基于N形模板的超聲相控陣三維成像實(shí)現(xiàn)

朱鈴琳

(上海工程技術(shù)大學(xué) 航空運(yùn)輸學(xué)院(飛行學(xué)院)， 上海 201620)

0 引 言

超聲檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，適用于檢測(cè)物體表面及內(nèi)部區(qū)域包括隱藏的裂紋、空隙等各種缺陷。由于超聲波的傳遞要求介質(zhì)是連續(xù)的，而在缺陷處的界面產(chǎn)生的干擾信號(hào)，使超聲信號(hào)發(fā)生反射，以此成像來(lái)判斷此界面是否有缺陷。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)能夠在一個(gè)位置開(kāi)展一系列不同的檢測(cè)，在每個(gè)檢測(cè)的位置產(chǎn)生圖像，操作上更加靈活。這些優(yōu)點(diǎn)使超聲相控陣在工程應(yīng)用上更廣。

諸多學(xué)者的研究成果均表明了超聲相控陣成像在工業(yè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景[1-2]，近年來(lái)，計(jì)算機(jī)圖形圖像等技術(shù)不斷發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等三維重建技術(shù)，已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一門頗具特色的交叉性學(xué)科[3]。三維重建是從一系列的二維圖像中獲取三維結(jié)構(gòu)信息的一個(gè)過(guò)程，與二維圖像相比，三維圖像能夠提供更加豐富的信息和更直觀的感受。在醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域，傳統(tǒng)的B掃描成像方式應(yīng)用最為廣泛，可以直觀地顯示目標(biāo)組織的二維切面圖。將B掃描成像方式應(yīng)用到工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，能有效地檢測(cè)到目標(biāo)內(nèi)部的切面圖[4]，給工業(yè)檢測(cè)活動(dòng)帶來(lái)了極大的便利。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與超聲掃描

現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備為例。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。以二維超聲相控陣檢測(cè)圖像為基礎(chǔ)，進(jìn)行圖像三維空間定位機(jī)理與成像研究。使用機(jī)械臂夾持超聲相控陣探頭掃描 N型模板，利用圖像采集卡采集二維超聲圖像序列。用愛(ài)普生C3緊湊型六軸機(jī)器人末端夾持超聲探頭和光學(xué)傳感器，愛(ài)普生C3機(jī)器人具備出色的靈活性，專為狹小空間內(nèi)的大型工作而制造。實(shí)驗(yàn)中使用的便攜型相位陣列式超音波探傷儀Phasor XS，這是用于材料測(cè)試的儀器，適用于工業(yè)環(huán)境中。在航空航天工程中，相控陣技術(shù)常用來(lái)對(duì)飛機(jī)機(jī)翼和機(jī)身上的鋁合金材料以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行大面積檢測(cè)。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文實(shí)驗(yàn)中，使用了液浸式一維線陣相控陣探頭，如圖2所示。即使用時(shí)需將探頭的下表面浸入液體中，目前，一維線陣是相控陣探頭中應(yīng)用最多的一種形式，其特點(diǎn)是能在相控陣的軸平面實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)和軸向聚焦。

圖2 一維線陣相控陣探頭

本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的N型模板如圖3所示[5]。由圖3可知，以水為耦合液，將 N 型模板放置于水箱中，注意需使水面高度超過(guò)模板表面。人工操縱六自由度機(jī)器人，使末端的超聲探頭下表面浸入水中，然后在 N 型模板的垂直于棉線的方向進(jìn)行等間距超聲掃秒，利用圖像采集卡進(jìn)行圖像采集。在金屬線框中，使用直徑為0.3 mm 的棉線按“N”型依次穿過(guò)線框邊緣的直徑為1 mm 的小孔，棉線具有較好的彈性，在干燥和潮濕的環(huán)境中均能夠保持繃緊狀態(tài)，將模板置入水中時(shí)棉線不易發(fā)生變形，從而保證棉線的位置精度。

圖3 N型模板

2 圖像采集、處理及三維成像

超聲掃描檢測(cè)中的重建步驟可表述為：

(1) 數(shù)據(jù)采集。通過(guò)掃描得到二維序列圖像，如圖4所示。

(2) 圖像預(yù)處理。通過(guò)對(duì)原始圖像再加工，其中包括圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像分割等。

(3) 三維建模及數(shù)據(jù)可視化。將處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為幾何描述，對(duì)一維標(biāo)量數(shù)據(jù)可采用線畫圖、直方圖或者柱形圖來(lái)表示。對(duì)三維標(biāo)量可采用表面模型和體素模型進(jìn)行表達(dá)。

(4) 繪制與顯示。將幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)，使其能在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)。

實(shí)驗(yàn)中以計(jì)算機(jī)向六自由度機(jī)器人發(fā)送控制指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人對(duì)N型模板進(jìn)行等間距掃描。利用圖像采集卡實(shí)時(shí)采集相控陣圖像。當(dāng)超聲探頭掃描N形模板時(shí)，超聲探頭的成像平面在每一個(gè)成像位置都與單個(gè)N形靶線交于3個(gè)點(diǎn)，在超聲圖像上顯示為3個(gè)亮斑，由于模板每層N線共用中間的一條邊，所以每層N線成像特征點(diǎn)為5個(gè)，一次掃描兩層N線，則超聲圖像上會(huì)有10個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。

圖4 N形模板目標(biāo)點(diǎn)超聲成像圖

經(jīng)過(guò)目標(biāo)區(qū)域提取，去除原始圖像中多余的無(wú)用區(qū)域，減少后續(xù)步驟的工作量。對(duì)圖像序列進(jìn)行分割結(jié)束后，提取邊緣坐標(biāo)并計(jì)算邊緣輪廓的中心點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)阻尼最小二乘算法[5]對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)定后，實(shí)現(xiàn)相控陣圖像序列的三維重建。

2.1 阻尼最小二乘算法

阻尼最小二乘法(DLS)是高斯-牛頓法與Levenber-Marquardt(LM)算法[6-7]的結(jié)合。DLS方法的優(yōu)點(diǎn)主要在于可以在標(biāo)定的過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)：如果梯度下降太快， 則使用較小的阻尼系數(shù)λ，使之更接近高斯牛頓法；如果梯度下降太慢，則使用較大的系數(shù)λ，使之更接近梯度下降法，適用于求解非線性多元目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。研發(fā)設(shè)計(jì)流程分述如下。

Step2計(jì)算Qk=JTJ,gk=Y-Fk。

Step3解迭代方程(Q+λI)pk=-JTgk, 求得pk。

Step4檢驗(yàn)條件gTk(c+pk)gk(c+pk)

Step5若pk滿足精度則結(jié)束，否則k=k+1， 回到Step 1。

2.2 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)區(qū)域提取和缺陷分割技術(shù)可以提取出目標(biāo)點(diǎn)的像素坐標(biāo)值。通過(guò) N線三個(gè)點(diǎn)間距離比值關(guān)系可以得到對(duì)應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)在模板坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。將獲得的二維中心點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣求得三維實(shí)際坐標(biāo)，部分三維數(shù)據(jù)點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 部分三維數(shù)據(jù)點(diǎn)

將得到的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)值以數(shù)值矩陣的形式導(dǎo)入Matlab中，編程得到三維N形線圖，如圖5所示。

圖5 N線三維成像圖

3 結(jié)束語(yǔ)

三維成像結(jié)果可以真實(shí)再現(xiàn)被測(cè)物體的三維面貌，通過(guò)人機(jī)交互操作，能幫助操作人員明確目標(biāo)位置，達(dá)到檢測(cè)目的，具有一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。