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【無損檢測科普】使用全聚焦方式改進(jìn)相控陣超聲成像

來源：儀景通光學(xué)科技（上海）有限公司 2021年05月21日 16:01

全聚焦方式（TFM）

隨著可進(jìn)行全聚焦方式（TFM）檢測的設(shè)備陸續(xù)進(jìn)入市場，無損檢測（NDT）行業(yè)也在經(jīng)歷著一個技術(shù)進(jìn)步突飛猛進(jìn)的重要時期。全聚焦方式（TFM）的出現(xiàn)標(biāo)志著相控陣超聲檢測（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（PAUT）的從業(yè)人員可能仍然對全聚焦方式（TFM）及其與全矩陣捕獲（FMC）的關(guān)系，以及傳統(tǒng)相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式/全矩陣捕獲（TFM/FMC）處理之間的差異，感到困惑。這則應(yīng)用注釋可使那些熟悉相控陣超聲檢測（PAUT）成像的檢測人員對全聚焦方式（TFM）成像有個基本的了解。為了使說明簡潔清晰，本文對超聲傳播模式方面的知識不予說明。

傳統(tǒng)相控陣超聲檢測（PAUT）成像

超聲相控陣技術(shù)的標(biāo)志是在被測工件中所需關(guān)注的位置聚焦和偏轉(zhuǎn)聲束的能力。相控陣聚焦方法為相控陣探頭的發(fā)射晶片和接收晶片使用延遲，以使短脈沖波形的渡越時間在所需關(guān)注的位置處實現(xiàn)同步。在樣件的聚焦區(qū)域，所生成聲束的寬度變窄，且相應(yīng)的探測分辨率顯著提高。

物理聲束形成

傳統(tǒng)相控陣在發(fā)射聲束的過程中使基本聲波以物理方式疊加在一起，生成一個在被測樣件內(nèi)特定深度上聚焦的聲束。發(fā)射晶片組形成一個孔徑，從這個孔徑產(chǎn)生一個相干聲脈沖。傳統(tǒng)相控陣發(fā)射脈沖的行為被稱為“物理”聲束形成。例如，在S掃描中，物理聲束形成的采集過程會為用戶想要的每個角度進(jìn)行。

合成聲束形成

在發(fā)射器、散射體和接收器之間的聲學(xué)回路的末端，組成接收孔徑的晶片會將來自被測樣件的所有回波作為A掃描記錄下來。A掃描數(shù)據(jù)包含回波波幅和傳播時間。為了增強(qiáng)樣件中某個特定區(qū)域的接收靈敏度，A掃描被延遲并總和，好像聚焦是通過物理聲束形成而實現(xiàn)的。不過，這一次，所有的延遲和總和都發(fā)生在采集設(shè)備的軟件中。這種接收聲束形成被稱為“合成”聲束形成。合成聲束形成所需的所有計算都在專用的前端電子設(shè)備中進(jìn)行，從而實現(xiàn)了快速、實時成像。

傳統(tǒng)相控陣超聲檢測（PAUT）的局限性

相控陣聚焦的好處是明顯提高了聚焦區(qū)域的靈敏度，從而可在局部區(qū)域提高探測性能。不過，這種提高的靈敏度僅限于被測工件中某個可控且固定的深度。位于聚焦區(qū)域之外的反射體會顯得模糊不清，而且會比位于聚焦區(qū)域內(nèi)的同等大小的反射體看起來更大些。

FMC（全矩陣捕獲）：一種采集策略

TFM（全聚焦方式）：圖像的重建

全聚焦方式（TFM）：高分辨率圖像的構(gòu)建

全聚焦方式（TFM）是相控陣基本聚焦原理在被測樣件的所限定關(guān)注區(qū)域（ROI）中的系統(tǒng)性應(yīng)用。關(guān)注區(qū)域（ROI）被分割成一個由位置或者“像素”組成的網(wǎng)格，而且網(wǎng)格中的每個像素會通過相控陣聲束形成的方法得到聚焦。到目前為止，全聚焦方式（TFM）是生成這種可在各個位置和深度上聚焦的關(guān)注區(qū)域圖像的*方法。

然而，如果將通過物理聲束形成采集而實現(xiàn)的相控陣超聲檢測（PAUT）采集策略應(yīng)用于全聚焦方式，則生成單個全聚焦方式（TFM）圖像所用的時間會使人們對大多數(shù)無損檢測（NDT）應(yīng)用的部署望而卻步。例如，生成一個全聚焦方式（TFM）圖像所需的像素數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生成一個可覆蓋相同關(guān)注區(qū)域的S掃描所需的不同角度的數(shù)量。通過物理聲束形成方式以100個不同角度進(jìn)行掃查而獲得的一個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次物理聲束形成采集。

為了避免這個采集數(shù)量過多的問題，可以采用另一種采集策略：通過為發(fā)射相位和接收相位應(yīng)用合成聲束形成的方法，計算網(wǎng)格中的波幅值。這種采集策略需要對應(yīng)于關(guān)注區(qū)域（ROI）網(wǎng)格的每個像素位置的一組聚焦法則，以及一組原始基礎(chǔ)波形，即基本A掃描。獲取這組基本A掃描的有效方法是全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)采集。

FMC（全矩陣捕獲）：一種用于實現(xiàn)全聚焦方式（TFM）的采集策略

全矩陣捕獲（FMC）是一個采集過程，可以獲得所有成對的發(fā)射晶片和接收晶片生成的所有A掃描（波幅時間序列）。這些基本A掃描存儲在全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)集中。為了獲得較好聚焦效果，應(yīng)該使用構(gòu)成探頭整個孔徑的所有晶片，通過合成聲束形成方式，生成全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)集。在這種情況下，建立全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)集所需的采集次數(shù)等同于探頭晶片的數(shù)量。全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)集提供有關(guān)探頭每個晶片之間聲束傳播的所有信息，包括不同介質(zhì)交界處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（PAUT）圖像都可以通過使用適當(dāng)選擇的延遲基于全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)集重建，其中包括：扇形掃描、平面波成像（PWI）、動態(tài)深度聚焦（DDF）、全聚焦方式（TFM）等。

雖然通過全矩陣捕獲（FMC）采集過程生成圖像所需的采集數(shù)量與相控陣超聲檢測（PAUT）可能大致相同，但是要處理單個全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)集，卻需要很大的存儲容量、很寬的傳輸帶寬，以及很強(qiáng)的計算能力。取決于所用設(shè)備的電子器件，獲得全聚焦方式/全矩陣捕獲（TFM/FMC）結(jié)果的速度可能會比傳統(tǒng)相控陣超聲檢測（PAUT）更慢。

以實驗案例說明相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）圖像的差異

為了說明相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）成像之間的差別，我們在此介紹一個使用線性相控陣（PA）探頭對鋼塊中垂直分布的幾個相同的橫通孔（SDH）進(jìn)行掃查的設(shè)置。

這里的相控陣超聲檢測（PAUT）S掃描（圖a）和全聚焦方式（TFM）圖像（圖b）使用相同的檢測配置、OmniScan X3探傷儀、5L64-A2探頭、SA2-N55S-IHC楔塊，及32晶片孔徑獲得。

在相控陣超聲檢測（PAUT）S掃描（圖a）中，每個A掃描都使用22毫米聚焦深度獲得。處于聚焦區(qū)域內(nèi)的幾個橫通孔（SDH）以相似的波幅和大小出現(xiàn)在圖像中。位于聚焦深度以外較遠(yuǎn)的橫通孔的圖像會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，且波幅較低。因此要使被測樣件中的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圖像。

在全聚焦方式（TFM）圖像（圖b）中，超聲聲束在每個像素上聚焦?？梢钥闯?，每一個橫通孔（SDH）的分辨率都非常好。雖然如此，我們還是可以觀察到，位于關(guān)注區(qū)域邊限處的橫通孔有些失真的現(xiàn)象。在相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）檢測的常見聲束形成過程中，這些失真現(xiàn)象是固有的。

全聚焦方式（TFM）與相控陣超聲檢測（PAUT）的討論綜述

全聚焦方式（TFM）的主要優(yōu)點是整個圖像都以聚焦的分辨率顯示，而相控陣超聲檢測（PAUT）圖像僅在聲束的聚焦區(qū)域中具有較高的分辨率。

僅在傳統(tǒng)相控陣超聲檢測（PAUT）的接收階段進(jìn)行的合成聲束形成，也會在全聚焦方式（TFM）檢測的發(fā)射階段進(jìn)行，以使采集速率適用于無損檢測（NDT）應(yīng)用。合成聲束形成需要對通過全矩陣捕獲（FMC）獲得的基本A掃描應(yīng)用特定的延遲。注意，全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)集可以為任何檢測的合成聲束形成提供基本數(shù)據(jù)，包括相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）檢測。

由于需要處理大量的全矩陣捕獲（FMC）數(shù)據(jù)才能生成全聚焦方式（TFM）圖像，因此在使用相同孔徑的情況下，全聚焦方式（TFM）的檢測效率可能會低于相控陣超聲檢測（PAUT）。

雖然全聚焦方式（TFM）圖像在整個關(guān)注區(qū)域內(nèi)高度聚焦，但是它仍然會受到阻礙相控陣超聲檢測（PAUT）的相同的聲學(xué)局限性的影響。雖然在相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）中都會觀察到波幅的波動和圖像失真現(xiàn)象，但是在全聚焦方式（TFM）檢測中，被測樣件中一組大小相同的散射體在圖像中會表現(xiàn)得更為一致。

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