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【无损检测科普】使用全聚焦方式改进相控阵超声成像

时间：2021-05-21 阅读：2496

全聚焦方式（TFM）

随着可进行全聚焦方式（TFM）检测的设备陆续进入市场，无损检测（NDT）行业也在经历着一个技术进步突飞猛进的重要时期。全聚焦方式（TFM）的出现标志着相控阵超声检测（PAUT）技术又向前迈出了重要的一步。然而，一些相控阵超声检测（PAUT）的从业人员可能仍然对全聚焦方式（TFM）及其与全矩阵捕获（FMC）的关系，以及传统相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式/全矩阵捕获（TFM/FMC）处理之间的差异，感到困惑。这则应用注释可使那些熟悉相控阵超声检测（PAUT）成像的检测人员对全聚焦方式（TFM）成像有个基本的了解。为了使说明简洁清晰，本文对超声传播模式方面的知识不予说明。

传统相控阵超声检测（PAUT）成像

超声相控阵技术的标志是在被测工件中所需关注的位置聚焦和偏转声束的能力。相控阵聚焦方法为相控阵探头的发射晶片和接收晶片使用延迟，以使短脉冲波形的渡越时间在所需关注的位置处实现同步。在样件的聚焦区域，所生成声束的宽度变窄，且相应的探测分辨率显著提高。

物理声束形成

传统相控阵在发射声束的过程中使基本声波以物理方式叠加在一起，生成一个在被测样件内特定深度上聚焦的声束。发射晶片组形成一个孔径，从这个孔径产生一个相干声脉冲。传统相控阵发射脉冲的行为被称为“物理”声束形成。例如，在S扫描中，物理声束形成的采集过程会为用户想要的每个角度进行。

合成声束形成

在发射器、散射体和接收器之间的声学回路的末端，组成接收孔径的晶片会将来自被测样件的所有回波作为A扫描记录下来。A扫描数据包含回波波幅和传播时间。为了增强样件中某个特定区域的接收灵敏度，A扫描被延迟并总和，好像聚焦是通过物理声束形成而实现的。不过，这一次，所有的延迟和总和都发生在采集设备的软件中。这种接收声束形成被称为“合成”声束形成。合成声束形成所需的所有计算都在专用的前端电子设备中进行，从而实现了快速、实时成像。

传统相控阵超声检测（PAUT）的局限性

相控阵聚焦的好处是明显提高了聚焦区域的灵敏度，从而可在局部区域提高探测性能。不过，这种提高的灵敏度仅限于被测工件中某个可控且固定的深度。位于聚焦区域之外的反射体会显得模糊不清，而且会比位于聚焦区域内的同等大小的反射体看起来更大些。

FMC（全矩阵捕获）：一种采集策略

TFM（全聚焦方式）：图像的重建

全聚焦方式（TFM）：高分辨率图像的构建

全聚焦方式（TFM）是相控阵基本聚焦原理在被测样件的所限定关注区域（ROI）中的系统性应用。关注区域（ROI）被分割成一个由位置或者“像素”组成的网格，而且网格中的每个像素会通过相控阵声束形成的方法得到聚焦。到目前为止，全聚焦方式（TFM）是生成这种可在各个位置和深度上聚焦的关注区域图像的*方法。

然而，如果将通过物理声束形成采集而实现的相控阵超声检测（PAUT）采集策略应用于全聚焦方式，则生成单个全聚焦方式（TFM）图像所用的时间会使人们对大多数无损检测（NDT）应用的部署望而却步。例如，生成一个全聚焦方式（TFM）图像所需的像素数远远高于生成一个可覆盖相同关注区域的S扫描所需的不同角度的数量。通过物理声束形成方式以100个不同角度进行扫查而获得的一个S扫描需要100次采集，而由100 × 100像素构建的全聚焦方式（TFM）图像则需要10000次物理声束形成采集。

为了避免这个采集数量过多的问题，可以采用另一种采集策略：通过为发射相位和接收相位应用合成声束形成的方法，计算网格中的波幅值。这种采集策略需要对应于关注区域（ROI）网格的每个像素位置的一组聚焦法则，以及一组原始基础波形，即基本A扫描。获取这组基本A扫描的有效方法是全矩阵捕获（FMC）数据采集。

FMC（全矩阵捕获）：一种用于实现全聚焦方式（TFM）的采集策略

全矩阵捕获（FMC）是一个采集过程，可以获得所有成对的发射晶片和接收晶片生成的所有A扫描（波幅时间序列）。这些基本A扫描存储在全矩阵捕获（FMC）数据集中。为了获得较好聚焦效果，应该使用构成探头整个孔径的所有晶片，通过合成声束形成方式，生成全矩阵捕获（FMC）数据集。在这种情况下，建立全矩阵捕获（FMC）数据集所需的采集次数等同于探头晶片的数量。全矩阵捕获（FMC）数据集提供有关探头每个晶片之间声束传播的所有信息，包括不同介质交界处的反射以及由缺陷引起的散射等信息。任何类型的相控阵超声检测（PAUT）图像都可以通过使用适当选择的延迟基于全矩阵捕获（FMC）数据集重建，其中包括：扇形扫描、平面波成像（PWI）、动态深度聚焦（DDF）、全聚焦方式（TFM）等。

虽然通过全矩阵捕获（FMC）采集过程生成图像所需的采集数量与相控阵超声检测（PAUT）可能大致相同，但是要处理单个全矩阵捕获（FMC）数据集，却需要很大的存储容量、很宽的传输带宽，以及很强的计算能力。取决于所用设备的电子器件，获得全聚焦方式/全矩阵捕获（TFM/FMC）结果的速度可能会比传统相控阵超声检测（PAUT）更慢。

以实验案例说明相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）图像的差异

为了说明相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）成像之间的差别，我们在此介绍一个使用线性相控阵（PA）探头对钢块中垂直分布的几个相同的横通孔（SDH）进行扫查的设置。

这里的相控阵超声检测（PAUT）S扫描（图a）和全聚焦方式（TFM）图像（图b）使用相同的检测配置、OmniScan X3探伤仪、5L64-A2探头、SA2-N55S-IHC楔块，及32晶片孔径获得。

在相控阵超声检测（PAUT）S扫描（图a）中，每个A扫描都使用22毫米聚焦深度获得。处于聚焦区域内的几个横通孔（SDH）以相似的波幅和大小出现在图像中。位于聚焦深度以外较远的横通孔的图像会出现失真现象，且波幅较低。因此要使被测样件中的所有横通孔获得更为一致的定量效果，需要使用不同的聚焦深度生成多个图像。

在全聚焦方式（TFM）图像（图b）中，超声声束在每个像素上聚焦。可以看出，每一个横通孔（SDH）的分辨率都非常好。虽然如此，我们还是可以观察到，位于关注区域边限处的横通孔有些失真的现象。在相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）检测的常见声束形成过程中，这些失真现象是固有的。

全聚焦方式（TFM）与相控阵超声检测（PAUT）的讨论综述

全聚焦方式（TFM）的主要优点是整个图像都以聚焦的分辨率显示，而相控阵超声检测（PAUT）图像仅在声束的聚焦区域中具有较高的分辨率。

仅在传统相控阵超声检测（PAUT）的接收阶段进行的合成声束形成，也会在全聚焦方式（TFM）检测的发射阶段进行，以使采集速率适用于无损检测（NDT）应用。合成声束形成需要对通过全矩阵捕获（FMC）获得的基本A扫描应用特定的延迟。注意，全矩阵捕获（FMC）数据集可以为任何检测的合成声束形成提供基本数据，包括相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）检测。

由于需要处理大量的全矩阵捕获（FMC）数据才能生成全聚焦方式（TFM）图像，因此在使用相同孔径的情况下，全聚焦方式（TFM）的检测效率可能会低于相控阵超声检测（PAUT）。

虽然全聚焦方式（TFM）图像在整个关注区域内高度聚焦，但是它仍然会受到阻碍相控阵超声检测（PAUT）的相同的声学局限性的影响。虽然在相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）中都会观察到波幅的波动和图像失真现象，但是在全聚焦方式（TFM）检测中，被测样件中一组大小相同的散射体在图像中会表现得更为一致。

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