基于相位相干性的核电厚壁粗晶材料相控阵超声全聚焦成像技术研究

The welding quality and service condition of heavy-walled cast austenitic stainless steel (CASS) pipeline welds is critical to nuclear plant. However, the CASS welds are hard to be detected using general ultrasonic methods on account of the low signal to noise ratio (SNR) caused by anisotropic coarse-grained structure. To overcome the difficulties, according to the existing total focusing method (TFM), a new TFM technique for transmit receive longitudinal wave phased array (TRL-PA) probe will be proposed in this research. The sound energy of deep flaw echo will increase by the pseudo focus field of the TRL-PA probe. Then, the amplitude of deep flaw in TFM will also increase. Based on the above, phase coherence imaging (PCI) technique is used to establish phase coherence factor (PCF) which represent the phase dispersion for each pixel in the TFM image using TRL-PA probe. The PCF will be used as a metric to analyze phase aberration mechanism of coarse-grained structure. The phase aberration will be corrected and the weighted value of PCF will increase significantly by adjusted the time delay parameter of each channel using the time reversal method. Moreover, the amplitudes of structural noise signals with high phase diversity are effectively suppressed by dynamic weighting using PCF. A method combining TFM and PCI will be acquired by this research. The research of this combination method has the academic value and the engineering application value to significantly improve the SNR for heavy-walled CASS welds in nuclear plant.

厚壁铸造奥氏体不锈钢（CASS）管道焊缝的焊接质量和服役状况直接关系到核电站的安全。然而，弹性各向异性粗晶结构引起的低信噪比给CASS焊缝的超声无损检测带来了巨大困难。针对上述问题，本项目以现有全聚焦（TFM）成像算法为基础，提出适用于双晶纵波相控阵（TRL-PA）探头的改进全聚焦成像技术。通过TRL-PA探头形成的“伪聚焦”声场增加深层缺陷的回波声能，进而提高全聚焦图像缺陷回波幅值。在此基础上，利用相位相干成像（PCI）算法构建表示全聚焦图像中各像素点相位分布特征的相位相干因子（PCF）。将PCF作为相位畸变的度量标准，分析粗晶结构中的相位畸变机理。采用时间反转法校正各个通道的延时误差，以校正相位偏差并提高相干因子的权重值。通过动态加权处理有效降低相位分布散乱的结构噪声幅值，实现信噪比的显著提高。本项目的研究将形成显著提高核电厚壁CASS焊缝信噪比的复合方法，具有潜在学术和工程应用价值。

厚壁铸造奥氏体不锈钢（CASS）管道焊缝的焊接质量和服役状况直接关系到核电站的安全。然而，弹性各向异性粗晶结构引起的低信噪比给CASS焊缝的超声无损检测带来了巨大困难。为克服上述困难，本项目开展了提高核电厚壁粗晶材料超声检测信噪比的理论和实验研究。从复杂状况下的全聚焦成像延时法则设计和相干加权算法设计入手，将拟定研究目标所包含的科学问题归纳为：1、解决一发一收双晶探头匹配楔块状况下的全聚焦成像延时法则设计问题；2、各向异性粗晶材料干扰下的全聚焦成像相干加权算法设计问题。.为解决上述两个关键科学问题。开展了一发一收探头布局延时法则设计、双层介质延时法则设计、TRL-PA探头全聚焦法则设计、环形统计矢量相干加权算法设计、频域快速成像结合相位相干加权等分项课题的研究，具体如下：.针对第一个科学问题，项目组从具有复杂声传播结构的TRL-PA探头入手，首先研究了一发一收探头布局下的延时规律探索，在此基础上研究了楔块-试块组成的双层介质检测目标下的声传播规律和延时法则，弄清了楔块倾角和TRL楔块roof角对延时规律的影响，解决了一发一收探头布局下双层介质检测目标的全聚焦成像问题，最终实现了TRL-PA探头的全聚焦成像。.针对第二个科学问题，项目组从各路超声检测信号中提取幅值、相位信息等信号特征参量，通过特征参量的方差/标准差反映各向异性粗晶对图像聚焦程度的影响，进而构建相干因子并通过动态加权处理放大相位分布对超声图像像素幅值的贡献，改善因强散射对图像信噪比和分辨力的影响，提高全聚焦成像的检测能力。在上述相干加权算法设计思路的指导下，提出一种基于相位环形统计矢量的全聚焦成像，比传统SCF和CCF更加适用于奥氏体不锈钢和黄铜等粗晶材料。.本项目的研究最终形成显著提高核电厚壁CASS焊缝信噪比的复合方法，同时能够解决复杂曲面结构的构件检测，具有潜在学术和工程应用价值。