基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别方法及系统

摘要

本发明公开一种基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别方法及系统，应用于无损检测领域，针对现有技术中采用矢量网络分析仪采集反射系数相位参数时相位缠绕现象，通过基于最小二乘法的无权重的Gauss‑Seidel的方法进行相位解缠，恢复模糊掉的相位周期，获得扫描过程中采集位置的真实相位值，使反射系数相位信息更加准确；从而通过求解解缠相位离散点的梯度，根据梯度最大值和最小值计算出缺陷位置边界；并且本发明微波检测信号激励中使用设定的优化提离和优化频率参数进行检测，检测效果更好。

权利要求

1.一种基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别方法，其特征在于，包括：S1、根据精度需求选择对应的微波频段；

S2、产生微波频段对应的激励信号；并以优化频率的激励信号输出至矩形开口波导；

S3、通过矩形开口波导对金属表面缺陷进行平面扫描，获得反射系数的实部与虚部；

S4、根据步骤S3获得的反射系数的实部与虚部计算得到反射系数相位；

S5、采用最小二乘法的无权重的Gauss-Seidel的方法对步骤S4得到的反射系数相位进行相位解缠；步骤S5所述Gauss-Seidel的迭代停止条件为缠绕相位与解缠相位之差的偏微分平方和最小；

S6、通过对经步骤S5得到的解缠相位离散点求解梯度，得到梯度最小点与梯度最大点，根据梯度最小点与梯度最大点得到缺陷位置的识别边界。

2.根据权利要求1所述的一种基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：根据微波频段选择对应类型的矩形开口波导。

3.根据权利要求2所述的一种基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别方法，其特征在于，还包括设置提离距离为1mm。

4.根据权利要求3所述的一种基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别方法，其特征在于，步骤S6所述根据梯度最小点与梯度最大点得到缺陷位置的识别边界，具体为：缺陷位置的识别边界为梯度最小点和梯度最大点基于扫描起始位置所对应的扫描点数与步长的乘积。

5.一种基于权利要求1所述方法的金属构件缺陷的无损定量识别系统，其特征在于，至少包括：待测金属、矩形开口波导、控制平移台、网络分析仪、第一上位机以及第二上位机；

所述矩形开口波导安装于控制平移台上；所述第一上位机与控制平移台连接，操控控制平移台工作；所述矩形开口波导通过同轴线连接到网络分析仪；所述网络分析仪产生激励信号并输出到矩形开口波导，实现对待测金属表面缺陷进行平面扫描；网络分析仪根据平面扫描结果进行数据采集；第二上位机根据网络分析仪采集到的数据进行待测金属表面缺陷边界识别。

6.根据权利要求5所述的一种金属构件缺陷的无损定量识别系统，其特征在于，还包括根据设定的提离距离在待测金属上方调节控制平移台固定矩形开口波导。

7.根据权利要求5所述的一种金属构件缺陷的无损定量识别系统，其特征在于，所述网络分析仪以设定的优化频率的激励信号输出至矩形开口波导。

说明书

基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别方法及系统

技术领域

[0001] 本发明属于无损检测领域，特别涉及一种微波无损检测技术。

背景技术

[0002] 微波无损检测技术是兴起于二十世纪60年代的一种较为新颖的无损检测技术。主要研究高频电磁波与被测目标之间电磁参数的相互作用，当微波入射到被测目标时，微波所具有物理性质和被测目标的电磁性质会互相影响，从而通过仪器测量微波的特性参数的变化来反映被测目标本身的表面和近表面的健康状况。微波无损检测可以通过不同的检测方法(反射、透射等)对不同类型的材料进行检测。同时无需耦合剂的检测方式使微波无损检测在实际应用中更加清洁。加之其在复杂、极端的环境条件下，检测结果发生的漏检情况极少，这使微波无损检测的应用前景非常广阔。

[0003] 微波无损检测技术通过反射系数的方法对金属表面缺陷检测的方法主要可以分为反射法、散射法和投射法三类。其中微波反射法根据微波通过波导入射到金属表面时反射和散射的电磁波的幅值和相位参数的变化表征缺陷的信息，由于其对探头的数量要求较少，在实验中易于实现等优点广泛的应用于金属表面缺陷检测。

[0004] 近年来，使用矩形波导的近场微波成像技术常被应用于微波无损检测领域。通过设计矩形波导的内部长边和短边的尺寸来控制微波在波导内部单模传输。应用开口矩形波导的微波反射法是利用微波入射金属试件表面和近表面时反射和散射微波对试件进行检测的方法。通过测取反射系数幅值、相位等的变化推断金属材料试件有无缺陷和缺陷相关参数的变化。

[0005] 但是现阶段的微波无损检测单纯通过反射系数幅值、相位等的变化推断金属材料试件缺陷存在。并无对金属表面缺陷边界的精确的识别，并且现有技术使用矢量网络分析仪采集反射系数相位参数时相位缠绕现象会对缺陷边界的识别产生相当程度的干扰。

发明内容

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出一种基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别方法及系统，基于相位解缠的反射系数相位方法对微波无损检测缺陷边界进行定量识别。

[0007] 本发明采用的技术方案为：一种基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别方法，包括：

[0008] S1、根据精度需求选择对应的微波频段；

[0009] S2、产生微波频段对应的激励信号；并以优化频率的激励信号输出至矩形开口波导；

[0010] S3、通过矩形开口波导对金属表面缺陷进行平面扫描，获得反射系数的实部与虚部；

[0011] S4、根据步骤S3获得的反射系数的实部与虚部计算得到反射系数相位；

[0012] S5、采用最小二乘法的无权重的Gauss-Seidel的方法对步骤S4得到的反射系数相位进行相位解缠；

[0013] S6、通过对经步骤S5得到的解缠相位离散点求解梯度，得到梯度最小点与梯度最大点，根据梯度最小点与梯度最大点得到缺陷位置的识别边界。

[0014] 进一步地，所述步骤S1还包括：根据微波频段选择对应类型的矩形开口波导。

[0015] 进一步地，步骤S5所述Gauss-Seidel的迭代停止条件为缠绕相位与解缠相位之差的偏微分平方和最小。

[0016] 进一步地，步骤S6所述根据梯度最小点与梯度最大点得到缺陷位置的识别边界，具体为：缺陷位置的识别边界为梯度最小点和梯度最大点基于扫描起始位置所对应的扫描点数与步长的乘积。

[0017] 本发明还提供一种基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别系统，至少包括：待测金属、矩形开口波导、控制平移台、网络分析仪、第一上位机以及第二上位机；所述矩形开口波导安装于控制平移台上；所述第一上位机与控制平移台连接，操控控制平移台工作；所述矩形开口波导通过同轴线连接到网络分析仪；所述网络分析仪产生激励信号并输出到矩形开口波导，实现对待测金属表面缺陷进行平面扫描；网络分析仪根据平面扫描结果进行数据采集；第二上位机根据网络分析仪采集到的数据进行待测金属表面缺陷边界识别。

[0018] 进一步地，还包括根据设定的提离距离在待测金属上方调节控制平移台固定矩形开口波导。

[0019] 进一步地，所述网络分析仪以优化频率的激励信号输出至矩形开口波导。

[0020] 本发明的有益效果：本发明的基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别方法及系统，针对现有技术中采用矢量网络分析仪采集反射系数相位参数时相位缠绕现象，通过基于最小二乘法的无权重的Gauss-Seidel的方法进行相位解缠，恢复模糊掉的相位周期，获得采集位置在扫描过程中的真实相位值，才能使反射系数相位信息更加准确；从而通过求解解缠相位离散点的梯度，根据梯度最大值和最小值计算出缺陷位置边界；本发明微波检测信号激励中使用优化提离和优化频率进行检测，以达到最佳的检测效果。

附图说明

[0021] 图1相同深度不同宽度矩形缺陷反射系数相位扫描曲线；

[0022] 图2相同深度不同半径圆形缺陷反射系数相位扫描曲线；

[0023] 图3为相同深度不同宽度矩形缺陷反射系数相位解缠曲线；

[0024] 图4为相同深度不同半径圆形缺陷反射系数相位解缠曲线；

[0025] 图5为相同深度不同宽度矩形缺陷反射系数相位解缠梯度曲线；

[0026] 图6为相同深度不同半径圆形缺陷相位解缠梯度曲线；

[0027] 图7为本发明的识别系统示意图；

[0028] 图8为本发明的方法流程图。

具体实施方式

[0029] 为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

[0030] 图1为相同深度不同宽度矩形缺陷反射系数相位扫描曲线；本实施例中的矩形缺陷为深度为4mm，宽度分别为8mm、6mm、4mm、2mm的7075铝合金矩形缺陷，图1是WR28波导提离为1mm，频率为34GHz时单方向缺陷反射系数相位扫描曲线。图2为相同深度不同半径圆形缺陷反射系数相位扫描曲线，本实施例中的圆形缺陷为深度4mm，半径为2mm、3mm、4mm、5mm的7075铝合金矩形缺陷，图2中WR28波导单方向扫描曲线。

[0031] 在使用矢量网络分析仪采集反射系数相位时，相位大小波动变化较大的现象。因为矢量分析仪在采集反射系数相位时，其相位值是被周期折叠后位于(-π,π]之间的相位主值，这个相位主值与真实相位值之间存在着π的整数倍差值。所以，本发明中需要对于缠绕相位进行相位解缠，恢复采集到的相位中被模糊掉的相位周期，获得在扫描过程中采集位置的真实相位值，使反射系数相位信息更加准确。

[0032] 本发明使用基于最小二乘法的无权重的Gauss-Seidel的方法进行相位解缠，其核心思想是使缠绕相位和解缠相位之差的偏微分平方和最小。

[0033] 图3为相同深度不同宽度矩形缺陷反射系数相位解缠曲线。图4为相同深度不同半径圆形缺陷反射系数相位解缠曲线；从图3与图4中可看到缺陷位置曲线凹陷处的左右宽度随矩形缺陷的宽度以及圆缺陷的半径增加而增加，由于开口波导移入和移出缺陷边界时反射系数相位会出现急剧的变化，所以取缺陷位置的两处梯度最大点之间的距离与圆缺陷的直径做比较。

[0034] 图5为相同深度不同宽度矩形缺陷反射系数相位解缠梯度曲线，图6为相同深度不同半径圆形缺陷相位解缠梯度曲线。取图5和图6中各缺陷位置的处反射系数相位梯度最小点和最大点与实际缺陷边界位置作比较如表1和表2所示。可看出最小和最大梯度点与实际缺陷边界位置相对误差小于8％，即与实际边界位置相对应。

[0035] 表1矩形缺陷曲线最小和最大梯度位置与实际位置

[0036]

[0037] 表2圆形缺陷曲线最小和最大梯度位置与实际位置

[0038]

[0039] 如图7所示为本发明的检测系统示意图，本发明的一种基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别系统，至少包括：待测金属、矩形开口波导、控制平移台、网络分析仪、第一上位机以及第二上位机；所述矩形开口波导安装于控制平移台上；所述第一上位机与控制平移台连接，操控控制平移台工作；所述矩形开口波导通过同轴线连接到网络分析仪；所述网络分析仪产生激励信号并输出到矩形开口波导，实现对待测金属表面缺陷进行平面扫描；网络分析仪根据平面扫描结果进行数据采集；第二上位机根据网络分析仪采集到的数据进行待测金属表面缺陷边界识别。

[0040] 本发明的系统还包括根据优化提离在待测金属上方调节控制平移台固定矩形开口波导，提离距离为1mm，提离距离表示矩形开口波导中的涡流磁场到待测金属的距离。

[0041] 本发明系统的网络分析仪以优化频率的激励信号输出至矩形开口波导；优化频率为34GHz。

[0042] 本发明系统通过编写控制精密控制平移台的平面扫面程序和控制网络分析仪的数据采集程序，实现对金属表面缺陷的平面扫描以获得反射系数方位参数。具体的：基于VB编写通过控制9030板卡驱动精密控制平移台的平面扫面程序，基于VC++编写控制PNA8463B网络分析仪的数据采集程序，实现对金属表面缺陷的平面扫描。

[0043] 如图8所示，本发明还提供一种基于微波反射的金属构件缺陷的无损定量识别方法，包括：

[0044] S1、根据精度需求选择对应的微波频段，并根据微波频段选择对应类型的矩形开口波导；

[0045] S2、产生步骤S1所述微波频段对应的激励信号；并以优化频率的激励信号输出至矩形开口波导；频段为26.5GHz-34GHz；

[0046] S3、通过矩形开口波导对金属表面缺陷进行平面扫描，获得反射系数的实部与虚部；

[0047] S4、根据步骤S3获得的反射系数的实部与虚部计算得到反射系数相位；

[0048] S5、采用最小二乘法的无权重的Gauss-Seidel(高斯-赛德尔)迭代方法对步骤S4得到的反射系数相位进行相位解缠；

[0049] S6、通过对经步骤S5得到的解缠相位离散点求解梯度，得到梯度最小点与梯度最大点，根据梯度最小点与梯度最大点得到缺陷位置的识别边界。

[0050] 步骤S5具体为：基于最小二乘法的无权重的Gauss-Seidel的方法进行相位解缠，其核心思想是使缠绕相位和解缠相位之差的偏微分平方和最小

[0051]

[0052] 其中，φ为相位，k为迭代次数，ρi,j为周期系数，i、j表示矩阵中像素点的参数位置；

[0053] 从而得到解缠相位φ1。

[0054] 步骤S6具体为：

[0055] 对解缠相位离散点求解梯度h为

[0056] h＝grad(φ1)  (2)

[0057] 各个缺陷位置的识别边界为其梯度最小点edge1和梯度最大点edge2基于扫描起始位置所对应的扫描点数与步长的乘积

[0058] edge1＝f(min(h))*Δl  (3)

[0059] edge2＝f(max(h))*Δl  (4)

[0060] 其中，函数f为反射系数相位梯度与扫描位置的对应关系；Δl为扫描步长。

[0061] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。