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【無損檢測(cè)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(cè)的設(shè)備陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng),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,以及傳統(tǒng)相控陣超聲檢測(cè)(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(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。為了使說明簡(jiǎn)潔清晰,本文對(duì)超聲傳播模式方面的知識(shí)不予說明。

 

傳統(tǒng)相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)成像

 

超聲相控陣技術(shù)的標(biāo)志是在被測(cè)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(shí)間在所需關(guān)注的位置處實(shí)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(cè)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(gè)在被測(cè)樣件內(nèi)特定深度上聚焦的聲束。發(fā)射晶片組形成一個(gè)孔徑,從這個(gè)孔徑產(chǎn)生一個(gè)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(huì)為用戶想要的每個(gè)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(huì)將來自被測(cè)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(shí)間。為了增強(qiáng)樣件中某個(gè)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(shí)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(jì)算都在專用的前端電子設(shè)備中進(jìn)行,從而實(shí)現(xiàn)了快速、實(shí)時(shí)成像。
 
傳統(tǒng)相控陣超聲檢測(cè)(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(cè)性能。不過,這種提高的靈敏度僅 限于被測(cè)工件中某個(gè)可控且固定的深度。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。
 
FMC(全矩陣捕獲):一種采集策略
 

圖片

 

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TFM(全聚焦方式):圖像的重建
3.JPG

 

 

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(cè)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(gè)由位置或者“像素”組成的網(wǎng)格,而且網(wǎng)格中的每個(gè)像素會(huì)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(gè)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(shí)現(xiàn)的相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)采集策略應(yīng)用于全聚焦方式,則生成單個(gè)全聚焦方式(TFM)圖像所用的時(shí)間會(huì)使人們對(duì)大多數(shù)無損檢測(cè)(NDT)應(yīng)用的部署望而卻步。例如,生成一個(gè)全聚焦方式(TFM)圖像所需的像素?cái)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生成一個(gè)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(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次物理聲束形成采集。
 
為了避免這個(gè)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(jì)算網(wǎng)格中的波幅值。這種采集策略需要對(duì)應(yīng)于關(guān)注區(qū)域(ROI)網(wǎng)格的每個(gè)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(shí)現(xiàn)全聚焦方式(TFM)的采集策略
 
全矩陣捕獲(FMC)是一個(gè)采集過程,可以獲得所有成對(duì)的發(fā)射晶片和接收晶片生成的所有A掃描(波幅時(shí)間序列)。這些基本A掃描存儲(chǔ)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(gè)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(gè)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(cè)(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(dòng)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(cè)(PAUT)可能大致相同,但是要處理單個(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)的計(jì)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(huì)比傳統(tǒng)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。
 

4.JPG?

 
這里的相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)S掃描(圖a)和全聚焦方式(TFM)圖像(圖b)使用相同的檢測(cè)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(cè)(PAUT)S掃描(圖a)中,每個(gè)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(gè)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(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象,且波幅較低。因此要使被測(cè)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(gè)圖像。
 
在全聚焦方式(TFM)圖像(圖b)中,超聲聲束在每個(gè)像素上聚焦??梢钥闯?,每一個(gè)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(cè)(PAUT)和全聚焦方式(TFM)檢測(cè)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(cè)(PAUT)的討論綜述
 
全聚焦方式(TFM)的主要優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)圖像都以聚焦的分辨率顯示,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。
 
僅在傳統(tǒng)相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)的接收階段進(jìn)行的合成聲束形成,也會(huì)在全聚焦方式(TFM)檢測(cè)的發(fā)射階段進(jìn)行,以使采集速率適用于無損檢測(cè)(NDT)應(yīng)用。合成聲束形成需要對(duì)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(cè)的合成聲束形成提供基本數(shù)據(jù),包括相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)和全聚焦方式(TFM)檢測(cè)。
 
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(cè)效率可能會(huì)低于相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)。
 
雖然全聚焦方式(TFM)圖像在整個(gè)關(guān)注區(qū)域內(nèi)高度聚焦,但是它仍然會(huì)受到阻礙相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)的相同的聲學(xué)局限性的影響。雖然在相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)和全聚焦方式(TFM)中都會(huì)觀察到波幅的波動(dòng)和圖像失真現(xiàn)象,但是在全聚焦方式(TFM)檢測(cè)中,被測(cè)樣件中一組大小相同的散射體在圖像中會(huì)表現(xiàn)得更為一致。
 
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