采用全聚焦法改進相控陣超聲成像
采用全聚焦法改進相控陣超聲成像
介紹
無損檢測(NDT)行業正在經歷一個重要的技術進步，全聚焦法(TFM)檢測設備正在進入市場。TFM方法是相控陣超聲檢測(PAUT)技術向前邁出的重要一步。然而，一些PAUT實踐者可能仍然對TFM及其與全矩陣捕獲(FMC)的關系，以及傳統PAUT與TFM/FMC處理的區別感到困惑。本應用說明為那些熟悉PAUT成像的人提供了對TFM成像的基本理解。為了簡潔和清晰，將超聲模式轉換的相關方面放在一邊。
傳統PAUT與TFM的根本區別
在PAUT和TFM中，都使用一個多單元探頭在試樣中發射脈沖超聲波，并記錄回波的時間軌跡(波形)。然后這些波形被組裝起來，在被檢查的工件上產生反射器的圖像。超聲圖像可以看作是一組稱為幀的子圖像。例如，PAUT中的扇形掃描是由從不同角度捕獲的a掃描(振幅對時間)的排列組成的。單個a掃描在扇形掃描的定義中充當幀。PAUT策略包括以盡可能快的速度處理這些幀，實時顯示和刷新全局圖像。
傳統PAUT與TFM的根本區別在于信號采集和幀處理策略。
傳統PAUT成像
為了演示PAUT中的幀捕獲過程，這里以s掃描為例。s掃描由單獨的幀組成，這些幀對應于從不同角度捕捉到的a掃描。在一次采集過程中，一組元件(稱為光圈)同時發射和記錄。在每個元件上加一個延遲，使超聲波波束轉向所需的角度，并將其聚焦在工件所需的深度上。每一幀都由折射角度和聚焦深度來定義。因此，需要獲取的幀數就是構成全局圖像的離散角度的數量。
PAUT的優勢在于，它需要的收購數量有限。發射光束是各發射機聲幅材料“物理疊加”的結果，接收光束是綜合前端電子學快速疊加的結果。因此，通過PAUT獲得的圖像顯示非常快。PAUT的缺點是框架只聚焦在一個恒定的深度。位于焦點區域外的反射器看起來很模糊，比出現在焦點區域內的相同反射器稍微大一些。
全聚焦法(TFM)有助于解決這個分辨率問題。TFM的基本概念是在多個深度的焦點線上顯示振幅，從而在任何地方生成高分辨率的圖像，而不僅僅是在單個深度線上。
FMC-An采集策略
TFM–圖像重構
如果使用PAUT采集策略(即每幀需要一次采集)進行總聚焦，則生成TFM圖像的時間將顯著增加。在TFM中，組成圖像的像素數遠遠高于生成s掃描所需的離散角度數。例如，掃描100個角度的S-scan需要100次獲取，而100×100像素的TFM圖像需要10,000次獲取。為了避免這個問題，使用了另一種獲取策略，其中幀在后期處理中計算，如圖2所示。這種策略需要一組對應于每個像素位置的焦點定律，以及一組稱為全矩陣捕獲(FMC)的原始基本波形。有了這兩個元素，基本波形可以延遲和適當地累加，從而綜合產生超聲波波束，無論是在發射還是接收，并聚焦在每個像素位置。因此生成的圖像是“到處聚焦”的。
融合獲得所有的波形之間的所有單個雙探針元素。完整的探測器孔徑通常用作它給給定探針設計的最佳聚焦的結果。在這種情況下,收購構建融合所需的數量等于探測器的元素的數量。融合包含關于每個元素之間的聲傳播的所有信息的調查,包括界面反射和散射的缺陷。任何類型的PAUT收購可以使用融合重構,包括扇形掃描,平面波成像(預警指示器),動態聚焦深度(DDF),等等。
使用FMC獲取過程，生成圖像所需的獲取次數與PAUT大致相同，但是存儲單個FMC數據集需要很大的存儲容量、傳輸帶寬和處理能力。根據所用設備的電子特性，獲得TFM/FMC結果可能比PAUT慢。
用一個實驗案例說明PAUT和TFM圖像的區別
為了說明PAUT和TFM成像的區別，提出了一種裝置，該裝置使用線性相控陣(PA)探頭掃描垂直分布在鋼塊內的相同側鉆孔(SDHs)。
使用OmniScan™X3探傷儀，通過相同的檢查配置獲得的PAUT S-scan (A)和TFM圖像(b)如下圖所示。
在s掃描中，每一幀都是使用20毫米的唯一焦距(用一條紅色虛線表示)獲得的。位于焦點區域的SDHs具有相似的振幅和大小。對于這樣的焦距，與較短的焦距相比，圖像分辨率最佳的區域更大，這解釋了這個結果。距離焦深較遠的SDHs出現畸變，且振幅明顯較低。為了使所有SDHs的尺寸更一致，需要一些具有不同焦距的圖像。
在TFM圖像(b)中，超聲波束聚焦在每個像素上。正如您所看到的，每個SDHs都具有最佳的分辨率，并且只需要一張圖像就可以在較大的深度范圍內充分調整SDHs的大小。然而，對于位于電子聚焦能力末端的SDHs，可以觀察到橫向畸變。這種失真是PA成像固有的，因此仍然存在于TFM圖像中。
TFM/FMC采集的優勢總結
TFM和PAUT的主要區別在于組成圖像的幀數和幀的性質。
在PAUT中，幀是一維信號或a掃描。只有實時的前端電子求和作為后處理，幀被動態獲取和呈現。
另一方面，TFM幀是來自聚焦在每個像素坐標上的光束的零維數據點。因此，TFM中要處理的幀數要比PAUT中多得多。在后處理過程中，FMC采集過程需要合成聚焦光束。
TFM的主要優點是，與PAUT生成的圖像相比，整個圖像的顯示具有最佳的分辨率，PAUT生成的圖像只在波束的焦點區域有較高的分辨率。在使用全聚焦法時，一個值得注意的限制是電子聚焦能力，這是相控陣成像的局限性。