船舶制造过程中大量采用壳体结构,焊接是将壳状结构连接在一起的最有效方法,而焊缝不可避免会存在缺陷,将直接影响船舶质量和航行的安全性。因此,开展壳体焊缝无损检测,及时发现存在的焊缝缺陷,并给出缺陷的量化参数,具有重要的意义。传统的焊缝缺陷超声阵列检测方法,往往只能给出缺陷的2D图像,不利于对缺陷空间分布的观察,制约了对缺陷的准确量化与评估。再加之超声波一般采用脉冲激励,相同的激励电压下,回波信噪比小,不利于提高缺陷的图像分辨率,亦制约其检测范围。针对上述问题,本论文开展基于编码超声波的壳体焊缝缺陷3D成像方法研究,将为壳体焊缝缺陷检测提供参考和借鉴。论文在分析壳体焊缝缺陷特点的基础上,对焊缝缺陷常规超声检测方法技术现状及成像技术现状进行了归纳与总结,提出了采用二进制频率组合编码信号激励产生超声波,采用局部矩阵数据捕获方法获取回波信号,再经脉冲压缩后提取编码超声回波信号中携带的缺陷信息,进而利用蒙特卡洛算法解算出焊缝缺陷空间声场参数分布,将声场参数投影到壳体体素模型中,实现了壳体焊缝缺陷的3D填充与显示,获得了缺陷的3D图像。论文将这种方法应用于壳体焊缝缺陷试块检测,在实验室搭建了测试系统,对预埋缺陷进行了检测与成像,结果表明,该方法能有效检出试块中预埋的5种缺陷,且3D成像分辨率得到了提高,有效的减少了常规成像方法中的伪影现象,使检测人员能够快速掌握缺陷的空间分布信息。论文主要研究工作及结论如下:1)在分析壳体焊缝缺陷种类和特点的基础上,对目前常用的焊缝缺陷超声检测方法的技术现状、编码超声缺陷检测技术现状、以及缺陷超声成像技术现状进行了总结。2)介绍了编码超声产生和检测原理,给出了常见的编码超声数学模型,分析了其响应信号的特点,以及回波信号自相关脉冲压缩原理,确定了本论文编码模型为二进制频率组合编码,并对从编码回波信号中辨识超声波发射阵元的方法进行了研究,为空间声场解算中声场路径解算提供了依据。3)研究了超声传感器阵列的空间声场分布规律,构建了基于局部矩阵数据捕获的回波信号获取方式,并给出了局部矩阵建立依据和规则,通过声场仿真手段比较了三种类型的局部矩阵成像效果。4)建立壳体焊缝的空间体素模型结构,根据几何声学传播规律,以及空间体素坐标,采用蒙特卡洛算法解算出了被测体空间声场分布,以体素几何中心为虚拟聚焦点,将声场参数投影到每一个体素上,得到了缺陷的3D图像,并用API(3D)与T量化指标对成像质量进行了评估。5)通过声场仿真方法,统计分析编码超声3D成像效果与性能。结果表明,本论文提出的局部矩阵超声3D成像API(3D)接近于全矩阵3D成像API(3D),而回波信号接收通道数和采集数据量均明显减少,运算时效性提高了约为35%。6)在实验室搭建了模拟壳体焊缝缺陷试块编码超声检测检测系统,按照《潜艇船体结构焊接质量检验规则和质量等级》标准加工了试块缺陷,获取了试块在编码超声激励下的局部矩阵数据,将从回波数据中解算的声场参数投影到试块空间体素模型中,得到了缺陷的3D图像,可以方便获取缺陷形貌表征,可为缺陷量化评估提供依据。