聚乙烯管道焊接超聲波檢測中的空間復合成像技術(shù)

謝長生，王勝輝，張 俊，羅曉明，印軍華

（1.上海海長驕機電工程有限公司，上海 201801；2.上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200333）

PE管的原材料聚乙烯是一種高分子量的有機合成材料，是目前國際上應用于塑料壓力管的最為成熟的材料之一，在許多國家的輸水輸氣輸油管道工程中廣泛應用，且發(fā)展迅速。PE 管的焊接質(zhì)量的好壞直接影響到管道系統(tǒng)的安全和壽命，故須對PE管環(huán)焊縫進行全面的非破壞性探傷。對PE 材料管的焊縫探傷，超聲波法是一個首選的、方便有效的方法，故筆者選擇了超聲波方法對PE 管環(huán)焊縫進行質(zhì)量檢測［1］。

超聲波檢測過程中，檢測系統(tǒng)的成像質(zhì)量和分辨率是關(guān)鍵的性能指標?？臻g復合技術(shù)是增強超聲圖像質(zhì)量和檢測能力的技術(shù)，在工業(yè)探傷相控陣超聲檢測儀器中應用還較少?？臻g復合成像技術(shù)能降低圖像的隨機噪聲和斑點噪聲，提高圖像的信噪比，提高缺陷的檢出能力，并且可以降低實際檢測時的盲區(qū)和偽像。筆者利用空間復合成像技術(shù)，對PE 焊縫超聲波探傷中的圖像質(zhì)量進行了優(yōu)化，并將其運用到工程實踐中。

1 空間復合成像原理及實現(xiàn)

1.1 空間復合成像原理

空間復合成像技術(shù)可以降低超聲圖像中的斑點噪聲、混響、聲影、盲區(qū)，提高圖像的對比分辨率和信噪比，從而提高超聲圖像的清晰度和可讀性。

超聲圖像的質(zhì)量通常是通過信噪比（SNRe）來評價式中：μ為均勻組織區(qū)域的平均值；σ為均勻組織區(qū)域的標準差。

設兩個子圖像P和Q，大小均為m×n，它們之間的相關(guān)性系數(shù)ρ（0≤ρ≤1）表示為

式中：P和Q分別為圖像Pij和Qij中位置（i，j）上的灰度值；分別為圖像P和Q的灰度平均值。

定義N個隨機變量Xi（i＝1，2，…，N，N≥2）表示N個子圖（來自于同一個感興趣區(qū)域ROI）。對這N個子圖使用平均加權(quán)策略，復合成一個新的圖像X，則圖像X的方差為：

假設Var（Xi）近似等于σ2，ρ（Xi，Xj）近似等于ρ，則式（3）可簡化為

如果將圖像的平均值看作一個常數(shù)μ，則N個子圖像平均復合后所得圖像的數(shù)學期望也是這個值，即

由式（1，4，5）得到復合后圖像X的信噪比為

從式（6）可得出：如果各子圖像集完全解相關(guān)（即ρ＝0，隨機變量Xi完全獨立），則復合后的圖像的信噪比是原來的倍；如果各子圖像見完全相關(guān)（即ρ＝1），則復合后圖像的信噪比沒有變化；如果各子圖像間部分相關(guān)（即0＜ρ＜1），則復合后圖像的信噪比是原來的倍［2］。

通過以上的推導可得出，只要各子圖像之間具有解相關(guān)性，復合后的圖像的信噪比就能得到一定的提高，且解相關(guān)性越強，信噪比提高就越顯著。

對超聲波相控陣工業(yè)探傷儀來說，空間復合成像技術(shù)利用掃描聲束的偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)從多個角度對同一目標進行成像。不同發(fā)射／接收波束方向的含斑點噪聲、隨機噪聲等噪聲的子圖像具有一定的解相關(guān)性，并且，不同時刻采集的子圖像，隨機噪聲等也具有一定的解相關(guān)性。所以通過空間復合成像，能降低圖像的隨機噪聲和斑點噪聲，提高圖像的信噪比。

圖1顯示了利用線陣三個偏轉(zhuǎn)角度的組件圖像實現(xiàn)空間復合的示意圖，在圖1中，以向左斜掃得到超聲圖像A，以正掃（垂直掃查）得到超聲圖像B，以向右斜掃得到超聲圖像C，然后根據(jù)超聲圖像的空間坐標對三幅圖像各點幅值進行加權(quán)，得到新的像點組成的超聲圖像D。在整個掃描區(qū)域中，三個不同偏轉(zhuǎn)角度的組件圖像在一個梯形區(qū)域內(nèi)重疊。由于不同偏轉(zhuǎn)角度的組件圖像受到相對獨立的斑點噪聲，以及不同聲影和混響等的干擾，通過三個組件圖像的復合即可有效降低斑點噪聲、聲影、混響等因素的影響，從而在該重疊區(qū)域內(nèi)獲得噪聲更低、圖像更清晰的圖像質(zhì)量［2－4］。隨著圖像的噪聲降低，超聲圖像D 的空間組織結(jié)構(gòu)變得細膩，圖像對比度增強，同時也看到空間復合后的圖像掃查視野增大。

圖1 三個偏轉(zhuǎn)角度的組件圖像及空間復合圖像

1.2 空間復合成像實現(xiàn)

空間復合成像是由正掃、左掃、右掃三幅復合而成，其各自的掃描采集時間見圖2。

圖3為空間復合成像在超聲相控陣儀器中的實現(xiàn)位置。從圖中可看出，經(jīng)過A／D 變換、波束形成、掃描變換等階段形成的子圖像幀F(xiàn)（x，y）（例如正掃、左掃、右掃等）在空間復合成像處理模塊進行復合，形成復合圖像后被顯示出來。

圖2 掃描幀數(shù)據(jù)采集時間

圖3 空間復合成像在超聲相控陣儀器中的實現(xiàn)位置

從不同幀形成復合幀的方法有：Peak－Detection（峰值檢測）法、平均法、幾何平均法、中值法、均方根法等。

平均法的計算公式如下：

幾何平均法的計算公式如下：

均方根法的計算公式如下：

式中：F（x，y）為原始采集的圖像幀（如正掃、左掃、右掃幀）數(shù)據(jù)；C（x，y）為空間復合后的圖像幀數(shù)據(jù)；N一般取值3。

其它方法的計算公式略。文中主要采用平均法。

2 空間復合技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 擴大檢測區(qū)域

如圖4所示，空間復合掃查所成的圖像是由左斜掃查、右斜掃查和正掃拼接而成，兩個斜掃查有部分區(qū)域與正掃不重合，這便擴大了原來的檢測區(qū)域。

2.2 降低斑點噪聲、隨機噪聲

圖4 空間復合掃查擴大檢測區(qū)域示意

超聲成像中的斑點噪聲是一種內(nèi)在的成像偽影，其是一種隨機的“米粒狀”結(jié)構(gòu)，會使得超聲圖像組織結(jié)構(gòu)的顯示變得模糊，圖像斑點往往被稱為“噪聲”。當反射體的間距小于超聲系統(tǒng)的最高分辨率時，超聲回波間的多種相互作用就會產(chǎn)生斑點噪聲，并由此降低了圖像的空間分辨率和對比分辨率，相應的成像則變得模糊不清。

目前傳統(tǒng)斑點噪聲的處理方法可分為三類：分辨率提升法，處理法，平均法。最常用的是平均法。

平均法有三種：時間平均法、空間復合法和頻率融合成像法。時間平均法考慮了組織或者探頭的移動；空間復合成像使用了多角度聲束的發(fā)射和接收；頻率融合成像則利用了不同發(fā)射頻率／接收頻帶來融合圖像信息。使用這些技術(shù)獲得的非相關(guān)幀，具有不同的斑點模式，但有著相同的特征圖像信息。處理后斑點噪聲被降低了，但不同幀之間的相同特征的圖像信息被提升了［2－5］。

通過空間復合成像，降低斑點噪聲的同時，也降低了其它隨機噪聲和干擾噪聲。

2.3 提高圖像對比度

通過空間復合成像，并選取合適的窗函數(shù)等技術(shù)，可加強目標中探測部位的波束信號強度，增強超聲圖像中探測部位的最終信息，使最終的超聲圖像有較好的分辨率和層次感，更多地顯示出探測部位的有用信息［6］。

2.4 減少盲區(qū)

線陣正掃中，若兩個垂直的焊接缺陷距離較近，上方的焊接缺陷會有偽像或噪音會干擾下方的缺陷成像。使用空間復合成像，從三個不同的角度對區(qū)域進行掃描，當掃描的角度偏移時，上方的焊接缺陷對下方近距離缺陷的干擾會減小，使得圖像的辨識度更高。從圖5中可看出，采用空間復合技術(shù)后，對于焊接缺陷的定位更加準確。

3 試驗過程與結(jié)果分析

3.1 試塊制作與試驗設備

圖5 減少盲區(qū)

為了驗證空間復合的效果，首先制做了兩個PE測試試塊，其外觀如圖6所示。在圖6上方所示的PE測試試塊上鉆孔，孔直徑1.2mm，共分4行，每行6個孔洞，4行孔距離表面分別為：0.5，1.5，2.5，3.5cm。圖6下方所示的試塊的右側(cè)從右往左的方向上鉆了6個孔（在該試塊的右側(cè)表面向左側(cè)進行檢測，故在圖像上顯示的是垂直的6個孔）［1］。

圖6 PE試塊外觀

用超聲檢測系統(tǒng)對PE試塊進行超聲B掃描成像。由于孔洞深度不是很深，故選擇發(fā)射頻率為7.5 MHz。

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 檢測區(qū)域的對比

試驗結(jié)果如圖7所示，普通掃查成像時，能夠看到上面一排的兩個點和下面一排的四個點；當切換到空間復合模式時，上面一排能夠看到三個點，下面可以看到5個點。可見明顯擴大了檢測區(qū)域，能發(fā)現(xiàn)更多的缺陷。

圖7 采用不同掃查技術(shù)后的擴大檢測區(qū)域

3.2.2 噪聲的對比

圖8 采用不同掃查技術(shù)后的噪聲對比

試驗結(jié)果如圖8所示，左側(cè)普通掃查圖下方有很多噪聲；切換為空間復合模式后，噪聲明顯減少。

3.2.3 圖像對比度的對比

如圖9所示，普通掃描圖像的圓孔呈扁平狀，而且最右側(cè)的兩個點之間有虛影相連，切換為空間復合模式后，虛影消失，圓孔扁平現(xiàn)象有所改善，最右側(cè)亮點也可以較好地區(qū)分開來。出現(xiàn)圓孔目標超聲成像成為扁平狀的現(xiàn)象，則是超聲檢測系統(tǒng)的橫向分辨率沒有縱向分辨率高而造成。

圖9 采用不同掃查技術(shù)后的圖像對比度

3.2.4 盲區(qū)的對比

掃查一排垂直的孔時，下面孔的成像會被上面的孔擋住，如圖10所示。圖10中箭頭所指的亮點為PE 上圓孔成的像，圓孔的像后面有時會帶有偽影（即圖像中的其它亮點）。圖10（a）中有5個點，第5個點已經(jīng)裂開；切換為空間復合模式后，能掃查出的點明顯增多，第3個孔（圖像中第5個點）也能完好顯示，并隱約可見第4個孔。同時，偽像也會有一定程度的降低。

圖10 采用不同掃查技術(shù)后的盲區(qū)對比

4 工程應用

將空間復合技術(shù)應用到PE 管道焊接超聲檢測的工程實踐中，以用電熔焊接的管材（圖11）為例進行檢測。

圖11 電熔焊接的PE管材外觀

掃描出的圖像如圖12所示。圖12（a）中，一排金屬絲之間的偽像，有的地方連在一起，底面回波形成了多層線；圖12（b）中每個金屬絲清晰獨立，金屬絲的偽像弱化，底面回波也只有一條線。

圖12 采用不同技術(shù)掃查PE管材的圖像對比

5 結(jié)論

空間復合成像技術(shù)可以降低聚乙烯管道焊接超聲波檢測中成像的噪聲，擴大檢測區(qū)域，降低盲區(qū)和偽像，提高圖像對比度及分辨率，在管道焊接的超聲波檢測中有重要的應用價值。將其應用于PE管道焊接相控陣檢測和工程實踐中，取得了很好的效果，圖像質(zhì)量和缺陷檢出能力均得到了提高。

［1］丁守寶，郭偉燦，鄭津洋，等。聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測［J］。無損檢測，2008，30（5）：10－13.

［2］邵黨國，鐘明，易三莉，等.基于空間位移復合的超聲彈性成像抑噪數(shù)據(jù)采集與處理［J］.2014，29（1）：70－74.

［3］LIU P，LIU D C.Oriented demodulation and frequency splitting for directive filtering based compounding［C］／／2008IEEE Ultrasonics Symposium.Beijing：［s.n］，2008.

［4］LIU P，LIU D C.Directive filtering schemes for frequency compounding in ultrasound speckle reduction［C］／／Proceedings of 2008International Pre－olympic Congress on Computer Science.Nanjing：［s.n］，2008：227－231.

［5］伍于添.醫(yī)用超聲設備原理、設計、應用［M］.北京：科學技術(shù)文獻出版社，2012.

［6］田園.超聲診斷的空間復合成像方法：中國，CN102038519B［P］.2010－12－31.