相控阵全聚焦技术的应用研究.docx

年会论文基于相控阵全矩阵采集的全聚焦技术应用研究杨贵德，方俊钗，陈建华，林丹源，陈伟（广东省汕头市超声电子股份有限公司超声仪器分公司开发部，汕头 515041）摘要：相控阵全聚焦(TFM)技术实质上是基于相控阵全矩阵采集(FMC)的图像后处理全息重构技术。介绍了相控阵一维线阵探头的TFM技术原理。给出了TFM技术的纵、横波成像检测算法模型以及算法计算公式。编写了TFM算法的VC程序，设计了TFM技术纵波检测ASTM推荐B型相控阵试块通孔，横波检测对接平板焊缝未融合缺陷的实例。实验结果表明，基于正确的检测算法模型，TFM技术能够极大地提升缺陷检测的图像重构效果，真实地还原缺陷本身的物理特征。关键词：全聚焦；全矩阵采集；全息重构；检测算法模型1. 引言近年来，超声波相控阵技术已经越来越广泛地应用于工业超声波无损检测。传统的超声波相控阵技术根据聚焦法则同时并行地激发多个阵元，从而实现超声波声束在被检工件内偏转、聚焦以及扫描，接收到的信号进行延时叠加形成最终的检测结果图像1。随着高速处理器的不断发展，目前国外相控阵研究人员研究出了一种基于顺序发射技术的新的数据采集技术，采集阵列探头的每一对发射-接收阵元的时域A型波信号，该种数据采集技术就叫做FMC数据采集2。以N阵元的一维线性阵列探头为例，其基本工作原理为：激发阵列中的某个单阵元，所有N阵元同时接收，重复这种单阵元激发所有阵元接收的过程直至遍历激发所有阵元，最终将接收到N*N条A型波3。该数据采集技术不同于传统相控阵数据采集之处是：在任一时刻点，工件中只存在某个单阵元的发射声场，发射过程中不存在类似传统相控阵的那种超声波声束的聚焦、偏转。基于FMC采集数据的图像重构的方法就叫做TFM成像4。传统的超声波相控阵技术，只能对检测区域的某一深度形成线聚焦，即只有在焦点附近具有较好的检测分辨率，远离焦点的检测区域将会出现散焦现象，从而无法达到理想的检测效果。TFM图像重构技术在整个检测区域都能够达到点点聚焦效果，因其能够对被检工件提供高分辨率的检测结果图像，近年来在国外已经受到专业研究人员越来越广泛的研究和关注。2. TFM图像重构算法模型采用TFM技术对被检工件的横截面进行成像检测，首先要把目标成像区域划分成网格，对每一个格子所对应的像素点进行全息重构，从而得到最终的检测图像结果。TFM处理的原则是抽取FMC采集到的样本数据中所有有用信息，并相对应地各自叠加到目标成像区域的每个像素点。2.1 TFM纵波检测的图像重构算法模型假设一个有阵元的一维线性阵列探头进行FMC采集，顺序激发每个阵元，每一次激发之后所有阵元同时且各自独立接收数据，每个阵元接收到的数据采样点数为。数据采集完成，将获得一个大小为的采样数据矩阵，该矩阵作为下一步检测结果图像的TFM处理的信号输入。把该矩阵用来表示，其中，。图1 TFM纵波检测模型如图1，假设目标成像区域的大小为，每个目标点对应于不同的聚焦法则。对于上述阵列探头来说，TFM重构出大小的目标图像区域，对应有条聚焦法则。聚焦法则统一用来表示，其中，。假设目标图像矩阵用表示，那么点重建后的像素大小为： (1)2.2 TFM横波检测图像重构算法模型假设一个有阵元的一维线性阵列探头加横波楔块进行FMC数据采集，类似于TFM纵波检测的数据采集模式，数据采集完成，将获得一个大小为的采样数据矩阵，采集的得到的矩阵用来表示，其中，。图2 TFM横波检测模型如图2，假设目标图像矩阵用表示，那么点重建后的像素大小为： (2)其中，且。3. TFM图像重构实验制作了了基于FMC数据采集的TFM纵波检测ASTM推荐B型相控阵试块通孔，横波检测对接平板焊缝未融合缺陷两个实验。3.1 TFM纵波检测通孔缺陷实验采用ASTM推荐B型相控阵试块，材质为20号钢，工件侧面制作了一系列横通孔。FMC数据采集系统采用汕头超声仪器公司生产的CTS-2108型相控阵仪器和相控阵探头。探头参数为：频率5MHz，阵元数64，阵元间距1.0mm，阵元宽度0.9mm，阵元长度12mm，采用机油做耦合剂。如图3(a)，纵波FMC采集的数据原始信息，A型波数据采集深度为120mm。图3(b)是由3(a)中的原始信息采用TFM纵波检测模型进行TFM重构而得到的最终检测结果图像，检测成像区域大小为，探头偏移量为0mm。从图3(b)重构的检测结果图像中可以看见，所有的横通孔都被清晰的还原出来了。 (a)纵波FMC采集的原始数据 (b)纵波TFM图像重构图3 纵波TFM成像检测3.2 TFM横波检测未融合缺陷实验采用垂直方向具有未融合缺陷的对接平板焊缝试块，试块厚度25mm。FMC数据采集系统采用汕头超声仪器公司生产的CTS-2108型相控阵仪器和相控阵探头。探头参数为：频率10MHz，阵元数64，阵元间距0.6mm，阵元宽度0.5mm，阵元长度10mm。横波楔块参数：楔块角度36，中心阵元高度为11.4mm，材质为有机玻璃，采用机油做耦合剂。如图4(a)，横波FMC采集的数据原始信息，A型波数据采集深度为200mm。图4(b)是由4(a)中的原始信息采用TFM横波检测模型进行TFM重构而得到的最终检测结果图像，检测成像区域大小为，探头偏移量为10mm。从图4(b)重构的检测结果图像中可以看见，靠近对接平板焊缝试块的底部，垂直方向的未融合缺陷被清晰的还原出来了，缺陷高度大约为6.9mm。 (a)横波FMC采集的原始数据 (b)横波TFM图像重构图4 横波TFM成像检测4. 结论文中介绍了基于FMC采集数据的纵波、横波TFM图像重构算法，并给出了两个相应的具体实验。从实验结果中可以看到，采用本文给出的TFM算法模型，能够有效的检出通孔以及平板对接焊缝内部垂直方向的未融合缺陷，且重构出的检测结果图像具有很好的信噪比，缺陷重构分辨率高，便于对缺陷进行定性、定量分析。参考文献：1 Cohran, S. (2006). Fundamentals of ultrasonic phased array. Insight, 48(4), 212-217.2 Holmes, C., Drinkwater, B.W. and Wilcox, P.D. (2005). Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit-receive array data for non-destructive evaluation. NDT&E International, 38, 701-711.3 Lines, D., Wharrie, J., Hottenroth, J., Skramstad, J., Goodman, R. and Wood, N. (2011). Real-Time Ultrasonic Array Imaging using Full Matrix Capture and the Total Focusing Method. Proceedings of 2nd Aircraft Airworthiness & Sustainment Conference, San Diego. 18th-21st April 2011.4 Holmes, C., Drinkwater, B. and Wilcox, P. (2004). The post-proc