超聲掃描檢測的離線分析方法

連軍莉

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

超聲掃描檢測的離線分析方法

連軍莉

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

介紹了一種超聲掃描檢測的離線分析方法。首先，掃描器件，構(gòu)建清晰圖像；確認后，存儲參數(shù)及原始數(shù)據(jù)；需要分析時，上載數(shù)據(jù)文件，讀取參數(shù)和波形數(shù)據(jù)，可以重現(xiàn)各點波形，進行模擬掃描，構(gòu)建內(nèi)部圖像。這種方法在被測器件拿走的情況下，仍然可以準(zhǔn)確地分析器件的內(nèi)部特征，方便快捷。

超聲掃描；保存數(shù)據(jù)；離線分析

超聲掃描檢測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域，適用于檢測物體表面、內(nèi)部區(qū)域，可以產(chǎn)生高分辨率的特征圖像。由于傳遞超聲能量要求介質(zhì)是連續(xù)的，所以如氣孔、雜質(zhì)、分層、裂紋等不連續(xù)界面都會干擾超聲信號傳播，致使超聲信號發(fā)生反射，據(jù)此成像來判斷此器件是否有缺陷。

一般情況下，超聲掃描檢測系統(tǒng)在掃描過程中需要移動探頭，在被測工件上方往復(fù)運動，實時采集波形數(shù)據(jù)，并對其分析成像。一旦拿走工件，檢測不能進行，這樣就有了很大的制約性。

為了克服現(xiàn)有掃描模式的不足，本文提供了一種離線分析掃描方法。在探頭不動、沒有工件的情況下，也可以對虛擬工件進行重復(fù)離線模擬掃描，也可在任何時間、任何計算機上對數(shù)據(jù)進行分析。有了這個功能，僅進行一次掃描，可在短時間內(nèi)存儲器件的所有信息，在工件不再的情況下，分析存儲上載數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建清晰圖像。不僅能顯示各點的波形，也可以進行多種掃描。在沒有充分的時間對工件進行全面分析的情況下，這種方法就顯得尤為重要。

1 超聲掃描檢測介紹

超聲掃描檢測系統(tǒng)的工作原理：超聲波通過一個耦合介質(zhì)傳導(dǎo)到樣品，通常是水或一種惰性液體。探頭交替扮演著發(fā)射器和接收器，電開關(guān)在傳送和接收模式之間轉(zhuǎn)換。一個非常短的聲音脈沖進入樣品，并返回樣品表面、在特定阻抗分層和樣品內(nèi)部的其他特征處產(chǎn)生的聲音反射。如圖1所示。

A波形或者“A掃描”是一個時間函數(shù)，以非常簡單的形式顯示出反射聲波的振幅。A波形實際上包含了樣品內(nèi)部非常多的關(guān)于聲學(xué)阻抗或特征的信息。如圖1所示，右上角的波形中包含了表面、芯片表面和芯片底部的反射信號。

圖1 超聲掃描檢測工作原理示意圖

在C掃描中，在某一深度的斷面設(shè)置門限，其中的峰值探測器會檢測到門限內(nèi)的幅值峰值，根據(jù)這些峰值最終形成該斷面的橫向聚焦圖像。空洞、裂紋和其他的阻抗特征，與背景有較高的對比度，很容易區(qū)分。

2 離線分析方法

在傳統(tǒng)的C模式掃描中，只保存了單點上的部分數(shù)據(jù)，比如捕獲的用于顯示和分析的數(shù)據(jù)就是數(shù)據(jù)門限內(nèi)的幅度峰值，還有極性和TOF數(shù)據(jù)，其他所有數(shù)據(jù)都丟失了。我們從存儲的X-Y-Z峰值數(shù)據(jù)集中不可能得到額外的信息；也不能進行離線操作，例如，調(diào)整門的位置，以便調(diào)整斷面的深度；也不可能對丟失的聲波信號信息使用信號處理分析學(xué)，來學(xué)習(xí)異常。

離線分析，就是脫離硬件設(shè)備，在任何計算機上對掃描數(shù)據(jù)進行分析、成像。使用一個高焦距比數(shù)鏡頭的探頭，焦距可以橫跨樣品的整個高度。捕獲聲波反射信號（A掃描）后，并將其數(shù)字化，進而存儲為數(shù)字數(shù)據(jù)，可以隨時隨地進行分析。

首先對器件進行一次C掃描，構(gòu)建清晰圖像；確認后存儲需要的參數(shù)及各點原始數(shù)據(jù)。需要分析時，讀取掃描參數(shù)和數(shù)據(jù)，可以重現(xiàn)各點波形，并進行模擬掃描，構(gòu)建各斷面圖像。流程圖如圖2所示。

2.1 首次掃描

針對被測器件，設(shè)置掃描參數(shù)，聚焦位置，調(diào)整焦距，開始掃描。實時采集反射回波信號，并進行256級量化處理，據(jù)此構(gòu)建清晰的斷層灰度圖像。

根據(jù)實際需要，添加數(shù)據(jù)門限。該門限可以添加在任何位置，呈現(xiàn)樣品內(nèi)與門限的位置和寬度相應(yīng)的某一深度和厚度的反射特征；門限也可以和樣品一樣寬（或感興趣的區(qū)域），這樣就可以存儲樣品所有層的反射波。

圖2 流程示意圖

回波信號的采樣個數(shù)隨著數(shù)據(jù)門限的長度和采樣頻率而變化，數(shù)據(jù)門限越長，采樣頻率越高，采樣個數(shù)就會越多，數(shù)據(jù)量越大。隨著分辨率的增加，圖像的像素總數(shù)（存儲總數(shù)）快速增長。

所以在設(shè)置參數(shù)時，將采樣頻率、圖像分辨率設(shè)置得盡量低，滿足最低要求即可。這樣可以避免存儲大量數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)分析時有較高的速度。

2.2 保存參數(shù)和數(shù)據(jù)

首次掃描之后，確認掃描結(jié)果清晰，掃描參數(shù)合適后，保存各掃描參數(shù)和回波信號數(shù)據(jù)。將各掃描參數(shù)保存為一個參數(shù)文件，將回波數(shù)據(jù)保存為另一個數(shù)據(jù)文件，每點數(shù)據(jù)按照從上到下的順序進行保存，如此逐點逐行保存所有數(shù)據(jù)。

在保存數(shù)據(jù)時，可以只保存用戶需要的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)門限所在的時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。這樣可以節(jié)省空間，不保存多余的數(shù)據(jù)。

2.3 離線分析

（1）上載文件。打開并讀取指定的參數(shù)文件和數(shù)據(jù)文件，顯示首次掃描構(gòu)建的圖像；

（2）顯示各點波形。點擊圖像上的任意點，可重新構(gòu)建該點的波形。根據(jù)該點所在的像素位置，可以得到該點的數(shù)據(jù)。有了回波信息數(shù)據(jù)后，可重新繪制該點的波形。像素點f（i，j）數(shù)據(jù)的起始位置計算如下：

其中，i為點f所在的行數(shù)，j為點f所在的列數(shù)，s為圖像的一行數(shù)據(jù)所占用的總字節(jié)數(shù)，l為一個像素點上的數(shù)據(jù)量，w為圖像的寬度。

（3）模擬掃描。在待測工件不在的情況下，進行模擬掃描。聚焦在某一斷面上，對于斷面上的每一點，獲取該點數(shù)據(jù)在文件中的位置和長度，取出數(shù)據(jù)后，進行灰度轉(zhuǎn)換。逐行逐列，每點處理，最終生成該斷面的灰度圖像。

數(shù)據(jù)門放置在不同的位置，可以得到不同層的圖像，結(jié)果見圖3、圖4、圖5所示。

圖3 表面波形與掃描結(jié)果

圖4 分層波形與掃描結(jié)果（一）

圖5 分層波形與掃描結(jié)果（二）

3 結(jié)論

離線分析方法捕獲了全部聲波的回波信號，并將其數(shù)字化，方便后來的波形查看和分析。沒有丟掉有用的信息，為特定斷面設(shè)置數(shù)據(jù)門限，可以得到樣品內(nèi)特定層的圖像。

從圖3、4、5的掃描結(jié)果可以看出，該方法可對虛擬工件進行模擬掃描，準(zhǔn)確地描述待測工件的內(nèi)部信息，解決了待測工件不在時的檢測問題。它是超聲掃描檢測設(shè)備不可或缺的一種分析方法，是實時檢測的有效補充。

[1] 楊立峰，王亞飛.激光在超聲檢測技術(shù)中的應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進展，2006，43(2)：29-32.

[2] 陳文革，魏勁松.超聲無損檢測的應(yīng)用研究與進展[J].無損探傷，2001，25(4)：1-3.

[3] 張繼靜，連軍莉.超聲掃描技術(shù)及設(shè)備[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2011，39(5)：32-36.

An Offline-Analysis Method of Scanning Acoustic Inspect System

LIAN Junli

(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

An offline-analysis method of scanning acoustic inspect system is proposed in this paper. First the sample is scanned and the perfect image is built。Then parameters and original data are saved. We can load the data file，read parameters and data when needed.Then the system can display the waveform of each point again，and simulate scanning，and build the image.In the case of taking off the sample，this method still accurately analyses inner feature of sample very conveniently and quickly.

Scanning acoustic；Save data；Off-line analysis

TP391

A

1004-4507(2017)03-0031-04

2017-04-10

連軍莉（1980-），高級工程師，現(xiàn)主要從事機器視覺技術(shù)和圖像處理算法研究。