薄材焊缝自动化超声TOFD成像检测关键技术研究

【摘要】薄材焊件广泛应用于各个行业,对国民经济的发展、现代国防的建设以及高新技术的进步产生巨大的影响,一直以来对无损检测技术具有强烈的需求。由于超声TOFD(TimeofFlightDiffraction)成像检测技术拥有其它方法难以媲美的优势,已成为目前焊缝缺陷定量检测最为有效的技术手段,并正朝着自动化检测方向迈进。但薄层板材较小的厚度会使超声TOFD检测原始信号产生混叠,并作为该技术自动化应用基础的自动化成像及其成像结果自动判读技术,还存在有待突破的技术障碍。为此,本论文结合国家自然科学基金资助项目,开展薄材焊缝自动化超声TOFD成像检测关键技术研究。在明确超声TOFD成像检测机理及其可靠性影响因素的基础上,将小波变换与维纳滤波方法有机融合,发展一种适合于超声TOFD检测信号应用的小波子带维纳滤波技术,实现薄材焊缝的高纵向分辨率超声TOFD成像,并建立超声TOFD检测图像参数化模型,利用参数优化辨识技术精确定量检测薄材焊缝缺陷的位置及尺寸等几何信息；同时,针对超声TOFD检测图像中直通波遮挡近表面缺陷、对比度分辨率低以及边界模糊等共性问题,开展相关图像处理技术的研究,重点发展基于形态学与分水岭的组合式图像分割算法,有效协调计算效率与分割精度之间的矛盾,高性能实现检测图像感兴趣目标区域的提取,并结合检测图像的空间分布特性和邻域分布特性,分别利用灰度共生矩阵法和局部二值法提取感兴趣区域的多尺度全局和局部纹理特征参数,进行高斯归一化融合后用于焊缝缺陷类型的识别,达到对薄材焊缝缺陷自动化检测及焊接质量自动评价的目的。具体的研究内容和创新成果体现在：第一章,系统阐述了薄材焊件对国民经济发展、现代国防建设和高新技术进步的影响,以及开展薄材焊缝自动化超声TOFD成像检测技术研究的重要意义,全面概括超声TOFD成像检测技术的研究现状及其发展趋势,明确了目前该技术在薄材焊缝检测中所存在的问题,为本文的研究指明方向。同时,对论文的研究内容及各章节进行安排。第二章,介绍了超声TOFD检测机理和缺陷定量计算方法,并根据超声波传播规律及与缺陷的作用机理,从各向同性固体介质中的动力学基本方程入手,建立了基于矩形单元的超声TOFD检测有限元模型,采用中心差分法对该模型进行求解。同时,还利用该模型及其求解方法对典型缺陷的超声TOFD检测信号进行模拟,对影响检测精度和可靠性的因素进行分析,为后续的研究奠定必要的理论基础。第三章,针对薄材焊缝超声TOFD检测应用中相关原始信号容易产生时域混叠以及它们的频谱互为不同而带来反卷积参考信号选择困难等问题,提出了一种基于小波子带维纳滤波的反卷积技术。在利用小波变换将超声TOFD检测原始信号分解为不同子带信号的基础上,以相干函数为判据自适应地确定具有强因果关系的子带直通波、缺陷上端和下端衍射波以及底面反射波等信号,从中选择反卷积参考信号,并对确定的相关子带信号进行重构及对重构的信号进行维纳滤波,有效分离超声TOFD检测原始信号。同时,以分离后的信号为基础数据实现高纵向分辨率的超声TOFD成像,解决超声TOFD检测技术在薄材焊缝应用的关键技术难点。第四章,为克服由于大扩散角声束应用降低超声TOFD成像横向分辨率而难以精确定量检测薄材焊缝缺陷位置及其尺寸的问题,提出了一种基于超声TOFD图像参数化模型的焊缝缺陷几何量高精度定征技术。在分析焊缝缺陷超声TOFD成像特性以及建立超声TOFD图像参数化模型的基础上,采用实测数据与模型之间的代数距离作为优化目标函数,将非线性的参数估计转换为线性的矩阵求解问题,精确定量检测焊缝缺陷的位置及其尺寸等几何信息,并大幅度提高缺陷相关参数的估计效率。第五章,根据超声TOFD检测图像的直通波易遮挡近表面缺陷、对比度分辨率低以及边界模糊等共性特点,开展相关图像处理技术的研究。在完成图像消噪提高信噪比及对直通波拉直处理的基础上,利用能量分布统计法对拉直处理后的直通波进行抑制,消除直通波对近表面缺陷的遮挡,并重点发展基于形态学与分水岭的组合式图像分割算法,继承分水岭图像分割能力的前提下,利用数学形态学方法消除图像纹理所产生的局部极小值对分割结果所造成的影响,克服传统分水岭算法用于纹理图像分割时所产生的过分割问题,有效协调图像分割效率与分割精度之间的矛盾,高性能提取超声TOFD检测图像的感兴趣目标区域。第六章,为建立超声TOFD成像结果自动判读的技术基础,开展了基于超声TOFD图像多尺度特征的焊缝缺陷类型自动识别技术的研究。在对超声TOFD检测图像进行小波变换多分辨率分析的基础上,从超声TOFD检测图像的空间分布特性和邻域分布特性两方面入手,分别利用灰度共生矩阵法和局部二值法提取感兴趣区域内检测图像的多尺度全局和局部纹理特征参数,进行高斯归一化融合后,结合模式识别技术实现焊缝缺陷类型的自动识别,并对该技术的识别准确率进行实验评估。第七章,对本文的研究工作进行概括总结,并对以后的工作进行展望,明确未来的主要研究内容和方向。
【作者】周红明；
【导师】杨克己；
【作者基本信息】浙江大学，机械制造及其自动化，2014，博士
【关键词】薄材焊缝；超声TOFD成像；自动化检测；解卷积；缺陷几何参数估计；缺陷类型识别；

【参考文献】
[1]秦亚萍.基于LBS的移动订餐系统的设计与实现[D].华中师范大学,电路与系统,2014,硕士.
[2]黄余阳阳.沥青路面层间粘结性能影响因素研究[D].长安大学,道路与铁道工程,2013,硕士.
[3]杜晓敏.高中课堂教学中运用英语阅读策略的研究[D].内蒙古师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[4]周坚乔,羊悦,杨胜利.富硒冬虫夏草发酵工艺优化[J].中国酿造,2014,12:151-154.
[5]刘瑞芳,娄卓夫,马喜平,李伟力,曹君慈.电机轴电流问题中轴承等效电容和电阻的计算模型[J].中国电机工程学报.
[6]武伟宁.基于心音时间序列分析的瓣膜病辅助诊断方法研究[D].兰州理工大学,控制工程,2014,硕士.
[7]李萍.三峡库区典型消落带水体中汞的时空分布[D].西南大学,环境工程,2013,硕士.
[8]赵晓洁.代位继承制度研究[D].河北大学,法律,2013,硕士.
[9]胡漫林.参苓白术散干预危重病患者肠道菌群失调的初步观察[D].广州中医药大学,中西医结合临床（专业学位）,2013,硕士.
[10]王明元.餐饮企业微博营销策略研究[D].内蒙古大学,工商管理,2013,硕士.
[11]董朝飞.钠通道SCN1A基因启动子负性调控元件的功能研究[D].广州医科大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[12]张玲凤.铅锌矿采选对地下水环境影响的研究[D].内蒙古大学,环境工程,2014,硕士.
[13]曹俊岭.民生时代基层信访工作改革研究[D].山东师范大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[14]李明涛.基于功能对等理论的中国哲学思想英译过程实践报告[D].鲁东大学,英语笔译（专业学位）,2013,硕士.
[15]刘宇.基于数据挖掘方法对当代名中医辨治慢性萎缩性胃炎用药规律研究[D].河北医科大学,中医内科学,2014,硕士.
[16]李金铭.基于表面肌电信号的下肢康复机器人控制方法研究[D].哈尔滨工业大学,机械电子工程,2013,硕士.
[17]伍叶梅.银葛双解剂抗甲型H1N1流感病毒作用的实验研究[D].华中科技大学,老年医学,2013,硕士.
[18]骆蕾.TC4表面搅拌摩擦加工制备铝基覆层及其氧化性能的研究[D].南京航空航天大学,材料加工工程,2014,硕士.
[19]徐瑞芳.企业预算风险管理研究[D].武汉理工大学,会计学,2012,硕士.
[20]李永光.基于特征提取的人体检测方法[D].吉林大学,软件工程,2012,硕士.
[21]温贤浩.Survivin反义寡核苷酸对k562细胞分化的影响及机制的实验研究[D].重庆医科大学,儿科学,2004,硕士.
[22]郑建勋.内蒙古东部地区典型重结晶石灰岩矿地质特征及对后期不规则脉岩体积的估算方法[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2013,硕士.
[23]张建海.基于小波变换域的数字水印技术研究[D].天津理工大学,计算机技术,2013,硕士.
[24]李飞翔.航电数据通信系统中小波去噪算法研究及FPGA实现[D].西安电子科技大学,通信与信息系统,2012,硕士.
[25]赵炜.遥感监测乌梁素海“黄苔”方法研究[D].内蒙古大学,环境工程,2013,硕士.
[26]张素慧.单晶式多晶体纳米金刚石复合薄膜界面结构和性能的研究[D].内蒙古科技大学,机械电子工程,2014,硕士.
[27]杜耐一.CXCR1，CXCR2基因多态性与子宫内膜异位症发病风险的关联性研究[D].河北医科大学,妇产科学（专业学位）,2013,硕士.
[28]王振东.董箐水电站工程机电设备的安装调试实践[D].山东大学,工业工程（专业学位）,2012,硕士.
[29]王莉梅.全混合发酵饲料对羊肉品质的影响[D].内蒙古农业大学,食品工程,2013,硕士.
[30]邹十践.用科学发展观引导我国工程机械行业健康发展[J].交通世界,2005,06:52-60.
[31]汪向阳1,陈金思1,2,胡献国1,徐玉福1.钠添加剂对NOxOUT工艺影响的研究[J].环境科学学报.
[32]李陆星.谱系化动车组车体参数化建模及分析[D].北京交通大学,2014.
[33]徐本强.车间调度的MAS智能决策技术研究与应用[D].大连海事大学,计算机应用技术,2004,硕士.
[34]郭员.上市公司社会责任信息披露与股价的相关性研究[D].云南财经大学,企业管理,2014,硕士.
[35]刘杰.法院调解制度研究[D].河北经贸大学,法律,2013,硕士.
[36]张秀兰.关于日语中表达目的的“TAMENI”和“YONI”的再考察[D].上海外国语大学,日语语言文学,2013,硕士.
[37]程峰.基于EPA的工业无线网络可靠调度技术研究[D].浙江大学,控制科学与工程,2014,硕士.
[38]刘耘.渐进式学习刍议——《视听语言》课程教学探析[J].品牌(下半月),2015,02:215.
[39]郭文帅.生物修复技术在人工土快滤处理中应用的研究[D].中国海洋大学,环境工程,2003,硕士.
[40]戴湖海.CL公司家用空调市场营销策略研究[D].西北大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[41]胡跃明,李锦赐,梁天培.非线性不确定大系统的分散滑动模控制[J].控制与决策,1994,04:241-246.
[42]张辉.太阳帆航天器轨道动力学与控制研究[D].中国科学技术大学,导航、制导与控制,2014,硕士.
[43]王斌.ABC电梯制造公司销售支持管理研究[D].天津大学,工商管理,2013,硕士.
[44]官凤英.基于IKONOS影像和DGPS技术的森林调查因子估测方法研究[D].北京林业大学,2004.
[45]钱国红.量子算法及其在数据挖掘中的应用[D].浙江工业大学,计算机软件与理论,2012,硕士.
[46]郑丽敏,任丽梅,任发政.农业专家系统的发展与精确农业[J].中国农业科技导报,2002,04:62-65.
[47]沈银.pH敏感两亲性载体EHCO的液相合成及性质研究[D].浙江大学,化学,2013,硕士.
[48]杨禹.重组H5N2亚型禽流感病毒株的构建及其免疫原性的初步研究[D].东北农业大学,预防兽医学,2013,硕士.
[49]卫晓华.DLK1调控Notch信号通路对T-ALL细胞的影响[D].山西医科大学,血液内科学,2013,硕士.
[50]谭鹏立.无线传感器网络自定位及跟踪技术研究[D].辽宁工程技术大学,控制理论与控制工程,2012,硕士.