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【無損檢測科普】使用全聚焦方式改進相控陣超聲成像

來源：儀景通光學科技（上海）有限公司 2021年05月21日 16:01

全聚焦方式（TFM）

隨著可進行全聚焦方式（TFM）檢測的設備陸續進入市場，無損檢測（NDT）行業也在經歷著一個技術進步突飛猛進的重要時期。全聚焦方式（TFM）的出現標志著相控陣超聲檢測（PAUT）技術又向前邁出了重要的一步。然而，一些相控陣超聲檢測（PAUT）的從業人員可能仍然對全聚焦方式（TFM）及其與全矩陣捕獲（FMC）的關系，以及傳統相控陣超聲檢測（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。

傳統相控陣超聲檢測（PAUT）成像

超聲相控陣技術的標志是在被測工件中所需關注的位置聚焦和偏轉聲束的能力。相控陣聚焦方法為相控陣探頭的發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注的位置處實現同步。在樣件的聚焦區域，所生成聲束的寬度變窄，且相應的探測分辨率顯著提高。

物理聲束形成

傳統相控陣在發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特定深度上聚焦的聲束。發射晶片組形成一個孔徑，從這個孔徑產生一個相干聲脈沖。傳統相控陣發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行。

合成聲束形成

在發射器、散射體和接收器之間的聲學回路的末端，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掃描數據包含回波波幅和傳播時間。為了增強樣件中某個特定區域的接收靈敏度，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的。不過，這一次，所有的延遲和總和都發生在采集設備的軟件中。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備中進行，從而實現了快速、實時成像。

傳統相控陣超聲檢測（PAUT）的局限性

相控陣聚焦的好處是明顯提高了聚焦區域的靈敏度，從而可在局部區域提高探測性能。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。位于聚焦區域之外的反射體會顯得模糊不清，而且會比位于聚焦區域內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注區域（ROI）中的系統性應用。關注區域（ROI）被分割成一個由位置或者“像素”組成的網格，而且網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注區域圖像的*方法。

然而，如果將通過物理聲束形成采集而實現的相控陣超聲檢測（PAUT）采集策略應用于全聚焦方式，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無損檢測（NDT）應用的部署望而卻步。例如，生成一個全聚焦方式（TFM）圖像所需的像素數遠遠高于生成一個可覆蓋相同關注區域的S掃描所需的不同角度的數量。通過物理聲束形成方式以100個不同角度進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量過多的問題，可以采用另一種采集策略：通過為發射相位和接收相位應用合成聲束形成的方法，計算網格中的波幅值。這種采集策略需要對應于關注區域（ROI）網格的每個像素位置的一組聚焦法則，以及一組原始基礎波形，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）數據采集。

FMC（全矩陣捕獲）：一種用于實現全聚焦方式（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）數據集中。為了獲得較好聚焦效果，應該使用構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）數據集。在這種情況下，建立全矩陣捕獲（FMC）數據集所需的采集次數等同于探頭晶片的數量。全矩陣捕獲（FMC）數據集提供有關探頭每個晶片之間聲束傳播的所有信息，包括不同介質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選擇的延遲基于全矩陣捕獲（FMC）數據集重建，其中包括：扇形掃描、平面波成像（PWI）、動態深度聚焦（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）數據集，卻需要很大的存儲容量、很寬的傳輸帶寬，以及很強的計算能力。取決于所用設備的電子器件，獲得全聚焦方式/全矩陣捕獲（TFM/FMC）結果的速度可能會比傳統相控陣超聲檢測（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）進行掃查的設置。

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。處于聚焦區域內的幾個橫通孔（SDH）以相似的波幅和大小出現在圖像中。位于聚焦深度以外較遠的橫通孔的圖像會出現失真現象，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。可以看出，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，位于關注區域邊限處的橫通孔有些失真的現象。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域中具有較高的分辨率。

僅在傳統相控陣超聲檢測（PAUT）的接收階段進行的合成聲束形成，也會在全聚焦方式（TFM）檢測的發射階段進行，以使采集速率適用于無損檢測（NDT）應用。合成聲束形成需要對通過全矩陣捕獲（FMC）獲得的基本A掃描應用特定的延遲。注意，全矩陣捕獲（FMC）數據集可以為任何檢測的合成聲束形成提供基本數據，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）數據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）圖像在整個關注區域內高度聚焦，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得更為一致。

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