車軸壓裝部相控陣超聲波探傷的各向異性擴(kuò)散去噪改進(jìn)算法

彭朝勇，高曉蓉，王　艾

(1.西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都　610031；2.成都主導(dǎo)科技有限責(zé)任公司，四川 成都　610091)

但是，在使用相控陣超聲檢測技術(shù)對車軸壓裝部進(jìn)行全覆蓋探傷[3]時，由于壓裝部輪軸接觸界面(簡稱壓裝界面)存在一定粗糙度[4]和微動腐蝕[5]，使得超聲波在壓裝界面產(chǎn)生較強(qiáng)的界面回波，導(dǎo)致超聲成像質(zhì)量差，易造成對缺陷的誤判或漏判。目前國內(nèi)外已經(jīng)有少數(shù)研究團(tuán)隊(duì)針對車軸壓裝部的超聲檢測展開相關(guān)優(yōu)化研究，如德國聯(lián)邦材料研究所(BAM)及德國弗勞恩霍夫研究所(Fraunhofer IKTS)對由具有固定幾何尺寸的車軸拐角等引起的固定回波的具體位置和尺寸進(jìn)行標(biāo)記，并采用增益控制曲線去除[6]，但用該方法并不能可靠地去除缺陷回波；德國聯(lián)邦鐵路公司技術(shù)研究中心的無損檢測部門及Arxes-tolina公司都采用相控陣超聲波探傷與合成孔徑聚焦(SAFT)算法相結(jié)合的方法提高檢測圖像的分辨率，通過精細(xì)化顯示缺陷頂部尖端反射信號和缺陷端角反射信號，可有效排除壓裝界面回波的干擾[7-8]，但SAFT算法計(jì)算量大，并需采用特殊的相控陣超聲硬件設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，因此目前該方法多用于實(shí)驗(yàn)室研究，并未用于現(xiàn)場對車軸傷損的自動化檢測。

另外，目前的各向異性擴(kuò)散算法[9-12]雖然在圖像去噪時能保留圖像的邊緣等有用信息，但也存在計(jì)算量較大等問題。

本文結(jié)合車軸壓裝部超聲檢測圖像的固有特征，通過定義局部區(qū)域?qū)Ρ榷确从橙毕菁皦貉b界面回波的聚集特征，并將局部區(qū)域?qū)Ρ榷茸鳛閰?shù)，構(gòu)建基于區(qū)域?qū)Ρ榷鹊淖赃m應(yīng)各向異性擴(kuò)散改進(jìn)算法，利用改進(jìn)算法對壓裝部超聲圖像進(jìn)行快速處理，實(shí)現(xiàn)對壓裝界面回波的抑制。

1　測試平臺及數(shù)據(jù)獲取

使用基于相控陣超聲技術(shù)的車軸壓裝部超聲波探傷測試平臺(見圖1)對車軸壓裝部上編號分別為1—5的人工裂紋缺陷(見圖2)進(jìn)行檢測[3]。由圖1可見：當(dāng)車軸旋轉(zhuǎn)360°時，相控陣超聲探頭在實(shí)施扇形掃查的同時采集車軸周向360°的超聲波檢測數(shù)據(jù)。

圖1　車軸壓裝部相控陣超聲波探傷測試平臺

圖2　人工裂紋缺陷分布及相控陣超聲檢測方案

在輪對壓裝前后，使用相控陣超聲探頭(PA探頭)最基本的扇形掃查模式對圖2中對應(yīng)的編號4，1和5這3個人工缺陷進(jìn)行檢測，得到壓裝前、后壓裝部扇形掃查回波的對比情況如圖3所示。由圖3可見：輪對壓裝后，車軸的壓裝界面回波與缺陷回波相互重疊，信噪比明顯降低，嚴(yán)重影響缺陷的辨識。

由于相控陣探頭的楔塊使用的是與車軸表面曲率匹配的弧形楔塊，所以通過弧形楔塊及探頭電子控制單元，可實(shí)現(xiàn)縱向(軸向)及橫向(周向)的聲場聚焦。車軸壓裝部縱向裂紋主要是分離輪軸時拔軸操作造成的，而車軸壓裝部自然裂紋為橫向裂紋(斷軸都由橫向裂紋引起的)，按照鐵總運(yùn)〔2013〕191號《鐵路客車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》規(guī)定的內(nèi)容進(jìn)行人工裂紋加工，人工裂紋也為橫向，即裂紋的周向跨度遠(yuǎn)高于軸向跨度，所以聚焦后的聲束在周向及軸向移動掃查橫向裂紋缺陷時，缺陷回波在周向的連續(xù)性高于軸向的連續(xù)性。另外，由于輪軸接觸面的粗糙度及微動腐蝕等原因使得壓裝界面有較強(qiáng)的回波，因此粗糙度及微動腐蝕在軸向及周向的連續(xù)性差異不大。故本文選取相控陣超聲扇形掃查中的1個波束角度，正好對應(yīng)圖2中編號為1，2和3的3個人工缺陷，采集車軸旋轉(zhuǎn)360°后的超聲回波信號，并將存在缺陷回波的前后共90 mm聲程段的原始超聲波信號導(dǎo)入Matlab軟件中進(jìn)行數(shù)字信號處理，獲取B掃圖，如圖4所示。圖4中：數(shù)字1—3與圖2中的缺陷編號對應(yīng)；Ω1與Ω2分別為以后續(xù)去噪算法中待計(jì)算像素點(diǎn)為中心的小區(qū)域和大區(qū)域。

從此，一個以中國精武體育和精武精神為核心的東亞和東南亞體育文化圈逐漸形成，并不斷向世界擴(kuò)散，成為一定時期內(nèi)唯一能相對于國際奧林匹克文化有競爭力的世界性體育文化。當(dāng)然，由于其在各國組織建設(shè)的松散性，也因?yàn)?0世紀(jì)30年代后中國遭到日本帝國主義的侵略，最終其失去了更好的發(fā)展良機(jī)。

圖3　壓裝前、后壓裝部扇形掃查回波的對比情況

圖4　原始超聲波B掃圖

由圖4可見：壓裝界面的回波幅值偏高，但在平面分布上，壓裝界面回波與缺陷回波的橫向分布存在差異，且該差異明顯大于圖3(b)中界面回波與缺陷回波的縱向分布差異；故選取B掃方式獲取數(shù)據(jù)，將現(xiàn)有圖像去噪算法結(jié)合形態(tài)濾波方法對壓裝界面回波進(jìn)行抑制，提高壓裝部探傷能力。

2　基于區(qū)域?qū)Ρ榷鹊淖赃m應(yīng)各向異性擴(kuò)散改進(jìn)算法

由于壓裝界面為固—固粗糙接觸界面，故造成車軸壓裝部缺陷處的壓裝界面存在界面回波。在對車軸壓裝部進(jìn)行超聲波檢測所得到的B掃圖像中，缺陷回波的強(qiáng)度及連續(xù)性均大于壓裝界面回波(見圖4)。基于上述圖像灰度特征，選用基于圖像灰度梯度進(jìn)行去噪的各向異性擴(kuò)散算法處理壓裝部信號，該算法在保留有用信息的同時又能平滑圖像。

Perona和Malik提出各向異性擴(kuò)散去噪算法[9]，使用偏微分方程根據(jù)局部散度算子進(jìn)行擴(kuò)散，則離散化的各向異性擴(kuò)散方程為

gEIE+gWIW+gSIS)

(1)

式中：I為離散圖像的灰度矩陣；x為探頭周向角度的采樣點(diǎn)數(shù)；y為聲程采樣點(diǎn)數(shù)；t為迭代次數(shù)；η為中心點(diǎn)周圍點(diǎn)數(shù)，這里η為4(各方向擴(kuò)散計(jì)算的總點(diǎn)數(shù))；λ為控制整體擴(kuò)散速度；gE，gS，gW，gN分別為東、南、西、北4個方向的擴(kuò)散系數(shù)；IE，IS，IW，IN分別為東、南、西、北各方向圖像灰度的梯度。

Perona和Malik提出的擴(kuò)散系數(shù)函數(shù)g(I)為

g(|I|)

(2)

式中：k為邊緣度量參數(shù)，也叫平滑參數(shù)，是擴(kuò)散的一個梯度門限，當(dāng)梯度I大于k，則擴(kuò)散力度很弱。

式(1)及式(2)構(gòu)成了各向異性擴(kuò)散去噪算法，簡稱為PM算法。由式(2)可看出，PM算法會在k值左右形成突變，即為階梯效應(yīng)，并且當(dāng)噪聲的梯度與圖像特征的梯度相近時，通過PM算法擴(kuò)散不但不會抑制噪聲反而會將噪聲加強(qiáng)。各向異性擴(kuò)散算法在去除散斑噪聲上已有大量改進(jìn)研究，如Catte提出結(jié)合高斯濾波的Catte-PM算法，能有效降低噪聲被加強(qiáng)的概率[10]。但高斯濾波會丟失圖像邊緣信息，導(dǎo)致圖像模糊，不利于缺陷信號的保留。You等人提出高階擴(kuò)散算法能解決階梯效應(yīng)[11]，但其計(jì)算量較大，且對于壓裝部超聲檢測圖像適應(yīng)性不高。

為了避免PM算法的弊端，本文結(jié)合車軸壓裝部超聲檢測圖像的固有特征，提出基于區(qū)域?qū)Ρ榷鹊淖赃m應(yīng)各向異性擴(kuò)散改進(jìn)算法。將圖像中各個待處理像素點(diǎn)所在的小區(qū)域(如圖4中所示區(qū)域Ω1)內(nèi)所有像素點(diǎn)灰度值的絕對值均值與其小區(qū)域周圍區(qū)域(如圖4中所示區(qū)域Ω2除去區(qū)域Ω1的環(huán)形部分)內(nèi)所有像素點(diǎn)灰度值的絕對值均值的比值作為平滑參數(shù)的一部分，得到平滑參數(shù)knew，即可構(gòu)成對像素點(diǎn)所在區(qū)域自適應(yīng)的擴(kuò)散算法。當(dāng)遇到突變噪聲時，由于噪聲的不連續(xù)性，噪聲幅值在其所在小區(qū)域求均值過程中比重大大降低，削弱了knew對噪聲的影響。壓裝部幅值較高且相對集中，而界面回波呈現(xiàn)比缺陷能量稍低的散斑，此種情況雖然小區(qū)域均值偏高，但是其周圍大區(qū)域均值也相當(dāng)，所以也削弱了knew對擴(kuò)散力度的影響。

建立基于區(qū)域?qū)Ρ榷鹊淖赃m應(yīng)各向異性擴(kuò)散改進(jìn)算法為

g(|I|)

(3)

其中，

knew=cp-1

式中：c為可控的比例調(diào)節(jié)系數(shù)；n1和n2分別為區(qū)域Ω1和Ω2內(nèi)的像素點(diǎn)數(shù)。

3　驗(yàn)　證

3.1　試驗(yàn)驗(yàn)證

λ取0.15，k分別取15和100、對應(yīng)的迭代數(shù)分別取30和10次時，使用PM算法對圖4所示車軸壓裝部檢測的B掃超聲圖像進(jìn)行處理，結(jié)果如圖5(a)和(b)所示。λ取0.15，c取100，Ω1取71點(diǎn)×71點(diǎn)，Ω2取201點(diǎn)×201點(diǎn)，迭代數(shù)取10次，使用改進(jìn)算法對圖像進(jìn)行處理，結(jié)果如圖5(c)所示。

由圖5可見：采用PM算法，k取15、迭代數(shù)取30次時，壓裝界面回波無法被有效濾除；同樣采用PM算法，k取100、迭代數(shù)取10次時，壓裝界面回波可被有效濾除，但缺陷回波亦被削弱；而使用基于區(qū)域?qū)Ρ榷鹊淖赃m應(yīng)擴(kuò)散改進(jìn)算法，壓裝界面回波可被有效濾除，同時缺陷回波得以保留；由此可見，B掃超聲噪聲較多時，一些壓裝界面回波及散斑噪聲通過PM算法反而被加強(qiáng)，如果增大擴(kuò)散門限即平滑參數(shù)k，則有用缺陷信息被削弱，而使用改進(jìn)算法，即使迭代數(shù)降為10次也能有效去除壓裝界面回波的干擾。

圖5　試驗(yàn)結(jié)果對比

對圖5所示采用不同算法得到的去噪效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。由表1可見：基于改進(jìn)算法得到的圖像峰值信噪比和對比噪聲比[12]優(yōu)于基于傳統(tǒng)PM算法得到的，其中峰值信噪比提高5.2 dB，對比噪聲比提高7.8 dB。

表1　采用不同算法得到的去噪效果統(tǒng)計(jì)情況　dB

注：計(jì)算對比噪聲比時，將B掃圖中缺陷1—缺陷3設(shè)為有用信號，3個缺陷所在的聲程范圍內(nèi)其余的界面回波及噪聲為背景部分

3.2　實(shí)車驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)算法的適用性，在成都車輛段車軸壓裝部相控陣超聲波探傷設(shè)備上分別裝入算法改進(jìn)前后的計(jì)算機(jī)判傷軟件，對超聲檢測B掃圖像中超出幅值閘門的波形進(jìn)行報(bào)警。

共采集了229個輪對的車軸探傷數(shù)據(jù)，其中確認(rèn)的車軸自然缺陷總數(shù)為20個。采用不同算法得到的實(shí)車車軸判傷結(jié)果見表2。表中：漏判比為漏判數(shù)與缺陷總數(shù)之比，誤判比為誤判數(shù)與報(bào)警總數(shù)之比。

表2　實(shí)車車軸判傷統(tǒng)計(jì)

由表2可見：使用改進(jìn)算法后，壓裝界面回波大大削弱，誤判率下降18%，表明基于改進(jìn)算法，可在確保無缺陷漏判的基礎(chǔ)上降低誤判率，從而使得車軸超聲波自動探傷設(shè)備在提高效率的同時保證較高的報(bào)警準(zhǔn)確率。

4　結(jié)　語

在車軸相控陣超聲波自動探傷中，為了有效去除車軸壓裝界面回波的干擾，結(jié)合車軸壓裝部裂紋的周向連續(xù)性遠(yuǎn)高于軸向連續(xù)性這一固有特征，選取超聲波聲束沿周向掃查方式對車軸壓裝部進(jìn)行超聲波檢測， 然后對原始超聲波檢測信號進(jìn)行數(shù)字信號處理，得到車軸壓裝部的B掃圖；基于B掃圖中界面回波與缺陷回波不同的連續(xù)性及不同的聚集特征，提出使用局部區(qū)域?qū)Ρ榷茸鳛榫奂卣鞯谋碚鲄?shù)，并將該參數(shù)作為各向異性擴(kuò)散函數(shù)的一個參量，對傳統(tǒng)的PM算法進(jìn)行改進(jìn)，建立了基于區(qū)域?qū)Ρ榷鹊淖赃m應(yīng)各向異性擴(kuò)散改進(jìn)算法。試驗(yàn)表明，改進(jìn)算法能很好地消除PM算法存在的階梯效應(yīng)及噪聲增強(qiáng)弊端，且對于有用信號與噪聲具有不同聚集特征的圖像均有一定參考性；實(shí)車驗(yàn)證也表明，改進(jìn)算法能在不漏判的情況下使誤判率降低了18%，車軸超聲波自動探傷設(shè)備在提高檢測效率的同時，還可以保證較高的檢測準(zhǔn)確率。

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