引言

隨著可提供全聚焦方式（TFM）功能的檢測(cè)設(shè)備陸續(xù)進(jìn)入到市場中，無損檢測(cè)（NDT）行業(yè)也在經(jīng)歷著一個(gè)技術(shù)進(jìn)步突飛猛進(jìn)的重要時(shí)期。全聚焦方式（TFM）的出現(xiàn)標(biāo)志著相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）技術(shù)又向前邁出了重要的一步。然而，一些相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）的從業(yè)人員可能仍然對(duì)全聚焦方式（TFM）及其與全矩陣捕獲（FMC）的關(guān)系，以及常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）和全矩陣捕獲/全聚焦方式（FMC/TFM）處理之間的差異，感到困惑。這篇文章可使那些熟悉相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）成像的檢測(cè)人員對(duì)全聚焦方式（TFM）成像有個(gè)基本的了解。

常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）和全聚焦方式（TFM）的基本區(qū)別

在相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）和全聚焦方式（TFM）檢測(cè)中，都使用一個(gè)多晶片探頭，在被測(cè)樣件中發(fā)射脈沖超聲波，并記錄回波隨著時(shí)間而變化的軌跡（波形）。然后，這些波形被合成處理，以生成被測(cè)樣件中反射體的圖像。超聲波圖像可被視為由眾多子圖像（被稱為幀）堆棧在一起而生成的圖像。例如：相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）中的扇形掃描是由一系列以不同角度采集到的A掃描（波幅對(duì)應(yīng)時(shí)間）堆棧而成。在扇形掃描的定義中，單個(gè)A掃描的作用相當(dāng)于幀。相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）策略就是以盡可能快的方式處理這些幀，并實(shí)時(shí)顯示和刷新總體圖像。常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）和全聚焦方式（TFM）之間的基本差別在于信號(hào)采集和幀處理的策略不同。

常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）成像

為了演示在相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）中采集幀的過程，這里我們使用一個(gè)S掃描作為示例。S掃描由眾多單個(gè)的幀組成，這些幀對(duì)應(yīng)于在工件中以不同角度采集到的A掃描。在采集過程中，一組晶片（被稱為孔徑）同時(shí)發(fā)射脈沖，并記錄下聲波的軌跡。延遲被應(yīng)用到每個(gè)晶片，以使超聲聲束以所需的角度偏轉(zhuǎn)，并在工件中期望的深度處聚焦。這樣，每個(gè)幀就是由折射角度和聚焦深度而定義。因此，要采集的幀的總數(shù)量就是構(gòu)成總體圖像的不同角度的數(shù)量。相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）的優(yōu)點(diǎn)是只需要完成有限的采集量。向被測(cè)材料中發(fā)射的聲束是不同單個(gè)發(fā)射器的聲學(xué)波幅“物理求和”的結(jié)果，而接收聲束則是由前端電子設(shè)備通過快速求和算法而獲得的合成聲束。因此，可以非常迅速地顯示通過相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）方法獲得的圖像。相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）的缺點(diǎn)是所有幀都在一個(gè)恒定的深度上聚焦。位于聚焦區(qū)域之外的反射體會(huì)顯得模糊不清，而且會(huì)比位于聚焦區(qū)域內(nèi)的同等大小的反射體看起來更大些。全聚焦方式（TFM）技術(shù)可以解決這種顯示分辨率的問題。全聚焦方式（TFM）的基本概念是在多個(gè)不同深度的聚焦線上顯示波幅，換句話說就是不只在單一的深度線上聚焦，而是具有“隨處聚焦”的特點(diǎn)，因此可以為聚焦區(qū)域內(nèi)的任何位置生成高度清晰的圖像。

如果使用相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）采集策略（獲得每幀圖像需要一次采集）生成全聚焦方式（TFM）圖像，則所需的時(shí)間就會(huì)顯著增加。生成一個(gè)全聚焦方式（TFM）圖像所需的像素?cái)?shù)量比生成一個(gè)S掃描所需的不同角度的數(shù)量高得多。例如：通過以100個(gè)不同角度進(jìn)行掃查而獲得的一個(gè)S掃描需要100次采集，而由100 × 100像素構(gòu)建的全聚焦方式（TFM）圖像則需要10000次采集。為了避免這個(gè)采集數(shù)量過多的問題，我們可以使用另一種采集策略，這種策略是在后處理過程中計(jì)算出幀。這種采集策略需要一組對(duì)應(yīng)于每個(gè)像素位置的聚焦法則，以及被稱為全矩陣捕獲（FMC）的一組原始基礎(chǔ)波形。這樣一來，基礎(chǔ)波形會(huì)得到適當(dāng)?shù)难舆t和求和處理，以在發(fā)射和接收過程中以合成方式生成超聲聲束，并在每個(gè)像素位置聚焦。因此，所生成的圖像具有“隨處聚焦”的特點(diǎn)。全矩陣捕獲（FMC）可以獲取探頭所有成對(duì)（發(fā)射-接收）單個(gè)晶片所生成的所有波形。一般來說，要使用探頭的整個(gè)孔徑，因?yàn)閷?duì)于某種特定的探頭來說，這樣可以獲得尚佳聚焦結(jié)果。在這種情況下，獲得全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)所需的采集數(shù)量等同于探頭晶片的數(shù)量。全矩陣捕獲（FMC）收集到有關(guān)探頭每個(gè)晶片之間聲束傳播的所有信息，包括被測(cè)材料表面的反射以及由缺陷引起的散射等信息。任何類型的相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）圖像都可以使用全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)重建，其中包括：扇形掃描、平面波成像（PWI）、動(dòng)態(tài)深度聚焦（DDF）等。雖然全矩陣捕獲（FMC）生成圖像所需的采集數(shù)量與相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）大致相同，但是要存儲(chǔ)單個(gè)全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)集，卻需要很大的存儲(chǔ)容量、很寬的傳輸帶寬，以及很強(qiáng)的處理能力。取決于所用設(shè)備的電子器件，獲得全矩陣捕獲/全聚焦方式（FMC/TFM）結(jié)果的速度可能會(huì)比相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）更慢。

以實(shí)驗(yàn)案例說明相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）和全聚焦方式（TFM）圖像的差異

為了說明相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）和全聚焦方式（TFM）成像之間的差別，我們?cè)诖私榻B一個(gè)使用線性相控陣（PA）探頭對(duì)鋼塊中垂直分布的幾個(gè)相同的橫通孔（SDH）進(jìn)行掃查的設(shè)置。下面是OmniScan X3探傷儀使用相同的檢測(cè)配置獲得的相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）S掃描（a）和全聚焦方式（TFM）圖像（b）。在S掃描中，每幀圖像都使用*的20毫米聚焦深度獲得（紅色虛線代表聚焦深度）。處于聚焦區(qū)域內(nèi)的幾個(gè)橫通孔（SDH）以相似的波幅和大小出現(xiàn)在圖像中。與較短的聚焦深度相比，使用這種聚焦深度，可以獲得更大的具有優(yōu)質(zhì)圖像分辨率的區(qū)域，這也是圖中幾個(gè)橫通孔都清晰可見的原因。位于聚焦深度以外較遠(yuǎn)的橫通孔的圖像會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象，且其波幅會(huì)大幅降低。因此要使所有橫通孔獲得更為一致的定量效果，需要使用不同的聚焦深度生成多個(gè)圖像。在全聚焦方式（TFM）圖像（b）中，超聲聲束在每個(gè)像素上聚焦。如您所見，圖像中的每個(gè)橫通孔（SDH）都很清晰鮮明，因此只需一個(gè)圖像就可以準(zhǔn)確地定量分布在更大深度范圍內(nèi)的橫通孔。不過，我們可以觀察到，位于電子聚焦能力所及的邊限處的橫通孔有橫向失真的現(xiàn)象。這種失真情況是相控陣成像固有的問題，因此也會(huì)出現(xiàn)在全聚焦方式（TFM）圖像中。探頭正在進(jìn)行全矩陣捕獲（FMC）掃查比較相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）掃描圖與全聚焦方式（TFM）圖像。

全聚焦方式/全矩陣捕獲（TFM/FMC）采集優(yōu)勢(shì)特性的總結(jié)

全聚焦方式（TFM）和相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）之間的主要區(qū)別在于構(gòu)成圖像的幀的性質(zhì)和數(shù)量不同。在相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）中，幀是一些1維信號(hào)或A掃描。后處理工作只包含前端電子設(shè)備對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)求和操作，而且在處理的同時(shí)，會(huì)采集并呈現(xiàn)幀（圖像）。與相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）不同，全聚焦方式（TFM）的幀是來自每個(gè)像素坐標(biāo)位置的聚焦聲束的0維度數(shù)據(jù)點(diǎn)。因此，要處理的全聚焦方式（TFM）的幀的數(shù)量遠(yuǎn)多于相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）的幀的數(shù)量。全聚焦方式（TFM）成像需要通過全矩陣捕獲（FMC）方式采集數(shù)據(jù)，以在后處理過程中以合成方式生成聚焦聲束。全聚焦方式（TFM）的主要優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)圖像都以尚佳分辨率顯示，而相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）圖像僅在聲束的聚焦區(qū)域中具有較高的分辨率。在使用全聚焦方式（TFM）進(jìn)行檢測(cè)時(shí)值得注意的局限性是相控陣成像技術(shù)所帶來的電子聚焦能力。