统(2)、相控阵换能器(3)以及待检测试件(4)；其中，超声相控阵系统(2)一端与计算机连接，另一端与相控阵换能器连接，相控阵换能器(3)与待检测试件(4)通过耦合介质进行耦合；在计算机的控制下超声相控阵系统激励/接收模块产生激励信号，通过相控阵换能器激励出超声波信号，沿待测试件传播，并通过相控阵传感器接收反射的超声波信号，然后通过相控阵系统信号激励/接收模块进行接收传输到计算机中，通过计算机中相应采集软件即可获得检测的A扫波形；所述的相控阵换能器采用由32个阵元组成的线阵相控阵探头。
2.依权利要求1所述的超声相控阵检测系统，一种用于裂纹缺陷方向识别的超声散射系数优化计算方法，其特征在于：该方法具体识别步骤如下，
步骤一：采集裂纹缺陷的全矩阵数据
利用超声相控阵检测系统采集被测裂纹缺陷的全矩阵数据g(i)j(t)(i＝1,2,3,…,N，j＝1,2,3,…,N)，其中，下标(i)表示阵列换能器中第i个阵元激励，j表示阵列换能器中第j个阵元接收；
步骤二：计算不同参数下裂纹缺陷的角度；当参数子阵列包含晶片个数a及相邻两个子阵列间隔的晶片数b一定时，裂纹角度的计算方法如下：
(1)确定缺陷的位置；建立坐标系，其原点定义在阵元序列的中心，其中(xtx,ztx)为发射阵元的坐标，(xrx,zrx)为接收阵元的坐标，(x,z)为成像点坐标，则成像点的幅值式中g(i)j—i晶片发射、j晶片接收时的阵数据；c—超声波波速；(x,z)—成像点位置坐标；根据裂纹缺陷成像幅值最大值下降3dB范围内点确定缺陷的位置(x0,z0)；
(2)计算裂纹缺陷的角度；对于线性阵列，通常用阵列中多个晶片组成的子阵列接收的信号计算缺陷的散射系数分布，以保证一定的空间分辨率，减少其他散射体对目标散射体的影响；建立坐标系，原点位于线性阵列中心，子阵列全聚焦成像幅值I(x0,z0,a(k),al)如式2所示：
其中(x0,z0)—缺陷在成像区域中的坐标，a(k)—第k个激励子阵列，al—第l个激励子阵列，d—子阵列到成像点的距离，c—波速，P—线性阵列声束指向性函数，B—声束扩散函数，g(i)j(t)—线性阵列中第i个阵元激励，第j个阵元接收的时域信号；
缺陷子阵列全聚焦成像幅值I与其散射系数S的关系如下式所示：
其中C—常数，S—散射系数，ωc—入射信号中心频率，S′—子阵列散射系数；根据散射系数矩阵与缺陷子阵列成像幅值的关系，可以求得缺陷的子阵列散射系数分布，即根据子阵列散射系数分布，当入射角等于散射角且散射系数最大时，认为声束垂直入射到缺陷表面，根据几何关系可知，裂纹缺陷与水平方向的夹角等于此时入射角；
步骤三：利用主成分分析法优化计算裂纹角度的关键影响参数：子阵列包含晶片个数a及相邻两个子阵列间隔的晶片数b；
(1)检测所用线性阵列探头共有N个晶片，不同子阵列包含晶片数及相邻子阵列间隔晶片数组合共有 n种，因此先研究子阵列包含晶片数和相邻子阵列间隔晶片数在1～N1(N1＜N)范围内变化时，对裂纹方向识别的影响；计算子阵列包含晶片数为a(a∈[1,N1])和相邻子阵列间隔晶片数为m(m∈[1,a])时，裂纹缺陷角度的测量结果；每组测量结果有3个评价指标：绝对误差、角度分辨率及相对脊带宽度，分别用X1、X2、X3表示；
其中角度分辨率用缺陷散射系数矩阵中相邻入射角之差的最大值表示；
(2)由于X1、X2、X3量纲不同，首先对X＝[X1，X2，X3]ˊ进行无量纲化，标准化是常用的无量纲化方法，如下式所示：
其中
(3)计算标准化后样本X的相关系数矩阵R；
(4)求解相关系数矩阵R的特征值λi(i＝1,2,…p)以及相应的单位正交特征向量Ui(i＝1,2,…p)，将其按从小到大的顺序排列；并计算方差贡献率Ti及累计贡献率Di，确定主成分的个数m，m由D≥85％决定；
(5)计算主成分Yi(i＝1,2,…m)及评价综合评价值Z，如下式所示
由综合评价表达式可知，综合评价值是对原指标的两次加权求和，即综合评价值越小，测量结果越好；故当综合评价值最小时所对应的子阵列包含晶片个数a及相邻两个子阵列间隔的晶片数b即为最佳计算参数。
3.根据权利要求2所述的一种用于裂纹缺陷方向识别的超声散射系数优化计算方法，其特征在于：利用CIVA仿真和检测实验得到的数据进行实例分析，
利用CIVA软件中的超声仿真模块，对超声相控阵缺陷检测进行仿真；在CIVA软件中，建立含与水平方向成15°角的裂纹缺陷的仿真模型；其中，基体材料为铝，裂纹长度为
3mm；激励信号中心频率为5MHz，采样频率为100MHz，相控阵检测模式为全矩阵数据采集模式，探头基本参数设置如表1所示；
表1 探头基本参数
Table1 Basic parameters of the probe
步骤一：采集裂纹缺陷的全矩阵数据
从CIVA软件中导出被测裂纹缺陷的全矩阵数据g(i)j(t)(i＝1,2,3,…,N，j＝
1,2,3,…,N)，其中，下标(i)表示阵列换能器中第i个阵元激励，j表示阵列换能器中第j个阵元接收；
步骤二：计算不同参数下裂纹缺陷的角度；
(1)确定缺陷的位置；利用数值仿真数据进行全聚焦成像，以裂纹缺陷成像幅值最大值下降3dB范围作为为缺陷区域；
(2)计算裂纹缺陷的角度；仿真所用相控阵探头含有32个晶片，不同子阵列包含晶片数及相邻子阵列间隔晶片数组合共有种；为减少计算量，首先以子阵列包含晶片数a和相邻子阵列间隔晶片数b在1～8范围内变化时，两个参数的取值变化对散射系数分布的影响进行研究；根据式(2)及式(4)计算不同子阵列包含晶片数及相邻子阵列间隔晶片数时裂纹的散射系数数分布得到其角度，结果如表2所示；
表2 不同子阵列包含晶片数和相邻子阵列间隔晶片数下角度测量结果
步骤三：利用主成分分析法优化计算裂纹角度的关键影响参数；
(1)评价指标绝对误差(X1)、角度分辨率(X2)及相对脊带宽度(X3)如表2所示，由于* * *
X1、X2、X3量纲不同，首先对X＝[X1，X2，X3]ˊ进行标准化X*＝[X1，X2，X3]ˊ；
* * *
(2)计算X*＝[X1，X2，X3]ˊ的相关系数矩阵，结果如下所示：
(3)计算相关系数矩阵R的特征值和各主成分的方差贡献率如表3所示；
表3 特征值与方差贡献率
由表3可知，第一主成分与第二主成分保留了原始指标87.09％的信息，故用第一主成分与第二主成分可以综合评价测量结果的优劣；其特征值对应特征向量分别为T1＝[-0.7465，0.2592，-0.6128]，T2＝[-0.1379，0.8407，0.5919]，则其主成分为：
* * *
Y1＝-0.7465X1+0.2592X2-0.6128X3 (10)
* * *
Y2＝-0.1379X1+0.8407X2+0.5919X3 (11)
其综合评价结果可以表示为：
Z＝0.4868Y1+0.3840Y2 (12)
由综合评价结果分析可知，综合评价较好的几组的编号分别为1、2、4、7、11、16、22、29，其共同特点是间隔的晶片数量相同，且均为1；因此，在后续影响参数研究中，不再优化间隔的晶片数量，将间隔晶片数量确定为1；
(4)计算裂纹缺陷角度时最佳相邻子阵列间隔晶片数为1改变子阵列包含晶片数，进行散射系数分布的计算，确定裂纹的角度，结果如表4所示；由于当子阵列包含晶片数大于
18时，散射系数矩阵的空间分辨率很差且测量结果误差较大，故结果中仅列出包含晶片数为1～18的计算结果；
表4 不同子阵列包含晶片数下角度测量结果
(5)重复步骤三中(1)～(3)，计算相邻子阵列间隔晶片数为1，子阵列包含晶片数不同时裂纹角度测量结果的综合评价值，确定最佳子阵列包含晶片数；由于间隔为1时，角度分* * *
辨率相同，故仅需考虑测量误差与相对脊带宽度两个指标；根据标准化后X ＝[X1,X2]的相关系数矩阵求解其主成分，相关系数矩阵R1如式(12)所示；R1的特征值和各主成分的方差贡献率如表5所示；
表5 特征值与累计贡献率
由表5可知，需要同时用第一主成分与第二主成分才能完整的反映原指标的信息；特征值对应特征向量为T1＝[0.7071，0.7071]，T2＝[-0.7071，0.7071]，则第一主成分Y1、第二主成分Y2为：
* *
Y1＝0.7071X1+0.7071X2 (14)
* *
Y2＝-0.7071X1+0.7071X2 (15)
综合评价值Z，
Z＝0.5858Y1+0.4142Y2 (16)
分析可知，当相邻子阵列间隔晶片数均为1时，子阵列包含晶片个数为12时，综合评价值最小，即测量结果最佳；
(6)利用实验验证CIVA仿真得到的最佳检测参数，采用与仿真中完全相同的线性阵列相控阵探头，型号为5L-32A5；被测试件材料为铝，大小为120mm*80mm*25mm，试件上加工有一3mm*1mm的槽型缺陷，近似替代裂纹缺陷，该缺陷与水平方向成15°；激励信号中心频率为5MHz，采样频率为100MHz，相控阵检测模式为全矩阵数据采集模式；
a)利用超声相控阵检测系统采集被测裂纹缺陷的全矩阵数据g(i)j(t)(i＝
1,2,3,…,N，j＝1,2,3,…,N)，对采集到的全矩阵数据进行全聚焦成像，缺陷位于距被测表面30mm处；
b)根据步骤三中(3)仿真结果可知，当相邻子阵列间隔晶片数为1时，裂纹缺陷的角度测量结果较好，故实验中，保持相邻子阵列间隔晶片数为1不变，仅改变子阵列包含的晶片数，研究其对裂纹缺陷角度测量结果的影响，结果如表6所示；
表6 不同子阵列包含晶片数下角度测量结果
* * *
c)重复步骤三中(5)；根据标准化后X ＝[X1,X2]的相关系数矩阵求解其主成分，相关系数矩阵R2如式(16)所示；R2的特征值和各主成分的方差贡献率如表7所示；
表7 特征值与累计贡献率
由表7可知，第一主成分保留了原始指标85.65％的信息，故可用第一主成分评价结果的优劣；特征值1.7131对应特征向量为T1＝[0.7071，0.7071]，则其主成分为：
* *
Y1＝0.7071X1+0.7071X2 (18)
综合评价指标可表示为：
Z＝0.8565Y (19)
综合指标的评价结果分析可知，当子阵列包含晶片数为11，相邻子阵列间隔晶片数为
1时，综合评价值最小，即计算结果最佳。
一种用于裂纹方向识别的超声散射系数优化计算方法
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
[X1,X2]的相关系数矩阵求解其主成分，相关系数矩阵R1如式(12)所示。R1的特征值和各主成分的方差贡献率如表5所示。
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