一种基于超声C扫描成像原理的图像边缘检测方法

　　0　引言

　　超声C扫描成像技术是实现缺陷定性、定位、定量以及无损评价的关键技术之一,在无损检测领域有着广泛应用。通过使用超声探头对放置于水中的被测对象按照一定的路径进行扫描,可以得到被测对象内部某一深度的缺陷的超声图像。由于探头声学特性的限制,在超声C扫描图像中存在缺陷边缘的模糊现象,使得缺陷定量分析过程中,超声图像反映的缺陷与被测材料内部的真实缺陷之间存在较大差异。因此采用有效的方法确定缺陷边缘对无损评价工作有着重要意义。Wooh等[1]采用传统的图像处理方法对以上问题进行了研究。他们提供的方法对超声C扫描图像增强有一定的有效性,但是并未结合超声检测原理,因此在图像处理过程中容易造成缺陷信息的误判和漏判。

　　本文通过建立超声C扫描成像的数学模型,分析了缺陷边缘模糊现象的原因,并且提出了一种缺陷边缘检测方法,该方法能够快速准确检测出缺陷边缘,提高了缺陷无损评价的准确性。

　　1　超声C扫描成像原理和数学模型

　　超声C扫描成像技术是一种以灰度图像的形式显示材料内部缺陷形状的无损检测技术,广泛适用于界面结合质量和平面型缺陷的无损检测。图1是超声C扫描成像示意图。其中D和F分别为聚焦探头的直径和检测工件时的实际焦距,声束中心坐标为(a,b)。在超声C扫描成像技术中,为了提高分辨率,通常使用水浸聚焦探头。由聚焦探头原理[2]可知,超声波能量经过聚焦探头会聚于焦点,但是焦点并不是直径为零的点,其几何形状是具有一定直径的圆形。如图1所示,聚焦探头焦点直径为d。在C扫描成像过程中,当探头扫描到位置(a,b)时,超声波通过聚焦探头发射后,在1号材料和2号材料的结合面发生反射。反射声波能量被聚焦探头接收并且转化为电压信号,通过对电压信号幅值进行256级数字化处理,就得到(a,b)处的图像灰度值。探头按照一定路径(如图1b虚线所示)对结合面进行扫描以后,组合每一点的灰度值就得到了结合面的超声C扫描图像。扫描路径上每一点反射声波能量的大小决定了C扫描图像中该点的灰度值。在本文建立的数学模型中,将两种材料之间的结合面分为结合区域、未结合区域以及两者之间的边界三个部分。在实际结合面的超声成像检测中,结合良好区域和缺陷区域分别对应图1中的结合区域和未结合区域,缺陷边缘对应两者之间的边界。在探头扫描过程中,当探头焦点全部聚焦于结合区域时,反射声波能量为[3]

　　按照超声反射理论,声波在异质界面处反射声压与界面两侧物质的声阻抗之差成正比[4],在未结合区域由于界面处夹杂有气体等,就使得界面两侧声阻抗之差大于结合区域界面两侧声阻抗之差,因此未结合区域反射声压p2(x,y)大于结合区域反射声压p1(x,y)。由式(1)和式(2)可知P2(a,b)>P1(a,b)。假设在结合区域和未结合区域内,各点的反射声波能量P1(a,b)和P2(a,b)保持不变,则在C扫描图像中结合区域和未结合区域的灰度值也应该保持不变。