基于SAFT提高TOFD檢測缺陷長度定量精度的探討

謝 雪 ，祝美麗，金士杰，楊會敏，崔 哲，張東輝，林 莉，張樹瀟，劉麗麗

（1.大連理工大學 無損檢測研究所，大連 116024；2.核工業(yè)工程研究設計有限公司，北京 101601）

超聲衍射時差（TOFD，Time of fight diffraction）技術以其原理簡單、缺陷定量精度高、可靠性好、檢測簡便快捷、結果直觀等特點而越來越多地被應用于焊縫無損檢測中［1－4］。由其原理可知，TOFD 對于缺陷定深具有較高精度，但在缺陷長度定量方面誤差較大。1996 年英國的Silk［5］提出可以利用拋物線指針法對缺陷長度進行定量，其中橫向缺陷的檢測精度可達幾個毫米。近年來國內(nèi)外的研究者則開始將合成孔徑聚焦技術（SAFT，Synthetic aperture focusing technology）應用于超聲TOFD的B掃成像來提高其橫向分辨率［6－8］；周靖宇［9］、王子成［10］等先后將SAFT 應用于TOFD 檢 測D 掃 圖像處理，提高了圖像的橫向分辨率，使得缺陷識別能力增強。

針對TOFD 技術中缺陷長度定量問題，筆者將SAFT 應用于D 掃圖像處理，從模擬角度對SAFT處理技術在缺陷長度定量中的應用進行了分析，并進一步討論了ADD 方法對SAFT 成像質(zhì)量的提高效果。

1 TOFD檢測的缺陷長度定量難點

TOFD 技術是通過D 掃查實現(xiàn)缺陷長度定量的，但由于TOFD 探頭發(fā)射的聲束具有一定的擴散角（圖1），因此對焊縫中的缺陷進行D 掃查時，在缺陷附近很大范圍內(nèi)均能接收到缺陷的衍射回波信號，這就形成了TOFD 檢測中的甩弧現(xiàn)象（圖2）。甩弧現(xiàn)象使檢測圖像的橫向分辨率降低，造成缺陷端點位置難以確定，進而導致缺陷在長度方向上的定量誤差增大。目前TOFD 檢測中長度定量誤差一般可達±5 mm［11－12］，如何削 弱甩弧 現(xiàn)象是TOFD 技術缺陷長度定量的難點之一。

圖1 TOFD 聲場示意

圖2 TOFD 檢測中的缺陷甩弧現(xiàn)象示意

2 SAFT算法

SAFT 是20世紀70年代發(fā)展起來的一種信號處理手段，該技術具有兩大優(yōu)勢［13］：一是能夠提高聚焦區(qū)域的橫向分辨率；二是方位分辨率與缺陷和探頭之間相對距離及檢測聲波波長無關，因此具有近場適用性。

SAFT 基本原理如圖3所示，當超聲探頭沿直線移動時，每隔距離d發(fā)射一個聲波信號，同時接收來自物體內(nèi)部各點的散射信號并加以儲存。然后，根據(jù)各成像點的空間位置，對接收到的信號作適當?shù)穆晻r或相位延遲后進行再合成，從而得到被成像物體的逐點聚焦聲像。在有缺陷的地方，回波信號進行同相疊加，信號波幅得到增強；在無缺陷的地方，回波信號進行隨機、無序疊加，信號將會變?nèi)跎踔邻呌诹悖虼薙AFT 可以提高圖像的分辨率和信噪比。

圖3 SAFT 檢測原理與數(shù)據(jù)處理示意

3 SAFT在D掃圖像中的應用

利用CIVA 數(shù)值模擬軟件，建立與實際待檢試塊聲學特性一致的物理模型。模型試塊材質(zhì)為碳鋼，厚度100.0 mm；以矩形槽代替面積型缺陷，設計了9個埋深均為30.0mm，長度5.0～45.0mm、高度5.0mm的矩形槽，相鄰矩形槽之間的橫向間隔為30.0～40.0 mm。數(shù)值模擬采用一對標準的TOFD探頭，中心頻率為5MHz，晶片尺寸為6mm，聲束折射角為60°。

對模型進行TOFD 檢測D 掃查仿真模擬，兩探頭中心間距設置為104.0mm，掃查間隔0.2 mm。模擬D 掃圖像如圖4（a）所示，從圖中可看到明顯的缺陷甩弧現(xiàn)象，且缺陷越短，甩弧的影響越大；特別是長度為5.0mm 的缺陷，其D 掃圖像類似于點狀缺陷，實際檢測中很難獲得精確的長度信息。

將模擬原始D 掃圖像中對應的全部A 掃信號導出，利用SAFT 對A 掃信號進行處理，得到重建后的D 掃圖像，如圖4（b）所示。從圖中可看出，經(jīng)過SAFT 處理后，缺陷兩端的干擾衍射信號明顯減弱，D 掃查過程中產(chǎn)生的缺陷甩弧現(xiàn)象得到減弱，且對于所有的缺陷D 掃圖像都有很好的修正效果。

圖5 經(jīng)SAFT 處理后缺陷長度的定量結果和定量相對誤差

根據(jù)處理后的D 掃圖像對缺陷長度進行定量，定量結果和定量相對誤差如圖5所示，由圖可見經(jīng)SAFT 處理后的缺陷長度定量精度較高，定量誤差最大約為0.6mm，最大相對誤差約為8.0%。其中缺陷長度定量的絕對誤差相差不大，最大約為半波長λ／2，因此導致相對誤差的最大值出現(xiàn)在最小缺陷長度。

4 SAFTADD的應用前景

SAFT 的缺點在于缺陷散射波中往往包含與缺陷位置無關的系統(tǒng)頻譜分量，因此將干擾成像結果的分辨率。不妨設被檢試樣信息為p（t），檢測系統(tǒng)信息為s（t），噪聲信號為n（t），則檢測信號y（t）可表示為：

其中“＊”表示卷積計算。在頻域，式（1）可以表示為：

式中：Y（f）、S（f）、P（f）與N（f）分別為y（t）、s（t）、p（t）與n（t）的傅里葉變換結果。

由此可見，在進行SAFT 處理之前對A 掃信號進行解卷積可以分離出被檢試樣信息p（t），從而提高檢測分辨率。實際檢測中，探頭不同聲束的信號頻率不同，僅通過單個特定參考信號解卷積并不合適。因此Farhang［14］提出一種將變角度解卷積（ADD）方法與SAFT 相結合的信號處理技術（SAFTADD），即根據(jù)缺陷位置選擇一系列信號作為參考對待處理信號進行分窗解卷積，從而提高成像分辨率。

Jastrzebski［15］對鋁試塊中深31.5mm、直徑2.0mm 的橫通孔B 掃圖像分別進行SAFT 和SAFTADD 處理，并對處理后的效果進行了比較，圖6為模擬結果比較圖像。SAFT 法處理后的深度位置誤差、橫向位置誤差分別為1.05，1.25mm－1；SAFTADD 法處理后的深向、橫向位置誤差分別為0.67，0.75mm－1，表1為信號處理后的定量精度。與傳統(tǒng)SAFT 比較可見，SAFTADD 可以更好地提高圖像的時間分辨率以及橫向分辨率。

因此，可考慮將SAFTADD 應用于具有一發(fā)一收雙探頭結構的TOFD 檢測的缺陷長度定量中，根據(jù)缺陷深度位置信息選擇不同的參考信號，對每一列A 掃信號分別進行分窗解卷積，再結合SAFT 進行處理，從而進一步提高TOFD 技術的缺陷長度定量精度。

圖6 SAFTADD 與SAFT 方法的信號處理效果對比

5 結論

根據(jù)TOFD 技術中缺陷定量幾何關系，將SAFT 技術引入TOFD 檢測中，實現(xiàn)了D 掃圖像的SAFT 處理與重建。結果表明，SAFT 能夠削弱缺陷端點處干擾衍射信號的影響，從而減弱甚至消除D 掃圖像中的缺陷甩弧現(xiàn)象，提高D 掃圖像橫向分辨率。最后，還比較了SAFT 與SAFTADD 技術的成像效果，并考慮將SAFTADD 應用于TOFD 缺陷定量的下一步研究當中。

［1］關衛(wèi)和，閻長周，張保中，等.我國壓力容器行業(yè)TOFD檢測技術的應用和進展［J］.無損檢測，2010，32（12）：961－965.

［2］汪明輝，肖愛武.TOFD 方法對焊接缺陷的檢測能力［J］.無損檢測，2014，36（7）：47－51.

［3］MANJULA K，VIJAYAREKHA K，VENKATRAMAN B，et al.Ultrasonic time of flight diffraction technique for weld defects：A review［J］.Research Journal of Applied Sciences，Engineering and Technology，2012，4（24）：5525－5533.

［4］MERAZI－MEKSEN T，BOUDRAA M，BOUDRAA B.Mathematical morphology for TOFD image analysis and automatic crack detection ［J］.Ultrasonics，2014，54（6）：1642－1648.

［5］SILK M G.An evaluation of the performance of the TOFD technique as a means of sizing flaws，with particular reference to flaws with curved profiles［J］.Insight，1996，38（4）：280－287.

［6］遲大釗，剛鐵，盛朝陽.超聲渡越時差法檢測圖像中裂紋端部信號的識別［J］.機械工程學報，2007，43（10）：103－107.

［7］SPIES M，RIEDER H，DILLH?FER A，et al.Synthetic aperture focusing and time－of－flight diffraction ultrasonic imaging—past and present［J］.Journal of Nondestructive Evaluation，2012，31（4）：310－323.

［8］SINCLAIR A N，F(xiàn)ORTIN J，SHAKIBI B，et al.Enhancement of ultrasonic images for sizing of defects by time－of－flight diffraction［J］.NDT ＆E International，2010，43（3）：258－264.

［9］周靖宇，林丹源，陳建華，等.合成孔徑聚焦技術在TOFD 檢測中的應用［J］.無損檢測，2012，34（5）：59－61.

［10］王子成.合成孔徑聚焦（SAFT）算法在衍射時差法（TOFD）檢測中的應用［C］∥2009遠東無損檢測新技術論壇論文集.蘇州：［出版地不詳］，2009.

［11］CIORAU P，COULAS J，ARMITT T.A contribution to length sizing of weld flaws using conventional，PAUT and TOFD ultrasonic techniques［C］／／9th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components.Seattle：［s.n］，2012.

［12］盛朝陽，剛鐵.超聲TOFD 檢測成像及缺陷定位系統(tǒng)［J］.焊接，2007（8）：37－40.

［13］STEPINSKI T，LINGVALL F.Optimized algorithm for synthetic aperture imaging［C］∥2004IEEE Ultrasonics Symposium.Sweden：Uppsala University，2004：701－704.

［14］HONARVAR F，SHEIKHZADEH H，MOLES M，et al.Improving the time－resolution and signal－to－noise ratio of ultrasonic NDE signals［J］.Ultrasonics，2004，41（9）：755－763.

［15］JASTRZEBSKI M，DUSATKO T，F(xiàn)ORTIN J，et al.Enhancement of synthetic aperture focusing technique（saft）by advanced signal processing［C］∥In Proceedings of 16th WCNDT.Montreal：［s.n］，2004.