大咖讲堂:深入了解超声相控阵全聚焦法成像检测

2023-05-10 14:56:27

本期专家

李衍先生,1940年出生,我国著名无损检测专家,无锡市锅炉压力容器学会无损检测专委会,高级工程师,主要从事承压设备的无损检测工作。


超声相控阵全聚焦法(TFM)是用全矩阵捕获模式(FMC)获取的数据来进行信号处理的,所有计算均以30帧/s刷新率完成。与标准相控阵法相比,全聚焦法成像分辨力甚高,能优化缺陷的定位、定量、表征等,并可对形状复杂试件进行检测。


对于传统的相控阵技术——S扫(扇扫)和E扫(电子扫),只要声束相应聚焦,就能提供横向分辨率为 2~3个波长的声成像。用TFM时,若虚拟探头用大孔径(如64阵元),可得分辨力为1个波长。


10年前,BOULAVINOV介绍了用取样相控阵作为超声信号处理和成像的新技术,叙述了信号处理的方式方法,并展示了该技术相比于相控阵S扫的优势。该技术表明,大量计算需借助于当今快速处理器和现场可编门阵列(FPGA),方能应对自如。目前已有这方面的市售便携式工业相控阵仪器,可为日常超声检测提供取样相控阵技术——全聚焦法。


1 全矩阵捕获(全聚焦法)


 (1)原理

全聚焦法的前提要求是全矩阵捕获(FMC):在一个采集(探测)周期内,阵列的每一阵元均发射一个声波,即共有n个阵元相继发射。对每个发射,n个阵元中每一个阵元均接收一个A扫信号。这样,总共就有n2个A显示信号组合在一个矩阵中,矩阵横行代表发射阵元,纵列代表接收阵元。例如,由4阵元组成一阵列,可得4×4个A显示Aij

全矩阵捕获原理示意


对声透射平面内的任何反射体,具有相同颜色的A显示,表示声传播(飞行)时间相同。此时,A扫显示可作进一步处理,以在一定关注区内创建超声图像。全聚焦法成像原理示意如下图所示。将数据重建而界定的计算区(关注区)划成网格,对相控阵探头的整套阵元,要为网格上每一点计算聚焦法则。在网格各点求和之前,所有记录信号均有相应时移。网格各点重建后,循环即结束。

全聚焦法成像原理示意


全矩阵-全聚焦法(FMC-TFM)的主要优点是在一个探头位置,组合优化聚焦和空间分辨力,可完成大面积直接成像。


(2)关注区

平行于阵列的某一横截面积——关注区(或称有效检测区),可由操作者界定,但必须位于阵列有足够声压的区域。另外,假定有个反射体位于关注区P点(15,30)。阵元1激活,发射声波,则1~4的所有阵元均接收到来自P点的回波信号。


关注区(有效检测区)


关注区内任意靶点


P点的超声飞行时间(TOF,简称飞时)可算出,随后,与这些超声飞时相关的波幅a11a12,a13和a14也都可检测出。阵元2,3,4重复发送程序,最后得到16个波幅。所有这些波幅值的总和,就是P点返回的所有信号的积分响应,即:

          

(1)


为简化起见,这里未计入探头延迟或楔块引起的附加值。


关注区P点超声信号飞时示意


(3)图像再现

用给定的波幅调色板,将P点的集成幅度转换成相关颜色,再放进关注区P位(15,30)。关注区共65536个点(即216),均以相同数学算法填充数据。此时,系统准备开始下一采集周期,为随后的图像再现递送原始数据。这里用的超声相控阵检测仪有64通道,与超声检测周期同步,用强大的现场可编程门阵列作整个图像处理,达到的屏幕刷新率为30 Hz(即扫描以30帧/s速率刷新)。


用全矩阵捕获(FMC)时,阵列每一阵元均起发射器和接收器的作用,且阵元宽度较小,阵列产生的声束扩散角较大;再加上用一发一收法,扫描角增大范围相关于阵列总长,因而全矩阵捕获对倾斜反射体的检出率要高得多,64阵元探头激活的声场截面如下图所示。用全聚焦法(TFM)时,声束覆盖区域明显大于常规相控阵(比如用普通E扫——线扫)。所有这些特征,不仅使图像分辨力大大提高,而且对当今超声应用也会产生重大冲击。

64阵元探头激活的声场截面


(4)FMC-TFM方法原理

综上所述,FMC-TFM的原理概括为:

① 阵列阵元依次一一激活N次(N为阵元数)。

②每次激活,一阵元发射,所有阵元接收(一发全收)。

FMC-TFM方法原理示意


两个重要计算式:


① 与所有发-收(T-R)阵元对(i,j)和像点P相对应的超声飞行时间tij(P)由下式计算:

      

(2)


② 与各像点超声飞时、声程相应的N×N波幅的总和,由下式计算:


(3)

2 全聚焦法校验


使用足够的阵元,如为64阵元,则TFM能提供的横向分辨力为1 λ(波长)。按标准ASTM E 2491要求,在相控阵校验试块上的成像结果如下图所示。试块中有一组竖向排列的


ASTM 校验试块上的TFM成像结果


TFM能使线阵探头对关注区全向“观测” ,因为芯距小的每个阵元会产生很大扩散角。上图即显示出了横向放置的探头能使整个竖向排列的横孔都成像。


3 全聚焦法存在的问题及对策


(1)A扫信号数

按定义,对n阵元探头来说,在每一探测位置,FMC会捕获n2个A扫信号。因此,FMC数据采集所用硬件和软件,要有处理大量A扫信号的能力。为强化对FMC的支撑力,有关仪器设备制造公司已提高超声设备能力,每一检测位置可处理高至32768个A扫信号。换言之,相控阵系统能与适当软件(如Ultra Vision 3.3)组合在一起,以181阵元组成的最大声孔径,或两个分开的128阵元组成的声孔径支持FMC。


(2)数据传送率

若数据要从探测系统传送到远程计算机,则数据传送率往往会成为数据采集速度的限制因素。因此,为指望更好地支持FMC,有关系统的最大数据传送率已提高到30 MB/s。当然,要有高端计算机才能保持这么高的流通量。但是,对FMC数据采集,必须期望用很低的采集速度。在某些情况下(如用很多阵元、大时基范围),甚至可低于1 Hz。


(3)数据文件大小

FMC数据文件易于达到数G字节。用Ultra Vision 3.3软件获取的数据,并不保存在随机存储器上,而是直接保存在驱动器上的,这样可采集和存储很大的FMC数据文件。


为使产生的数据数量减到最小值,可考虑采用半矩阵捕获(HMC)。HMC的原理见下图,是清除了“相互作用”。当考虑点状UT源和点状反射体时,用阵元x激励脉冲和用阵元y接收回波,在理论上,等同于用阵元y激励脉冲和用阵元x接收回波。采用半HMC时,所要求的A扫量会从n2降到n (n+1) / 2。


半矩阵捕获(HMC)效果与机理


(4)声能

FMC是由单个阵元相继发射构成的,故FMC数据采集过程中产生的声能很低。而且只需很低的声能指向性,故FMC数据采集最好使用小PA探头。由于接收信号的能级也很低,为确保反射UT信号在采集系统中的电子噪声中不丢失,需要高质量的脉冲发生-接收通道。


4 全聚焦法的优势


(1)全聚焦法能获得很高的横向分辨力,对关注区内每一点均可聚焦,故与反射体深度几乎无关。单一阵元激发和接收时,扩散角很大,故扫查范围也很大。


(2)全聚焦法可用6 dB降落法对缺陷定量,即使小缺陷亦如此。图像重建算法,可用横波、也可用纵波,甚至可考虑用不同的变型波法。对倾斜缺陷检出率高,可用TTT模式(横波发收自串列扫重建)测量裂纹深度或竖向缺陷尺寸。


(3)全聚焦法能减小近表面盲区,提高信噪比。


(4)使用不同的重建算法,全聚焦法对图像中缺陷定量明显改进,其可取代常规波幅评定法。借助于TFM提供的平台,在缺陷图像显示上有优势。


(5)借助于充水柔性PA探头,可对复杂几何形状试件进行全聚焦法自适应成像检测。


来源:《无损检测》2017年第39卷第5期

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