Page 95 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 肖权旌等： 改进 YOLOv5 的高密度聚乙烯管热熔接头 3D 全聚焦成像缺陷识别分析 91

其中：L SIoU 为 SIoU 损失函数；∆ 为距离损失；Ω 为
形状损失；Λ 为角度损失；σ 为真实框和预测框中心 2 HDPE管热熔接头3D-TFM图谱数据集
点之间的距离；c w 和 c h 为真实框和预测框中心点
2.1 缺陷3DTFM图谱采集
构造的矩形的宽度和高度；α 为真实框和预测框中
本实验采用相控阵超声 3D-TFM 实时成像系
心点之间的距离与x轴相交角度；C W 和C H 为真实
统、5M 8×8 面阵探头、编码器等，如图 4 所示。由
框和预测框最小外部矩形的宽度和高度；w 和 h 为
于 HDPE 管道接头区域材质与母材接近，故采用
预测框的宽度和高度；w 和h 为真实框的宽度和
gt
gt
预制典型缺陷的 HDPE 试块进行检测与图谱采集。
高度；θ 为控制形状损失的程度，避免过于关注形状
按照 JB/T 8428–2015《无损检测超声试块通用规
损失而降低对预测框的移动，使用遗传算法计算其
范》 [28] 要求制作规格为 400 mm×40 mm×80 mm，
接近4，因此选取θ ∈ [3, 5]。原理图如图3所示。
材料为 PE100 的 HDPE 试块。从右侧开始，分别加
工了 ϕ1 mm 横通孔 12 个、ϕ2 mm 横通孔 9 个和 ϕ3
C W
y w mm 横通孔 5 个，其中 ϕ1 mm 和 ϕ2 mm 的横通孔
h
缺陷深度分别为 10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、
σ 30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm，ϕ3 mm 横
C H c h
通孔缺陷深度为 10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、
α
h gt x 50 mm。图 5 为 HDPE 试块结构图。使用结合编
c w
码器的相控阵超声 3D-TFM 实时成像系统分别对
w gt
HDPE试块上预制横通孔(ϕ1 mm、ϕ2 mm、ϕ3 mm)
图 3 SIoU 原理图
进行检测。图6为3D-TFM缺陷检测图；图7为整体
Fig. 3 SIoU schematic diagram
HDPE试块3D-TFM缺陷检测图。
SIoU在优化预测框过程中，预测框中心点收敛
于x轴，具体来说，就是将预测框与真实框的中心点 ੇϸᣄ͈
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调整对齐到 x轴上，并在两框形状相似时，进一步减
小两个中心点在x轴方向上的距离。在这个过程中，
不断调整预测框的宽度和高度，以及 y 轴方向上两
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个中心点的距离，使预测框尽可能与真实框重合。
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有效提高模型的回归效率，提升损失函数模型的收
敛速度。同时，将预测框沿真实框对角线方向的收 图 4 相控阵超声 TFM 缺陷图谱采集系统
敛，能够使预测框在 x、y 轴上的中心点按一定比例 Fig. 4 Phased array ultrasonic TFM defect atlas
减少，更有利于模型的优化。 collection system
400 mm
25 mm 75 mm 60 mm 60 mm 50 mm
10 mm 10 mm
15 mm
30 mm 5 mm 15 mm 10 mm 5 mm 10 mm 5 mm R5 mm R5 mm R50 mm
80 mm 3-φ1 mmᤰߘ 5-φ3 mmᤰߘ 9-φ2 mmᤰߘ 9-φ1 mmᤰߘ 65O
80 mm
30O
30O 30O
360 mm
图 5 HDPE 试块结构图
Fig. 5 Structure diagram of HDPE test block