聚乙烯管道焊接超声波检测中的空间复合成像技术

谢长生，王胜辉，张 俊，罗晓明，印军华

（1.上海海长骄机电工程有限公司，上海 201801；2.上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200333）

PE管的原材料聚乙烯是一种高分子量的有机合成材料，是目前国际上应用于塑料压力管的最为成熟的材料之一，在许多国家的输水输气输油管道工程中广泛应用，且发展迅速。PE 管的焊接质量的好坏直接影响到管道系统的安全和寿命，故须对PE管环焊缝进行全面的非破坏性探伤。对PE 材料管的焊缝探伤，超声波法是一个首选的、方便有效的方法，故笔者选择了超声波方法对PE 管环焊缝进行质量检测［1］。

超声波检测过程中，检测系统的成像质量和分辨率是关键的性能指标。空间复合技术是增强超声图像质量和检测能力的技术，在工业探伤相控阵超声检测仪器中应用还较少。空间复合成像技术能降低图像的随机噪声和斑点噪声，提高图像的信噪比，提高缺陷的检出能力，并且可以降低实际检测时的盲区和伪像。笔者利用空间复合成像技术，对PE 焊缝超声波探伤中的图像质量进行了优化，并将其运用到工程实践中。

1 空间复合成像原理及实现

1.1 空间复合成像原理

空间复合成像技术可以降低超声图像中的斑点噪声、混响、声影、盲区，提高图像的对比分辨率和信噪比，从而提高超声图像的清晰度和可读性。

超声图像的质量通常是通过信噪比（SNRe）来评价式中：μ为均匀组织区域的平均值；σ为均匀组织区域的标准差。

设两个子图像P和Q，大小均为m×n，它们之间的相关性系数ρ（0≤ρ≤1）表示为

式中：P和Q分别为图像Pij和Qij中位置（i，j）上的灰度值；分别为图像P和Q的灰度平均值。

定义N个随机变量Xi（i＝1，2，…，N，N≥2）表示N个子图（来自于同一个感兴趣区域ROI）。对这N个子图使用平均加权策略，复合成一个新的图像X，则图像X的方差为：

假设Var（Xi）近似等于σ2，ρ（Xi，Xj）近似等于ρ，则式（3）可简化为

如果将图像的平均值看作一个常数μ，则N个子图像平均复合后所得图像的数学期望也是这个值，即

由式（1，4，5）得到复合后图像X的信噪比为

从式（6）可得出：如果各子图像集完全解相关（即ρ＝0，随机变量Xi完全独立），则复合后的图像的信噪比是原来的倍；如果各子图像见完全相关（即ρ＝1），则复合后图像的信噪比没有变化；如果各子图像间部分相关（即0＜ρ＜1），则复合后图像的信噪比是原来的倍［2］。

通过以上的推导可得出，只要各子图像之间具有解相关性，复合后的图像的信噪比就能得到一定的提高，且解相关性越强，信噪比提高就越显著。

对超声波相控阵工业探伤仪来说，空间复合成像技术利用扫描声束的偏转实现从多个角度对同一目标进行成像。不同发射／接收波束方向的含斑点噪声、随机噪声等噪声的子图像具有一定的解相关性，并且，不同时刻采集的子图像，随机噪声等也具有一定的解相关性。所以通过空间复合成像，能降低图像的随机噪声和斑点噪声，提高图像的信噪比。

图1显示了利用线阵三个偏转角度的组件图像实现空间复合的示意图，在图1中，以向左斜扫得到超声图像A，以正扫（垂直扫查）得到超声图像B，以向右斜扫得到超声图像C，然后根据超声图像的空间坐标对三幅图像各点幅值进行加权，得到新的像点组成的超声图像D。在整个扫描区域中，三个不同偏转角度的组件图像在一个梯形区域内重叠。由于不同偏转角度的组件图像受到相对独立的斑点噪声，以及不同声影和混响等的干扰，通过三个组件图像的复合即可有效降低斑点噪声、声影、混响等因素的影响，从而在该重叠区域内获得噪声更低、图像更清晰的图像质量［2－4］。随着图像的噪声降低，超声图像D 的空间组织结构变得细腻，图像对比度增强，同时也看到空间复合后的图像扫查视野增大。

图1 三个偏转角度的组件图像及空间复合图像

1.2 空间复合成像实现

空间复合成像是由正扫、左扫、右扫三幅复合而成，其各自的扫描采集时间见图2。

图3为空间复合成像在超声相控阵仪器中的实现位置。从图中可看出，经过A／D 变换、波束形成、扫描变换等阶段形成的子图像帧F（x，y）（例如正扫、左扫、右扫等）在空间复合成像处理模块进行复合，形成复合图像后被显示出来。

图2 扫描帧数据采集时间

图3 空间复合成像在超声相控阵仪器中的实现位置

从不同帧形成复合帧的方法有：Peak－Detection（峰值检测）法、平均法、几何平均法、中值法、均方根法等。

平均法的计算公式如下：

几何平均法的计算公式如下：

均方根法的计算公式如下：

式中：F（x，y）为原始采集的图像帧（如正扫、左扫、右扫帧）数据；C（x，y）为空间复合后的图像帧数据；N一般取值3。

其它方法的计算公式略。文中主要采用平均法。

2 空间复合技术的优势

2.1 扩大检测区域

如图4所示，空间复合扫查所成的图像是由左斜扫查、右斜扫查和正扫拼接而成，两个斜扫查有部分区域与正扫不重合，这便扩大了原来的检测区域。

2.2 降低斑点噪声、随机噪声

图4 空间复合扫查扩大检测区域示意

超声成像中的斑点噪声是一种内在的成像伪影，其是一种随机的“米粒状”结构，会使得超声图像组织结构的显示变得模糊，图像斑点往往被称为“噪声”。当反射体的间距小于超声系统的最高分辨率时，超声回波间的多种相互作用就会产生斑点噪声，并由此降低了图像的空间分辨率和对比分辨率，相应的成像则变得模糊不清。

目前传统斑点噪声的处理方法可分为三类：分辨率提升法，处理法，平均法。最常用的是平均法。

平均法有三种：时间平均法、空间复合法和频率融合成像法。时间平均法考虑了组织或者探头的移动；空间复合成像使用了多角度声束的发射和接收；频率融合成像则利用了不同发射频率／接收频带来融合图像信息。使用这些技术获得的非相关帧，具有不同的斑点模式，但有着相同的特征图像信息。处理后斑点噪声被降低了，但不同帧之间的相同特征的图像信息被提升了［2－5］。

通过空间复合成像，降低斑点噪声的同时，也降低了其它随机噪声和干扰噪声。

2.3 提高图像对比度

通过空间复合成像，并选取合适的窗函数等技术，可加强目标中探测部位的波束信号强度，增强超声图像中探测部位的最终信息，使最终的超声图像有较好的分辨率和层次感，更多地显示出探测部位的有用信息［6］。

2.4 减少盲区

线阵正扫中，若两个垂直的焊接缺陷距离较近，上方的焊接缺陷会有伪像或噪音会干扰下方的缺陷成像。使用空间复合成像，从三个不同的角度对区域进行扫描，当扫描的角度偏移时，上方的焊接缺陷对下方近距离缺陷的干扰会减小，使得图像的辨识度更高。从图5中可看出，采用空间复合技术后，对于焊接缺陷的定位更加准确。

3 试验过程与结果分析

3.1 试块制作与试验设备

图5 减少盲区

为了验证空间复合的效果，首先制做了两个PE测试试块，其外观如图6所示。在图6上方所示的PE测试试块上钻孔，孔直径1.2mm，共分4行，每行6个孔洞，4行孔距离表面分别为：0.5，1.5，2.5，3.5cm。图6下方所示的试块的右侧从右往左的方向上钻了6个孔（在该试块的右侧表面向左侧进行检测，故在图像上显示的是垂直的6个孔）［1］。

图6 PE试块外观

用超声检测系统对PE试块进行超声B扫描成像。由于孔洞深度不是很深，故选择发射频率为7.5 MHz。

3.2 试验结果

3.2.1 检测区域的对比

试验结果如图7所示，普通扫查成像时，能够看到上面一排的两个点和下面一排的四个点；当切换到空间复合模式时，上面一排能够看到三个点，下面可以看到5个点。可见明显扩大了检测区域，能发现更多的缺陷。

图7 采用不同扫查技术后的扩大检测区域

3.2.2 噪声的对比

图8 采用不同扫查技术后的噪声对比

试验结果如图8所示，左侧普通扫查图下方有很多噪声；切换为空间复合模式后，噪声明显减少。

3.2.3 图像对比度的对比

如图9所示，普通扫描图像的圆孔呈扁平状，而且最右侧的两个点之间有虚影相连，切换为空间复合模式后，虚影消失，圆孔扁平现象有所改善，最右侧亮点也可以较好地区分开来。出现圆孔目标超声成像成为扁平状的现象，则是超声检测系统的横向分辨率没有纵向分辨率高而造成。

图9 采用不同扫查技术后的图像对比度

3.2.4 盲区的对比

扫查一排垂直的孔时，下面孔的成像会被上面的孔挡住，如图10所示。图10中箭头所指的亮点为PE 上圆孔成的像，圆孔的像后面有时会带有伪影（即图像中的其它亮点）。图10（a）中有5个点，第5个点已经裂开；切换为空间复合模式后，能扫查出的点明显增多，第3个孔（图像中第5个点）也能完好显示，并隐约可见第4个孔。同时，伪像也会有一定程度的降低。

图10 采用不同扫查技术后的盲区对比

4 工程应用

将空间复合技术应用到PE 管道焊接超声检测的工程实践中，以用电熔焊接的管材（图11）为例进行检测。

图11 电熔焊接的PE管材外观

扫描出的图像如图12所示。图12（a）中，一排金属丝之间的伪像，有的地方连在一起，底面回波形成了多层线；图12（b）中每个金属丝清晰独立，金属丝的伪像弱化，底面回波也只有一条线。

图12 采用不同技术扫查PE管材的图像对比

5 结论

空间复合成像技术可以降低聚乙烯管道焊接超声波检测中成像的噪声，扩大检测区域，降低盲区和伪像，提高图像对比度及分辨率，在管道焊接的超声波检测中有重要的应用价值。将其应用于PE管道焊接相控阵检测和工程实践中，取得了很好的效果，图像质量和缺陷检出能力均得到了提高。

［1］丁守宝，郭伟灿，郑津洋，等。聚乙烯管道电熔接头超声检测［J］。无损检测，2008，30（5）：10－13.

［2］邵党国，钟明，易三莉，等.基于空间位移复合的超声弹性成像抑噪数据采集与处理［J］.2014，29（1）：70－74.

［3］LIU P，LIU D C.Oriented demodulation and frequency splitting for directive filtering based compounding［C］／／2008IEEE Ultrasonics Symposium.Beijing：［s.n］，2008.

［4］LIU P，LIU D C.Directive filtering schemes for frequency compounding in ultrasound speckle reduction［C］／／Proceedings of 2008International Pre－olympic Congress on Computer Science.Nanjing：［s.n］，2008：227－231.

［5］伍于添.医用超声设备原理、设计、应用［M］.北京：科学技术文献出版社，2012.

［6］田园.超声诊断的空间复合成像方法：中国，CN102038519B［P］.2010－12－31.