超声探伤系统中三维全聚焦成像技术研究

作     者：崔舒欣 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱为

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070206[理学-声学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：超声探伤 三维全聚焦成像 体数据构建 并行加速 

摘      要：高质量的工件有利于提升基础设施建设的品质,超声探伤被广泛用于工件的无损检测。传统的二维成像扫查方式仅对单一平面成像,在长焊缝连续扫查、螺栓内裂纹探测等应用中具有一定的局限性;三维全聚焦成像对三维空间进行重建,能够直观呈现大范围的缺陷分布,具备相当的研究与应用价值。在充分调研国内外研究现状、研究超声三维全聚焦成像原理的基础上,论文实现了基于线阵的切面拼接三维全聚焦成像与基于面阵的三维全聚焦体积重建,并对成像质量、全聚焦索引计算效率、体积重建速度进行了优化。论文首先研究了三维成像的扫查方式,阐述了三维全聚焦成像的流程与原理,据此建立了三维全聚焦成像的数据流模型,搭建了软硬件实验平台,基于实验平台采集了64阵元探头的全矩阵数据。随后设计并实现了三维全聚焦索引生成与三维体数据构建模块,基于CUDA完成了三维体数据构建程序的并行加速:512×512像素的切面处理能力为176切面/秒,256×256×512体素的螺栓体积重建耗时675ms,满足实时扫查需求。基于切片堆叠的体数据绘制程序在30fps下的运行功耗仅为4W,实现了超声三维体数据的高效绘制。论文应用若干算法优化了三维全聚焦的成像质量:基于声学指向性建立了声场有效性系数模型,完成了声学影响图的绘制,能够实时可视化扫查区域的声场覆盖情况;基于逐路径加权实现了三维全聚焦成像中的声学指向性补偿,显著改善了切面成像中的角度衰减,并实现了体积重建的伪影抑制;优化了体数据绘制方式,实现了峰值显示模式与切面的连续复合,进一步降低扫查中的漏检概率。论文分析了三维全聚焦成像的效率瓶颈,提出了一系列效率改进方法:对全矩阵数据应用了预耦合与降采样处理,在不影响成像结果的前提下降低了10倍的数据传输带宽,并提升了2倍的体数据重建吞吐量;实现了基于4x64稀疏矩阵的三维全聚焦体积重建,帧率高达24fps。在误差上界可控的前提下,使用可变步长压缩算法将螺栓体积重建的三维全聚焦索引体积降低了90%,并基于过采样实现了三维全聚焦索引的准实时生成。通过平面索引与寄存器复用,三维体数据构建程序的效率提升了145%,进一步降低螺栓体积重建时间至283ms。基于回波互相关系数检测,实现了高刷新率模式与精细扫查模式的自适应切换,将基于面阵的三维全聚焦体积重建的帧率提升至产品化实用水平。