基于N形模板的超聲相控陣三維成像實現

朱鈴琳

(上海工程技術大學 航空運輸學院(飛行學院)， 上海 201620)

0 引 言

超聲檢測技術已經廣泛應用于無損檢測領域，適用于檢測物體表面及內部區域包括隱藏的裂紋、空隙等各種缺陷。由于超聲波的傳遞要求介質是連續的，而在缺陷處的界面產生的干擾信號，使超聲信號發生反射，以此成像來判斷此界面是否有缺陷。超聲相控陣檢測技術能夠在一個位置開展一系列不同的檢測，在每個檢測的位置產生圖像，操作上更加靈活。這些優點使超聲相控陣在工程應用上更廣。

諸多學者的研究成果均表明了超聲相控陣成像在工業領域有很大的應用前景[1-2]，近年來，計算機圖形圖像等技術不斷發展，基于計算機圖像處理、計算機圖形學等三維重建技術，已經逐漸發展成為一門頗具特色的交叉性學科[3]。三維重建是從一系列的二維圖像中獲取三維結構信息的一個過程，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。在醫學超聲成像領域，傳統的B掃描成像方式應用最為廣泛，可以直觀地顯示目標組織的二維切面圖。將B掃描成像方式應用到工業檢測領域，能有效地檢測到目標內部的切面圖[4]，給工業檢測活動帶來了極大的便利。

1 實驗平臺搭建與超聲掃描

現以實驗室已有設備為例。實驗平臺如圖1所示。以二維超聲相控陣檢測圖像為基礎，進行圖像三維空間定位機理與成像研究。使用機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。用愛普生C3緊湊型六軸機器人末端夾持超聲探頭和光學傳感器，愛普生C3機器人具備出色的靈活性，專為狹小空間內的大型工作而制造。實驗中使用的便攜型相位陣列式超音波探傷儀Phasor XS，這是用于材料測試的儀器，適用于工業環境中。在航空航天工程中，相控陣技術常用來對飛機機翼和機身上的鋁合金材料以及復合材料結構進行大面積檢測。

圖1 實驗平臺

本文實驗中，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用最多的一種形式，其特點是能在相控陣的軸平面實現聲束偏轉和軸向聚焦。

圖2 一維線陣相控陣探頭

本實驗中設計的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模板表面。人工操縱六自由度機器人，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行等間距超聲掃秒，利用圖像采集卡進行圖像采集。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，在干燥和潮濕的環境中均能夠保持繃緊狀態，將模板置入水中時棉線不易發生變形，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

超聲掃描檢測中的重建步驟可表述為：

(1) 數據采集。通過掃描得到二維序列圖像，如圖4所示。

(2) 圖像預處理。通過對原始圖像再加工，其中包括圖像增強、圖像復原、圖像分割等。

(3) 三維建模及數據可視化。將處理的數據轉為幾何描述，對一維標量數據可采用線畫圖、直方圖或者柱形圖來表示。對三維標量可采用表面模型和體素模型進行表達。

(4) 繪制與顯示。將幾何數據轉換為圖像數據，使其能在計算機屏幕上顯示出來。

實驗中以計算機向六自由度機器人發送控制指令，驅動機器人對N型模板進行等間距掃描。利用圖像采集卡實時采集相控陣圖像。當超聲探頭掃描N形模板時，超聲探頭的成像平面在每一個成像位置都與單個N形靶線交于3個點，在超聲圖像上顯示為3個亮斑，由于模板每層N線共用中間的一條邊，所以每層N線成像特征點為5個，一次掃描兩層N線，則超聲圖像上會有10個目標點。

圖4 N形模板目標點超聲成像圖

經過目標區域提取，去除原始圖像中多余的無用區域，減少后續步驟的工作量。對圖像序列進行分割結束后，提取邊緣坐標并計算邊緣輪廓的中心點，再經過阻尼最小二乘算法[5]對圖像進行標定后，實現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]的結合。DLS方法的優點主要在于可以在標定的過程進行調節：如果梯度下降太快， 則使用較小的阻尼系數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λ，使之更接近梯度下降法，適用于求解非線性多元目標函數優化問題。研發設計流程分述如下。

Step2計算Qk=JTJ,gk=Y-Fk。

Step3解迭代方程(Q+λI)pk=-JTgk, 求得pk。

Step4檢驗條件gTk(c+pk)gk(c+pk)

Step5若pk滿足精度則結束，否則k=k+1， 回到Step 1。

2.2 數據處理

通過區域提取和缺陷分割技術可以提取出目標點的像素坐標值。通過 N線三個點間距離比值關系可以得到對應目標點在模板坐標系中的坐標值。將獲得的二維中心點坐標經過轉換矩陣求得三維實際坐標，部分三維數據點見表1。

表1 部分三維數據點

將得到的三維數據點值以數值矩陣的形式導入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 結束語

三維成像結果可以真實再現被測物體的三維面貌，通過人機交互操作，能幫助操作人員明確目標位置，達到檢測目的，具有一定的實用價值和應用前景。