基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置及方法
技术领域
本发明属于激光超声检测领域，具体涉及一种基于环形光束激光超声合成孔 径聚焦成像装置及方法。
背景技术
目前工业生产中，检测金属铝产品缺陷一般都采用超声检测，但由于金属铝 产品的结构比较复杂，难以采用常规的超声检测方法检测缺陷。而传统的激光超 声波检测技术主要依靠耦合剂使超声波换能器与检测样品相耦合，但由于检测样 品形状复杂，无法满足这种要求，所以使用传统的超声波检测方法有一定的局限 性。
为了解决传统超声接触式检测的局限性，对非接触式超声检测的研究迫在眉 睫。空气耦合超声检测、电磁耦合超声检测和激光超声检测是目前已经存在的非 接触式超声检测技术。空气耦合超声利用的原理是让空气和超声源进行声阻抗的 匹配，但是其频带窄并且匹配的效率较低，只能够对薄板间的缺陷进行无损检测， 所以导致了其检测效率和灵敏度的低下。电磁耦合超声检测对检测样品有很大的 局限性，其只能够对具有铁磁性材料进行缺陷检测。因此，激光超声检测与以上 两种方法相比有了明显优势，其特点能够有效的解决上面几个问题。
激光超声检测技术作为一门交叉学科技术，它很好的结合了超声学和激光技 术学的优点，应用传统超声波的强穿透能力，又同时应用到了光学检测的非接触 性，通过激光激发和接收超声波实现对被检试样的无损检测。
传统的激光超声技术一般只能检测到金属表面亚毫米大小的缺陷，但是当缺 陷变成微米量级时，传统的激光超声检测技术就很难对缺陷进行精确定位。SAFT 是由合成孔径雷达发展而来的一种超声波探测技术，它可以显著提高成像质量。 利用SAFT进行激光超声无损检测，可以提高激光超声成像的分辨率和对比度。
但是以往的激光超声SAFT检测技术采用的都是单点激发，单点扫描，扫描 速度较慢，消耗时间长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置 及方法，通过使用圆锥透镜将单点激发变为环状激发，提高了SAFT缺陷扫描的 速度，减少了扫描所消耗的时间，进而提高激光超声SAFT检测技术的工作效率。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于环形光束激光超声合成孔径聚 焦成像装置，包括激发光源系统、探测光源系统、待测系统和信号输出与控制系 统，所述的激发光源系统用于使用脉冲激光器产生激发光源，所述探测光源系统 用于产生探测光源和接收超声信号，所述待测系统用于放置待测样品接收环状激 光信号和反射缺陷信号，并且使用步进电机移动待测样品完成二维扫描，所述信 号输出与控制系统用于超声信号的输出、控制脉冲激光器和步进电机。
进一步的，所述激发光源系统包括脉冲激光器、扩束镜、平面反射镜、圆锥 透镜、聚焦透镜，由脉冲激光器输出的激发光束经扩束镜扩束和平面反射镜反射 后，经过圆锥透镜后变为环形光束，环形光束经过聚焦透镜后聚焦在待测样品表 面形成激光超声。
进一步的，所述探测光源系统包括干涉仪、合束镜，干涉仪所发射的探测光 束通过合束镜与环形激发光束合成同心。
进一步的，激发光源系统中脉冲激光器输出的激光为脉冲激光，探测光源系 统中干涉仪输出的激光为连续激光。
进一步的，所述信号输出与控制系统，用于控制激发光源系统中脉冲激光器 的各种参数和待测系统中步进电机的步进步长和步进距离。
进一步的，所述的信号输出与控制系统包括示波器和计算机，示波器与探测 光源系统中的干涉仪相连，接收干涉仪所探测到的振动信号，将探测到的振动信 号输出到计算机，计算机与激发光源系统中的脉冲激光器与待测区域中的步进电 机相连，控制脉冲激光器的各种参数和步进电机的步进步长。
进一步的，所述的待测系统包括待测样品和步进电机，待测样品接收由激发 光源系统中发出的环形光束，反射超声信号进入到探测光源系统，步进电机控制 环形光束辐照在待测样品的位置，完成环形光束对待测样品表面的二维扫描。
本发明还提供一种基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置的使用方 法，包括以下步骤：
步骤1，将待测样品置于激发光源系统中的扫描区域内，使用圆锥透镜产生 环形激发光束，并利用聚焦透镜将环形激发光束聚焦到待测样品表面上，环形激 发光束在待测样品表面产生环形激发区域，利用合束镜将探测光束和环形激发光 束合成同心，即在环形激发区域中心进行探测，环形激发区域上的每一个激发点 都对应中心探测点，干涉仪接收在中心探测点反射的超声振动信息，所得的结果 通过示波器输入计算机；
步骤2，使用计算机控制步进电机的步长，根据所设设定的步长，移动到下 一个检测位置，重复步骤2，直至完成对待测样品表面的二维扫描；
步骤3，根据超声波在待测样品内部的传播特性，使用计算机将待测区域进 行环形剖分，得到待测样品内部像素点的数据，并计算每个像素点与环形激发点 和中心探测点的距离，即超声波在待测样品内部的传播路径；
步骤4，在环形激发光束上取一点激发点A，设B为中心探测点，C为待测 样品内部某一像素点，d1，d2分别为像素点C到激发点A和中心探测点B之间 的距离，v表示待测样品中超声波的传播速度；由激发点A激励的超声信号在样 品内部快速传播，如果像素点C为缺陷的话，超声波传播到缺陷点C会发生反 射，最后反射信号被中心探测点B接收，在这个过程中超声波传播的距离为 d＝d1+d2，中心探测点在t＝d/v时刻接收在超声波的反射回波信号；
步骤5，利用时域SAFT算法，对待测样品待测区域内像素点的反射回波信 号进行延时叠加，再将所有环形激发点对应中心探测点的计算结果累加，即可得 到样品内部缺陷位置的成像结果。
进一步的，设Mi为环状激发光束上不同激发点对应的中心探测点， i＝1，2，3，…N，S(Mi，t)为中心探测点对应不同激发点在t＝(d1+d2)/v时刻探测到的信 号；如果像素点C为缺陷，则信号S(Mi，t)将出现一个由缺陷引起的反射波峰；如 果像素点C不是缺陷，则信号S(Mi，t)中不会出现反射波峰。对待测样品内部像素 点C进行反演重建的表达式为∑(C)＝∑S(Mi，t)；最后对所有中心探测点的计算结 果累加，把重复叠加的区域按权数进行平均，即可实现对待测样品内部各点的重 建。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本申请的装置可以应用到激光超声无损检测技术中，能够得到携带待 测样品内部缺陷的超声信号，使用圆锥透镜形成环形激发，与传统激光超声SAFT 单点检测相比，在提高检测缺陷内部微小缺陷的识别能力和成像分辨率的同时， 减少了扫描时间，大大提高了系统的工作效率。
(2)本申请的装置结构简单、应用范围广泛、可调节性高。
附图说明
图1是本发明中待测样品表面激发情况示意图。其中经圆锥透镜后光束辐照 在待测样品表面上，形成环状激发，单点检测。
图2是本发明中基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置。其中1为激 发光源系统中的脉冲激光器，2为激发光源系统中扩束镜，3为激发光源系统中 的平面反射镜，4为激发光源系统中的圆锥透镜，5为激发光源系统中的聚焦透 镜，6为探测光源系统中的干涉仪，7为探测光源系统中的合束镜，8为信号输 出与控制系统的示波器，9为信号输出与控制系统中的计算机，10为待测系统中 的待测样品，11为待测系统中的步进电机。
图3是本发明中环状激光超声检测待测样品10的三维示意图。其中A为环 状激发光束上的一个激发点，B为中心探测点，C为待测样品10内的一个像素 点，d1为激发点A到像素点C的距离，d2为中心探测点B到像素点C的距离。
具体实施方式
一种基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置，该装置由激发光源系统、 探测光源系统、信号输出和控制系统以及待测系统组成。如图1、图2所示，所 述的激发光源系统用于产生激发光源，所述探测光源系统用于产生探测光源，接 收振动超声信号，所述信号输出与控制系统用于接收示波器输出的超声信号、控 制脉冲激光器和步进电机，所述待测系统用于放置待测样品接收环状激发信号和 反射探测信号，步进电机用于移动待测样品完成二维扫描。
作为优选，所述的激发光源系统由脉冲激光器1、扩束镜2、平面反射镜3、 圆锥透镜4以及聚焦透镜5组成，沿脉冲激光器1输出的激光光源方向为扩束镜 2，在脉冲激光器1输出的激光束的方向上，依次为平面反射镜3、圆锥透镜4 和聚焦透镜5，脉冲激光束通过扩束镜2后扩束，扩束激光束经过反射镜3反射 后，经过圆锥透镜4形成激发环形光束，激发环形光束经过聚集透镜5聚焦到待 测系统中的待测样品10上。
作为优选，所述的探测光源系统包括干涉仪6、合束镜7，在干涉仪6输出 的探测光束方向上，由干涉仪6输出的探测光束经过合束镜7，将探测光束与激 发环形光束合束，探测光束经过合束镜7反射后辐照在待测系统中，经待测样品10反射后重新回到探测光源系统中的干涉仪6。
作为优选，所述的信号输出与控制系统包括示波器8和计算机9，示波器8 与探测光源系统中的干涉仪6相连，接收干涉仪6所探测到的振动信号，将探测 到的振动信号输出到计算机9，计算机9与激发光源系统中的脉冲激光器1与待 测区域中的步进电机11相连，控制脉冲激光器1的各种参数和步进电机11的步 进步长。
作为优选，所述的待测系统包括待测样品10和步进电机11，待测样品10 接收由激发光源系统中发出的环形光束，反射超声信号进入到探测光源系统，步 进电机11控制环形光束辐照在待测样品10的位置，完成环形光束对待测样品 10表面的二维扫描。
下面结合本发明的附图对其具体实施方式作进一步详细描述：
实施例
一种基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置，包括激发光源系统、探 测光源系统、信号输出与控制系统和待测系统，结合图2，详细说明各子系统的 工作原理：
所述激发光源系统包括脉冲激光器1，扩束镜2，平面反射镜3、圆锥透镜4 以及聚焦透镜5，所述的环状激光信号由脉冲激光器1激发，经过扩束镜2扩束， 其次经过平面反射镜3后进入圆锥透镜4，经过圆锥透镜4后将扩束光束变为环 形光束，环形光束经过聚焦透镜5聚焦到待测样品10表面激发激光超声。
所述探测光源系统包括干涉仪6，合束镜7，所述的探测光源由干涉仪6激 发，经过合束镜7与环形激发光束合束同心后，经合束镜7反射后辐照在待测样 品10表面，所述超声信号由探测光源在待测样品10表面反射后产生，由于环形 激发光束辐照在待测样品10表面形成超声波，经待测样品10内部缺陷反射后形 成反射回波，反射回波导致待测样品10表面产生振动超声信号。
所述信号输出与控制系统包括示波器8，计算机9，所述超声信号的输出由 干涉仪6输出到示波器8，再由示波器8将超声信号输出到计算机9，实时得到 待测样品10内部的缺陷信号，计算机9与激发光源系统中的脉冲激光器1相连， 通过使用计算机9控制脉冲激光器1的各种参数，完成产生环形激发光束对待测 样品10激发超声信号。
所述待测系统包括待测样品10和步进电机11，待测样品10接收由激发光 源系统中激发的环形光束，在待测样品10内部形成激光超声场，经缺陷反射后 产生反射回波传播到待测样品10表面形成表面振动，再由探测光源系统中的干 涉仪6接收振动超声信号，步进电机11通过连接计算机9控制步进电机11的步 进步长和步进距离，完成对待测样品10表面的二维扫描。
所述基于环形光束激光超声合成孔径聚焦成像装置的使用方法为:
(1)将待测样品10置于激发光源系统中的扫描区域内，使用圆锥透镜4 产生环形激发光束，并利用聚焦透镜5将环形激发光束聚焦到待测样品10表面 上，环形激发光束在待测样品10表面产生环形激发区域，利用合束镜7将探测 光束和环形激发光束合成同心，即在环形激发区域中心进行探测，环形激发区域 上的每一个激发点都对应中心探测点，干涉仪6接收在中心探测点反射的超声振 动信息，所得的结果通过示波器8输入计算机9。
(2)使用计算机9控制步进电机11的步长，根据所设设定的步长，移动到 下一个检测位置，重复步骤(2)，直至完成对待测样品10表面的二维扫描。
(3)根据超声波在待测样品10内部的传播特性，使用计算机9将待测区域 进行环形剖分，得到待测样品10内部像素点的数据，并计算每个像素点与环形 激发点和中心探测点的距离，即超声波在待测样品10内部的传播路径。
(4)在环形激发光束上取一点激发点A，B为中心探测点，C为待测样品 10内部的某一像素点，d1，d2分别为像素点C到激发点A和中心探测点B之间 的距离，v表示待测样品10中超声波的传播速度。由激发点A激励的超声信号 在样品内部快速传播，如果像素点C为缺陷的话，超声波传播到缺陷点C会发 生反射，最后反射信号被中心探测点B接收，在这个过程中超声波传播的距离 为d＝d1+d2，中心探测点在t＝d/v时刻接收在超声波的反射回波信号。
(5)利用时域SAFT算法，对待测样品10待测区域内像素点的反射回波信 号进行延时叠加，再将所有环形激发点对应中心探测点的计算结果累加，即可得 到样品内部缺陷位置的成像结果。
如图3所示，三维铝块样品的大小为20.00mm×20.00mm×20.00mm，铝块样 品上表面为自由平面，设置步进电机11的步进步长为1mm。使用激发光源系统 调制环形激发光束，使环形激发光束聚焦到铝块上表面设置的激发位置，通过步 进电机移动铝块样品的位置，使环形激发光束在每个激发位置依次激发激光超声， 与此同时，干涉仪6在中心探测点依次接收超声回波信号，所得结果通过示波器 8输入计算机9，重复以上步骤直至完成对铝块样品上表面的二维扫描。铝块上 表面A为环状激发光束中的一个激发点，B为中心探测点，C为铝块中的一个像 素点，d1为激发点A到像素点C的距离，d2为中心探测点B到像素点C的距离， v为超声波的波速，Mi为环状激发光束上不同激发点对应的中心探测点， i＝1,2,3,…N，S(Mi,t)为中心探测点对应不同激发点在t＝(d1+d2)/v时刻探测到的信 号。如果像素点C为缺陷，则信号S(Mi,t)将出现一个由缺陷引起的反射波峰；如 果像素点C不是缺陷，则信号S(Mi,t)中不会出现反射波峰。对铝块样品内部像素 点C进行反演重建的表达式为∑(C)＝∑S(Mi,t)。最后对所有中心探测点的计算结 果累加，把重复叠加的区域按权数进行平均，即可实现对铝块样品内部各点的重 建。
