高清晰超聲微掃描成像無損檢測系統

摘要：設計了一種高清晰焊縫超聲成像無損檢測方法及檢測系統。該系統基于超聲無損檢測原理和超分辨率圖像處理方法，采用水浸聚焦探頭對焊縫進行逐點掃描，對每一點的超聲反射回波信號進行采樣，組成焊縫截面的超聲掃描圖像，在通過微掃描成像技術獲取多幀關于同一場景的互有位移的降質圖像后，重建高分辨率高質量圖像。設計的檢測系統除了具有常規的掃描超聲成像功能外，還具有超分辨率成像功能，可突破現有超聲成像設備的分辨率限制，大大提高超聲成像設備對焊縫中細微缺陷的識別能力，適合于一些需大規模、高質量生產的質量控制單位或制造領域的汽車、造船、集裝箱等重要行業使用。

關鍵詞：超聲成像; 微掃描； 超分辨率； 無損檢測

中圖分類號：TP274.2； TP317.4

文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)06－1901－03

0引言

在現代無損檢測技術中，超聲成像技術是一種令人矚目的新技術[1]，是超聲檢測的進一步發展。到目前為止，工業超聲無損檢測大多還停留在了解材料與構件內是否有缺陷，或憑經驗大致判斷缺陷的大小與位置。超聲成像成為現代定量無損檢測的一種重要技術，可實現精確的缺陷定量，如缺陷的大小、位置、形狀或性質(氣孔、夾渣或裂紋等)。超聲圖像是通過超聲信號與調色板之間建立起來的某種對應關系而形成的，因此數字圖像處理技術構成了超聲成像和超聲圖像處理的基礎。目前，數字圖像處理技術在超聲領域中的應用主要是醫學超聲和工業中的超聲無損檢測兩大塊。醫學超聲圖像處理技術在圖像理解、基礎研究、超聲圖像改善等多個領域取得了長足進展，而工業超聲無損檢測技術還沒有醫學應用上那么成功，在超聲檢測中的研究也不像射線檢測中研究深入和達到實用。關于工業超聲圖像處理的文章和研究成果還比較少[2，3]。國內，浙江大學應用數字圖像技術對復合材料、航空透明件、曲面型工件、棒材和鍛件等工件進行缺陷檢測方面的研究，在超聲無損檢測的實踐中取得了較好的應用。

伴隨著圖像處理技術的發展，圖像質量始終是這一技術的研究重點，而圖像空間分辨率（包括橫向和縱向分辨率）是圖像質量評價的一項關鍵性指標[4]。然而，現有的超聲成像設備由于受到成像條件和成像方式的限制，難以獲得高分辨率的圖像。對于超聲成像系統而言，橫向分辨率是所有工作指標中最重要的一個，對超聲圖像的質量起著至關重要的作用[5]，表現為圖像細膩、微小結構顯示清楚。為了提高成像的橫向分辨率，一種有前景的解決方法是使用信號處理技術從多幅低分辨率觀察圖像來獲得高分辨率圖像，即低分辨率圖像序列的超分辨率重建技術。該技術可用于現有成像系統不能提供滿意圖像分辨率的情況，如提高遙感圖像、CT、核磁共振、超聲波圖像和各種監控圖像等的分辨率[6]。其主要優點是成本較低，并且能利用現有的低分辨率成像系統就可以使輸出圖像的質量得到很大程度的提高，既改善圖像的視覺效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理和識別。

鑒于上述現有技術的現狀和存在的問題，本文設計了一種具有超分辨率成像功能的超聲成像檢測系統。該方法和系統除了具有常規的掃描超聲成像功能外，還具有超分辨率成像功能，可突破現有超聲成像設備的分辨率限制，利用多幀關于同一場景的互有位移的降質圖像重建高分辨率高質量圖像，提高超聲成像設備對焊縫中細微缺陷的識別能力。該系統利用超聲無損檢測原理和超分辨率圖像處理技術，采用水浸聚焦探頭對焊縫進行逐點掃描，對每一點的超聲反射回波檢波信號采樣，組成焊縫截面的超聲掃描圖像，通過將微掃描成像技術和多圖像重建超分辨率圖像方法結合起來實現圖像的超分辨率重建。

從目前的研究現狀來看，序列圖像的超分辨率重建和超聲成像技術互相獨立，還沒有將兩者結合的先例；更沒有將序列圖像的超分辨率重建、微掃描成像和超聲成像技術三者結合的先例；甚至沒有精密機械掃描裝置與微掃描成像結合的先例。而能夠實現微掃描的裝置和能夠獲得較高分辨率的超聲成像設備一般采用復雜的加工工藝，成本很高。系統根據超聲波波長較長（大約在0.5 mm數量級），以及工業超聲圖像的像元較大（約為數百至數十個微米之間）的特點，采用精密機械掃描裝置實現超聲微掃描成像技術，從而將多圖像的超分辨率重建與超聲成像結合起來，為焊縫微小缺陷的識別找到了方法。

1系統簡要設計方案

1．1系統組成

系統由四大部分組成：a)嵌入式計算機平臺，主要包括CPU、SDRAM、flash、LCD、各種接口等；b)連接于嵌入式計算機總線并受其控制的各個硬件系統，包括數據采集系統、掃描控制系統、超聲發射/接收系統等；c)掃描裝置，包括三維精密掃描裝置（包括步進電機驅動器）、探頭、夾具及水槽、光柵尺、細分讀數卡等；d)是a)、b)系統上運行的三維超聲成像系統軟件，包括信號處理系統、顯示系統、控制系統。其中控制系統實施對超聲系統、數據采集系統、掃描控制系統的控制，并接收數據采集系統的數據。

1．2系統工作過程

一種高清晰焊縫超聲成像無損檢測方法，其工作流程如圖1所示。主要包括以下步驟： a)將被測工件裝配于檢測系統水槽中的夾具上，使焊縫被測截面與超聲入射聲束垂直；b)調整檢測系統參數，檢測參數主要包括微掃描模式、材料聲速、焊縫厚度、探頭掃描范圍等；c)將探頭置于焊縫上方，根據檢測參數，三維精密掃描裝置帶動探頭對被測焊縫截面自動聚焦；d)根據發射回波檢波信號確定采樣閘門位置；e)對被測焊縫截面進行自動掃描，并且實時成像；f)根據微掃描模式，調整掃描器初始定位位置，對同一被測截面進行多次掃描成像，并重建超分辨率圖像；g)自動生成并顯示。

2幾個主要技術問題

2．1超聲成像檢測

系統的焊縫超聲成像檢測系統結構示意圖如圖2所示，由焊縫工件、超聲探頭、掃描裝置、超聲發射/接收系統、掃描控制系統、數據采集系統、嵌入式計算機、圖像顯示部分組成。系統硬件結構圖3所示。焊縫檢測系統的硬件部分主要由基于嵌入式處理器（CPU）的嵌入式計算機平臺和基于FPGA的信號采集和控制系統組成。CPU控制整個系統，并完成圖像處理、網絡通信和圖像顯示；FPGA實現對超聲發射接收系統的通道切換和相位調整等邏輯時序控制、數據采集系統的A/D轉換、機電執行系統的掃描定位控制以及數字濾波、數字波束合成、圖像處理等大運算量的數據處理工作。CPU與FPGA之間通過共享內存方式進行通信，由FPGA完成數字信號的濾波、變換以及圖像的重建等后存入SDRAM，然后CPU根據SDRAM中的數據進行圖像后處理、必要的信息融合以及圖像的顯示等。

系統上電后，啟動嵌入式微處理器，并自動運行焊縫檢測程序，操作人員在主機上通過人機接口輸入檢測參數。其中，包括發射延時、發射選通允許、發射多選一開關、發射脈寬、buffer的大小、接收選通允許、A/D轉換開始時間、接收多選一開關、接收延時等待、掃描參數、掃描模式以及微掃描模式等控制參數。然后CPU通過并口發送相應的檢測參數給FPGA，由FPGA實現數據采集系統中信號的采集、超聲波發射/接收系統中波束的發射和接收以及掃描控制系統中工件的成像掃描等。

多通道數據采集系統的主要功能是將多路經過調理的電壓信號并行進行模/數轉換并傳輸給計算機，可實現高速采集和高速實時傳輸。當系統通過多路數據選擇器選定多路信號中的一路或幾路進行采集時，在高速狀態機控制下，系統將采集到的模擬信號經過多片A/D器件流水轉換之后送FPGA。這時通過對FPGA硬件編程可實現：將轉換結果直接儲存到FPGA內部由BlockRAM構建的高速緩沖RAM陣列中；然后轉存至低速存儲器（DDR）中，再由FPGA構成的專用數字信號處理單元進行數據處理；最后將處理完畢的數據通過并口送回到SDRAM中，CPU將SDRAM中的數據與發送和接收探頭的位置及聲程結合起來進行處理，得到二維、三維圖像，并傳送到LCD將部件的形狀和缺陷顯示出來。

超聲發射接收系統主要由超聲波發射電路和接收放大電路組成。超聲發射電路用于產生加在超聲探頭上的高壓脈沖，使得傳感器發射超聲波；超聲接收電路用于把傳感器接收到的回波信號通過接收電路轉換成微弱電信號，再經接收放大器放大后送給數據采集系統。當FPGA收到CPU發送檢測參數時，FPGA根據檢測的要求發送信號控制超聲探頭對待探測物體發送超聲束，超聲探頭接收反射到的模擬信號經濾波放大后通過A/D轉換器轉換成數字信號，然后FPGA將數據進行預處理后送到SDRAM中。

2．2序列低分辨率圖像的獲取

通過微掃描技術[7]成像可以看做是一個過采樣過程，它是對同一場景進行多次采樣成像的。具體地說，微掃描成像就是把焦平面器件對場景每次采樣得到的圖像存儲下來，然后將得到的一系列圖像像素按照圖像獲取的方式和順序進行交叉，通過進一步處理得到最終的圖像。在整個采樣和成像過程中，場景和視場是不移動的，改變的只是焦平面器件的相對位置，而且器件位移的尺寸和采樣的次序(路線)與成像模式是一一對應的。通過用超分辨率技術增加空間分辨率的基本前提是從相同場景捕獲多幅發生子像素級精度位移的低分辨率圖像[8]。其獲取依據由微掃描模式決定，微掃描模式決定了探測器平面上的圖像位移周期和微掃描路線。現有的微掃描技術主要包括1×1、2×2、3×3、4×4四種工作模式，如圖4所示。各種工作模式又有不同的掃描順序，在各種工作模式中，每一次的位移必須是相同的步長。

采用如圖2所示的焊縫超聲成像檢測系統實驗平臺實現微掃描成像并獲得多幅低分辨率超聲圖像。以2×2微掃描工作模式為例說明具體的獲取過程，獲取方式如圖5所示。對原圖像在橫向和縱向各移動一次，每次錯開半像素的位移，從而獲取四幅低分辨率圖像。對于1×1、3×3和4×4模式，方法類似，這里不再贅述。

在獲得多幅低分辨率超聲圖像后，運用超分辨率圖像重建算法就可實現高清晰焊縫超聲成像功能[9]。基于微掃描的超分辨率超聲圖像重建過程如圖6所示。

當機電執行系統（包括掃描控制系統和掃描裝置兩部分）接到運行指令（包括掃描參數、微掃描模式等）以后，首先啟動超聲系統向工件發出超聲波，并與掃描裝置配合進行掃描。由于本系統采用多通道數據采集系統，探頭可以選擇單探頭、線陣探頭以及相控陣探頭，系統設計時區別僅在于軟件，硬件電路是不變的。若采用單探頭或陣列探頭掃描，掃描裝置帶動探頭直接進行一維機械運動實現二維掃描，進行二維運動實現三維掃描；若采用相控陣，運用一維相控陣探頭加一維機械運動獲得二維掃描，運用二維相控陣掃描探頭進行掃描可以實現探頭前部錐形空間的探頭三維無運動掃描。掃描探測無論用普通探頭還是相控陣探頭都是探測逐步掃描覆蓋完整空間，獲取待探測空間的完整數據后送入計算機。同時送入計算機的還有由細分讀數卡送入計算機的光柵尺上探測數據的定位信息，以便判斷缺陷位置。

2．3微掃描成像的實現

根據焊縫超聲檢測的要求設計專用精密掃描裝置。該掃描裝置是由FPGA控制和步進電機驅動的高精度三維精密掃描裝置。為了實現微掃描成像，并在此基礎上進一步實現超分辨率重建，在實際應用中，微位移量要比探測器每個像元本身的尺寸低一個數量級以上，并且位移誤差至少要比微位移量低一個數量級以上，所以對掃描裝置的分辨率和重復定位精度有一個嚴格的要求。對于超聲成像，超聲波的波長較長，約為0.5 mm數量級[10]，在通常成像情況下，其像元大小約為數百到數十個微米之間。以0.5 mm為例，當掃描裝置的分辨率小于0.05 mm，重復定位精度小于0.005 mm，即可基本滿足要求。而目前掃描裝置的指標比前述指標還要低一個數量級以上，因此，對于超聲圖像而言，采用精密掃描裝置是完全可行的。

本系統采用的三維精密掃描裝置如圖7所示，它由X、Y、Z軸三維運動模塊組成。X和Y軸帶動探頭水平運動，實現掃描功能；Z軸帶動探頭垂直運動，完成自動聚焦功能。每一維運動模塊都由兩個導軌、絲杠、活動塊及步進電機組成，如圖8所示。Y軸安裝在Z軸的活動塊上，X軸安裝在Y軸的活動塊上，X軸的活動塊上固定有探頭，保證探頭沿著導軌方向移動。步進電機的中心軸與絲桿相連接，活動塊中間有絲桿孔，兩端有導軌孔，分別套在絲桿及兩個導軌上。夾具的作用是保證工件與超聲入射聲束垂直，水槽中的水起到耦合劑的作用。

對于掃描成像系統，盡管不同成像設備的掃描定位方法、信號檢測原理和A/D轉換形式可能會不同，但是其成像的實現方法，即成像軟件可以是相同的，稱為通用掃描成像檢測軟件。通用掃描成像檢測軟件通常由初始化模塊、參數設置模塊、數據采集模塊、信號和圖像處理模塊、運動控制模塊、數據庫管理模塊以及缺陷分析和判定模塊等組成。本系統在通用掃描成像檢測軟件的基礎上，增加針對焊縫超聲檢測的專用功能，如超聲成像、焊縫跟蹤、焊縫掃描全覆蓋、超分辨率等功能。該軟件是集超聲系統掃描控制、數據采集、分析、成像、感興趣區域（ROI）的高清晰顯示等功能的交互式窗口軟件。其中，超分辨率圖像重建集成在成像軟件的功能模塊中。該軟件提供實時A、B、C掃描圖像及FFT頻譜，在所記錄的A－掃描波形上隨意設置和改變閘門并生成相應新的C－掃描圖像，實現超聲結果的斷層C－掃描分析。該軟件不僅適用于超聲掃描成像，也同樣適用于渦流掃描成像等，為將來的軟件升級提供空間。

3結束語

本文提供一種將現代圖像處理技術與超聲波無損探傷技術融合在一起，實現二維、三維超聲成像，將焊縫內部缺陷及時準確地定位、定性、定量，也便于與其他系統互連，實現與其他系統的數據交換，進行相關分析，找出缺陷成因是一種超聲成像無損探傷系統。該系統具有以下優點和效果：

a)采用普通低分辨率超聲成像檢測設備，實現原理簡單。

b)在步進電機的精密控制下，能實現對缺陷位置的準確定位，并能在成像軟件的配合下，實現檢測結果的計算機重現。

c)采用基于精密定位掃描裝置的微掃描技術獲取多幅焊縫超聲圖像，不需要加工復雜、成本很高的微位移裝置就可以實現亞像元位移的超聲圖像序列。

d)采用超分辨率圖像重建技術，得到高分辨率、高質量的焊縫超聲圖像，極大地提高了超聲成像檢測設備的性能。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文