OmniScan X3超聲波相控陣探傷儀

使用全聚焦方法改善相控陣超聲成像

無損檢測（NDT）行業(yè)正在經歷一項重要的技術進步，因為具有全面聚焦方法（TFM）能的檢測設備正在進入市場。TFM方法代表了相控陣超聲測試（PAUT）技術的重要一步。但是，一些PAUT從業(yè)人員可能仍然對TFM及其與全矩陣捕獲（FMC）的關系以及常規(guī)PAUT和TFM / FMC處理之間的差異感到困惑。本應用筆記為熟悉PAUT成像的人們提供了TFM本知識。為了簡明起見，擱置了與超聲模式轉換有關的方面。

常規(guī)PAUT和TFM之間的根本區(qū)別

在PAUT和TFM中，都使用多元素探頭在測試件中發(fā)射脈沖超聲波并記錄回波的時間軌跡（波形）。然后將這些波形組裝在一起，以生成被檢查件中反射鏡的圖像。超聲圖像可以看作是稱為幀的子圖像的堆棧。例如，PAUT中的扇區(qū)掃描由以不同角度捕獲的A掃描（幅度與時間）的排列組成。單獨的A掃描在扇形掃描的定義中充當幀。PAUT策略包括以快的方式處理這些幀，實時顯示和刷新全局圖像。

常規(guī)PAUT和TFM之間的根本區(qū)別在于信號獲取和幀處理策略。

常規(guī)PAUT成像

為了演示PAUT中的幀獲取過程，此處以S掃描為例。S掃描由單獨的幀組成，這些幀對應于在工件中以不同角度捕獲的A掃描。在采集過程中，一組元素（稱為光圈）同時觸發(fā)并記錄。將一個延遲應用于每個元素，以將超聲束控制在所需角度并將其聚焦在部件中的所需深度上。然后，每個幀都由折射角和焦點深度定義。因此，要獲取的幀總數是組成全局圖像的離散角度數。

PAUT的優(yōu)勢在于它需要進行少量的采集。發(fā)射束是各個發(fā)射器聲振幅材料中“物理求和”的結果，而接收束是從前端電子設備的快速求和能力綜合獲得的。因此，通過PAUT獲得的圖像顯示速度非常快。PAUT的缺點是幀僅以恒定深度聚焦。位于焦點區(qū)域外部的反射器顯得模糊，并且比出現在焦點區(qū)域中的相同反射器稍大。

總聚焦方法（TFM）有助于解決此分辨率問題。TFM的基本概念是，它可以在多個深度的焦線上顯示振幅，從而在任何地方（而不僅僅是在單個深度線上）都可以生成高分辨率圖像。

如果將PAUT采集策略（每個幀都需要采集）用于總聚焦方法，則生成TFM圖像的時間將大大增加。使用TFM時，構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，掃過100個角度的S掃描需要100次采集，而100×100像素的TFM圖像則需要10,000次采集。為避免此問題，使用了另一種采集策略，其中在后處理中計算幀，如圖2所示。該策略需要一組與每個像素位置相對應的聚焦定律，以及一組稱為全矩陣捕獲的原始基本波形。 （FMC）。有了這兩個要素，基本波形可以被延遲并適當地求和，以在發(fā)送和接收中合成生成超聲波束，并聚焦在每個像素位置。因此，生成的圖像被“聚焦在任何地方”。

FMC采集所有單獨的一對探頭元件之間的所有波形。通常使用探頭的全光圈，因為它可以為給定的探頭設計提供佳的聚焦結果。在這種情況下，構建FMC所需的獲取數量等于探針的元素數量。FMC包含有關聲音在探頭的每個元素之間傳播的所有信息，包括界面處的反射和缺陷的散射。可以使用FMC重建任何類型的PAUT采集，包括扇形掃描，平面波成像（PWI），動態(tài)深度聚焦（DDF）等。

使用FMC采集過程，生成圖像所需的采集次數與PAUT大約相同，但是存儲單個FMC數據集需要大量的存儲容量，傳輸帶寬和處理能力。根據所用設備的電子設備，獲得TFM / FMC結果可能比PAUT慢。

實驗案例中PAUT和TFM圖像之間差異的圖示

為了說明PAUT和TFM成像中的差異，提出了一種設置，其中使用線性相控陣（PA）探頭掃描垂直分布在鋼塊中的相同側面鉆孔（SDH）。

下面介紹了使用OmniScan™X3探傷儀以相同的檢查配置獲得的PAUT S掃描（a）和TFM圖像（b）。

在S掃描中，使用20毫米的一焦距（由紅色虛線表示）獲取每個幀。位于焦點區(qū)域的SDH出現類似的幅度和大小。對于這樣的焦距，與較短的焦距相比，圖像分辨率佳的區(qū)域更大，這說明了這一結果。距焦深較遠的SDH出現失真，幅度明顯降低。為了使所有SDH的尺寸更均勻，需要具有不同焦距的幾幅圖像。

在TFM圖像（b）中，超聲波束聚焦在每個像素上。如您所見，每個SDH都以佳分辨率出現，并且只需要一張圖像即可對較大深度范圍內的SDH進行適當大小調整。但是，對于位于電子聚焦功能末端的SDH，觀察到了橫向失真。這種失真是PA成像固有的，因此仍然存在于TFM圖像中。

TFM / FMC收購提供的優(yōu)勢摘要

TFM和PAUT之間的主要區(qū)別在于組成圖像的幀的性質和數量。

在PAUT中，幀是一維信號或A掃描。只有實時的前端電子總和可以用作后處理，并且可以實時獲取和顯示幀。

另一方面，TFM幀是來自每個像素坐標處聚焦光束的零維數據點。因此，在TFM中要處理的幀數比在PAUT中要處理的幀數要多得多。在后處理中需要FMC采集過程以產生合成聚焦光束。

TFM的主要優(yōu)點是，與通過PAUT生成的圖像相比，以佳分辨率顯示整個圖像，而PAUT只能在光束的聚焦區(qū)域中高度分辨。在使用總聚焦方法時值得注意的一個約束是電子聚焦能力，這是相控陣成像帶來的局限性。

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