本发明涉及超声无损检测，尤其涉及一种基于非线性波束成形的超声相控阵横波稀疏成像方法。
背景技术：
1、超声相控阵检测是按照一定的延迟时间通过控制传感阵列中的各个阵元，有规律地激励和接收超声波，实现超声波束的偏转和聚焦，对工件内部的缺陷进行无损检测。在航天、核电、复合材料等领域关键设备的无损检测，超声相控阵以其检测速度快、灵敏度高、对象适应能力好被广泛使用。目前采用全矩阵采集(full matrix capture,fmc)及全矩阵数据的全聚焦(total focus method,tfm)成像方法，实现了被测区域内任意位置的聚焦成像，大大提高了图像分辨率。
2、然而，上述全聚焦成像算法采用了相似的线性延时叠加(das)策略来实现超声图像的重构，未利用信号的空间相干性。近些年，一种利用信号的空间相干性提高信噪比的延时乘累加(dmas)的非线性波束形成算法逐渐受到人们关注，该方法在缺陷成像的横向分辨率、背景噪声抑制和对比度分辨率方面相较于全聚焦成像方法有显著提升。如中国专利授权公告号：cn108670304b中所提出的一种基于改进dmas算法的超声平面波成像方法，通过该波束成形算法能大大提升成像性能。但上述方法针对平面波激发，且并非通过横波成像，且由于超声相控阵采集全矩阵存在数据量大，数据冗余；同时，在激发横波情况下往往设置倾斜楔块，使得折射点计算很费时，成像效率低，一定程度上限制了其在工业无损检测上的实际使用。
技术实现思路
1、为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种基于非线性波束成形的超声相控阵横波稀疏成像方法，包括以下步骤：
2、s1、根据超声相控阵探头参数及楔块参数，计算超声相控阵阵元坐标；
3、s2、在超声相控阵n个阵元中随机选择m个有效阵元，将目标区域离散网格化，计算每个有效阵元对每个网格的声场辐射能量，然后将所述声场辐射能量叠加计算合成声场辐射能量，并根据所述合成声场辐射能量计算平均值，取平均值最大的稀疏阵列分布作为超声稀疏阵列分布；
4、s3、采集检测对象的超声稀疏阵列全矩阵信号，对目标区域进行非线性波数成形处理进行可视化重建。
5、具体的，步骤s1具体为：
6、所述超声相控阵探头参数包括：阵元数目n、阵元间隔p、阵元宽度a及阵元中心频率fc；所述楔块参数包括：楔块倾斜角β、楔块密度ρ1、楔块的纵波声速c1及第一阵元高度h；以阵列第一阵元中心点在检测对象的表面投影为原点，则超声相控阵各阵元中心横坐标为：
7、elx(m)＝(m-1)pcos(β)
8、超声相控阵各阵元中心纵坐标为：
9、elz(m)＝h+(m-1)psin(β)
10、其中，m为阵元序号，m＝1，2，3，…，n。
11、具体的，步骤s2中通过下式计算每个有效阵元对每个网格的声场辐射能量：
12、
13、其中，rm为所计算第m阵元指向检测目标点的向量，r1m为超声在楔块中传播距离；为超声在检测对象中的传播距离，其上标m为阵元序号；exp()为以自然指数e为底的指数函数符号；k1为超声在楔块中的波数，k1＝2πfc/c1；k2为超声在检测对象的波数，k2＝2πfc/c2；c2为检测对象横波声速；θ1为超声在楔块和间隔对象分界面的入射角，θ2为超声在楔块和间隔对象分界面的折射角，其上标m为阵元序号；pm(rm)为序号为m的阵元对检测目标点的声场辐射能量。
14、具体的，步骤s2中所述合成声场辐射能量p(r)为：
15、
16、其中，ω为有效阵元序号集合，ω中的元素共有m个且互不相同；pm(r)为序号为m的阵元的声场辐射能量；pn(r)为序号为n的阵元的合成声场辐射能量。
17、具体的，步骤s3具体包括以下步骤：
18、s31、根据超声稀疏阵列分布，采集超声稀疏阵列全矩阵信号；所述超声稀疏阵列全矩阵信号为所述超声稀疏阵列中有效阵元逐个激发超声信号，所有有效阵元进行接收的超声信号组成的稀疏阵元全矩阵数据集sm,n(t),m＝1，2，3,…,m；n＝1,2,3,…,n；
19、s32、根据稀疏全矩阵信号代换公式将sm,n(t)表示为sj(t),并进行含相位域的解析信号处理得到稀疏全矩阵数据的含相位域解析信号sj(t)：
20、sj(t)＝sj(t)+i*hilbert(sj(t)),
21、其中hilbert()为希尔伯特变换，j为该信号在稀疏全矩阵信号的标序；
22、s33、根据成像区域网格点及sj信号进行求解飞行时间tj(x,z)，并通过非线性波束成形算法处理后导出图像矩阵，完成目标区域的可视化重建。
23、具体的，步骤s32中所述稀疏全矩阵信号代换公式为：
24、subscript＝transmitter*m+receiver
25、其中，transmitter为发射阵元序号，receiver为接收阵元序号，m为稀疏阵列有效阵元数量。
26、具体的，步骤s33中所述非线性波束成形算法为：
27、
28、其中，i(x,z)为成像区域网格点的映射幅值；s为稀疏全矩阵数据的含相位域解析信号，下标j，k为该信号在稀疏全矩阵信号的标序；sj(t)为j标号下的一段信号；sj(tj(x,z))为j标号下的一段信号在t＝tj(x,z)的幅值；sgn()为符号取值函数，具体为：
29、
30、具体的，步骤s33中所述飞行时间tj(x,z)为sj信号对成像区域内的网格点(x,z)的超声传播时间，具体为：
31、sj信号从发射阵元根据楔块纵波至楔块入射折射点(xinc1,0)，再根据检测对象横波至(x,z)，再根据检测横波至检测对象入射折射点(xinc2,0)，再根据楔块纵波至接收阵元，其中所需的时间即为tj(x,z)。
32、具体的，步骤s33中根据成像区域每个网格点及楔块纵波声速、试件横波声速进行求解飞行时间tj(x,z)具体为：
33、将sj信号代换为有效阵元m激发有效阵元n采集的a波信号，根据费马最小飞行时间定理得到下式：
34、
35、其中，c1p为超声在楔块中的纵波声速；c2s为超声在检测对象中的横波声速；elx(m)为有效阵元m的中心横坐标，elz(m)为有效阵元m的中心纵坐标，m＝1，2，3，…，m；elx(n)为有效阵元n的中心横坐标，elz(n)为有效阵元n的中心纵坐标，n＝1，2，3，…，m。
36、本发明提出了一种基于非线性波束成形的超声相控阵横波稀疏成像方法，包括以下步骤：s1、根据超声相控阵探头参数及楔块参数，计算超声相控阵阵元坐标；s2、在超声相控阵n个阵元中随机选择m个有效阵元，将目标区域离散网格化，计算每个有效阵元对每个网格的声场辐射能量，然后将所述声场辐射能量叠加计算合成声场辐射能量，并根据所述合成声场辐射能量计算平均值，取平均值最大的稀疏阵列分布作为超声稀疏阵列分布；s3、采集检测对象的超声稀疏阵列全矩阵信号，对目标区域进行非线性波数成形处理进行可视化重建。本方法基于非线性波束成形算法进行横波成像，在保证高质量成像的同时，极大地缩减了计算时间，提高了成像效率。
37、此外，本发明提出的超声稀疏阵列分布选取方法可以选择合适的少量有效阵元进行稀疏阵列的构建，减少了成像所需数据量、并且减少阵元间相互干扰和功率消耗，也有效提高了成像质量和成像效率。
38、此外，本发明提出的基于非线性波束成形的超声相控阵横波稀疏成像方法简单易行，成本低，易于在工业无损检测中推广使用。
1.一种基于非线性波束成形的超声相控阵横波稀疏成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1具体为：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤s2中通过下式计算每个有效阵元对每个网格的声场辐射能量：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤s2中所述合成声场辐射能量p(r)为：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3具体包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤s32中所述稀疏全矩阵信号代换公式为：
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤s33中所述非线性波束成形算法为：
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤s33中所述飞行时间tj(x,z)为sj信号对成像区域内的网格点(x,z)的超声传播时间，具体为：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤s33中根据成像区域每个网格点及sj信号进行求解飞行时间tj(x,z)具体为：
