相控陣三維全聚焦成像檢測技術

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(廣東省超聲電子重點工程技術研究開發中心，汕頭 515041)

傳統的相控陣超聲檢測技術根據特定聚焦法則并行激發多個陣元，從而使得合成超聲波束在被檢工件內實現偏轉和聚焦，再把接收到的信號依據聚焦法則延時累加起來形成最終的檢測結果[1]。由于傳統相控陣是基于發射單點聚焦或者發射多點動態聚焦的技術，陣元組的激發次數將直接影響檢測結果圖像的刷新率，因此傳統相控陣技術即使采用動態聚焦也是分段的動態聚焦，實際上并不具備高分辨率的聚焦檢測能力。

全聚焦(TFM)技術是近年來隨著高速處理器的發展而出現的一種基于全矩陣數據采集(FMC)的圖像后聚焦新技術[2]。該技術依次順序激發陣列探頭的每單個陣元且所有陣元同時接收信號，遍歷激發整個陣列之后采集到全矩陣數據，再根據相應的全聚焦法則，提取相應有效回波數據累加到全聚焦圖像的目標成像區域即可實現全聚焦成像[3]。由于全聚焦技術在目標成像區域的每一個像素點都對應一個聚焦法則，即全聚焦圖像的每個像素點都是聚焦點，因而能夠提供被檢工件的高分辨率成像檢測結果。

當前國內外專家學者對于相控陣全聚焦技術的研究,基本都集中在一維線陣相控陣探頭的二維全聚焦成像上。二維全聚焦成像技術確實能夠有效檢出工件內的各種缺陷，且檢測圖像的缺陷分辨率較高，但是由于成像結果僅是工件內部的一個切片成像信息，并不能有效反應缺陷的立體結構以及尺寸大小。筆者提出的3D(三維)全聚焦成像技術是根據設計的3D全聚焦法則，采用FPGA(現場可編程門陣列)實時進行全聚焦運算處理并得到3D全聚焦圖像。由于使用二維面陣探頭實現全矩陣數據的采集，探頭各陣元在三維空間中能夠充分采集到工件內的缺陷從各個方向上反射回來的信息，從而根據3D全聚焦法則能夠重構出工件內缺陷的真實結構。

1 3D全聚焦系統工作原理

相控陣3D全聚焦系統的工作原理示意如圖1所示[4]，系統由兩大部分組成：全矩陣數據采集系統以及實時3D全聚焦成像。

圖1 相控陣3D全聚焦系統工作原理示意

由圖1可知，全矩陣數據采集系統由64并行相控陣數據采集通道和超聲相控陣探頭組成。由于研究對象是三維全聚焦成像，選用64陣元8×8的面陣相控陣探頭，其中每個陣元對應一個相控陣采集通道，各陣元編號表示為E1～E64。

相控陣系統發射電路每次激發單個陣元，該陣元發射的超聲波事實上是以近似一個錐體的形式在被檢測工件內部傳播的，遇到缺陷后聲波反射回去被面陣探頭的各個陣元以回波的形式接收并存儲下來，該過程即為全矩陣數據采集的過程[5]。其中WA(1,1)表示陣元1發射的超聲波傳播到工件內A點反射，并由陣元1接收到的回波信號;WB(1,1)表示陣元1發射的超聲波傳播到工件內B點反射，并由陣元1接收到的回波信號;WA(1,64)和WB(1，64)依此類推。

3D全聚焦成像的核心是系統需要預先生成并內置相應的3D全聚焦法則。初始化陣列面各陣元坐標，以陣列面作為基準坐標系定義3D成像區域范圍及其3D目標圖像的成像精度，計算面陣各陣元到成像區域目標點的聲波傳播時間并存儲,即生成聚焦法則[6]。在實時聚焦過程中，系統根據存儲的法則，相應提取對應收發陣元組接收到的A型波采樣點，在各法則對應的目標成像區域點處進行累加、平均運算，最終形成3D全聚焦的圖像。

2 3D全聚焦法則

3D全聚焦模型如圖2所示，以面陣探頭中心點對應延遲塊的底面中心位置作為三維坐標系原點O，建立三維空間直角坐標系。其中，E點表示面陣任意陣元；I點表示被檢測工件內的任意一點；R1點表示陣元E發射的超聲波從延遲塊傳遞到工件內的I點，在延遲塊與工件交界面的實際聲波折射點;R2點表示I點反射的超聲波從工件內傳遞到延遲塊并被陣元E接收，在工件與延遲塊交界面的實際聲波折射點。

圖2 3D全聚焦模型

依據建立的三維坐標系模型，以n×n陣元面陣探頭為例，初始化面陣探頭各陣元坐標，具體初始化計算過程如下所述。

exi={mod[(i-1),n]-(n-1)/2}×d

(1)

eyi={int[(i-1)/n]-(n-1)/2}×d

(2)

ezi=-h

(3)

式中：d為陣元間距；h為所選用延遲塊的厚度；i=1,2,3,…,n2。

通過求余運算初始化陣元x坐標，取整運算初始化陣元y坐標，對延遲塊的厚度取負初始化陣元z坐標。

基于該坐標系把工件的目標檢測區域網格化為目標成像區域，假設網格化之后目標成像區域的I′點對應于工件內的I點。那么，由陣元E發射的超聲波經延遲塊傳遞到工件內的I點所需時間為

TER1I=[(exi-rx1i)2+(eyi-ry1i)2+

(ezi-rz1i)2]1/2/v1+[(ixi-rx1i)2+

(iyi-ry1i)2+(izi-rz1i)2]1/2/v2

(4)

式中：rx1i,ry1i,rz1i為折射點R1的三維坐標;rx2i,ry2i,rz2i為折射點R2的三維坐標；ixi,iyi,izi為工件內任意點I的三維坐標；v1為延遲塊聲速;v2為工件聲速。

由I點反射的超聲波經工件傳遞到延遲塊并被陣元E接收，所需時間為

TIR2E=[(ixi-rx2i)2+(iyi-ry2i)2+

(izi-rz2i)2]1/2/v2+[(exi-rx2i)2+

(eyi-ry2i)2+(ezi-rz2i)2]1/2/v1

(5)

假設以Sij(t)表示全矩陣數據，則目標成像區域I′點對應的3D全聚焦重構結果為

(6)

3 3D全聚焦成像檢測試驗

以下試驗均采用汕頭超聲儀器公司生產的CTS-PA22T相控陣全聚焦設備以及相控陣線陣和面陣探頭進行實時成像檢測。CTS-PA22T設備具有 64個全并行的相控陣硬件通道，試驗所使用的探頭為5L64-0.6×10線陣、5L8×8-1.5×1.5面陣；所使用延遲塊為15 mm厚的聚苯乙烯材料。

分別采用2D-TFM和3D-TFM成像技術檢測通孔缺陷，結果如圖3所示。檢測對象是相控陣B型專用試塊，缺陷為距離表面10 mm，彼此間距5 mm,呈水平直線排列的一系列尺寸為φ1 mm的通孔。2D-TFM目標成像區域寬度15 mm，高度40 mm；3D-TFM的目標成像區域寬度15 mm，高度40 mm，長度15 mm。從圖3可以看出，2D-TFM成像檢測技術能夠有效檢測出目標缺陷，且成像檢測結果對于缺陷的分辨率較高；3D-TFM技術的成像結果，不僅缺陷分辨率高，且對于通孔缺陷的描述非常直觀。

圖3 TFM檢測通孔缺陷的2D和3D結果

分別采用2D-TFM和3D-TFM成像技術檢測平底孔缺陷,結果如圖4所示。檢測對象是10 mm厚有機玻璃試塊，缺陷為距離表面6 mm，直徑為2 mm的平底孔。2D-TFM目標成像區域寬度5 mm，高度10 mm；3D-TFM目標成像區域寬度5 mm，高度10 mm，長度5 mm。由圖4可知，3D-TFM對于平底孔缺陷的檢測結果不僅直觀，且很容易對缺陷進行精確定量測量。

圖4 TFM檢測平底孔缺陷的2D和3D結果

圖5 TFM檢測螺栓裂紋缺陷的2D和3D結果

分別采用2D-TFM和3D-TFM成像技術檢測螺栓裂紋缺陷,結果如圖5所示。檢測對象是高度為100 mm的螺栓試塊，在試塊的中部和底部分別加工了2，3 mm深的人工線切割裂紋缺陷，且兩個缺陷的周向間隔為120°。2D-TFM目標成像區域寬度30 mm，高度100 mm；3D-TFM目標成像區域寬度30 mm，高度100 mm，長度30 mm。檢測結果顯示，2D-TFM、3D-TFM技術均可有效檢出螺栓內部的兩個缺陷，但是在2D-TFM的檢測結果中，裂紋和螺栓絲扣之間的圖像特征區別不是非常明顯，有一定可能會導致缺陷的誤判和漏判，而3D檢測結果能夠非常輕松地識別出這兩個缺陷。

采用3D-TFM成像技術對被檢工件進行局部區域的成像檢測,結果如圖6所示。檢測對象是在有機玻璃試塊上制作的一系列人工平底孔缺陷。其中，圖6(a)所示目標成像區域寬度5 mm，高度3 mm，長度5 mm，深度1.5 mm，缺陷1為距離表面2 mm，直徑為1 mm的平底孔，缺陷2為距離表面3 mm,直徑為1.5 mm的平底孔；圖6(b)所示目標成像區域寬度5 mm，高度3 mm，長度5 mm，深度1 mm，缺陷為距離表面1 mm,直徑為3 mm的平底孔；圖6(c)所示目標成像區域寬度5 mm，高度3 mm，長度5 mm，深度1 mm，缺陷為距離表面2 mm,直徑為2 mm的平底孔；圖6(d)所示目標成像區域寬度5 mm，高度3 mm，長度5 mm，深度2 mm，缺陷為距離表面3 mm,直徑為4.5 mm的平底孔。從3D-TFM局部區域成像檢測試驗可以看出，3D-TFM成像技術能夠靈活地對被檢工件的局部區域進行針對性的成像檢測，能夠有效識別小缺陷，且檢測時近表面盲區小。

圖6 3D-TFM技術局部區域成像檢測

4 結語

將2D-TFM全聚焦成像技術擴展到三維，并分別采用2D-TFM以及3D-TFM技術進行了具體的檢測試驗。從試驗結果可以看到，相控陣全聚焦技術的檢測成像結果具有極高的分辨率，能夠有效檢出被檢工件內的缺陷。其中，3D-TFM技術相比2D-TFM技術來說，其成像結果更加直觀，能夠真實地反映缺陷的外形，能夠有效提高對于缺陷的定性、定量檢測能力，減少對缺陷的誤判以及漏檢。高效、靈活的局部區域實時高清3D成像檢測能力，突破了傳統相控陣技術固定單一的成像模式，可以應用于螺栓檢測、汽車點焊檢測以及薄板復合材料檢測等領域。

參考文獻:

[1] JEUNE L L, ROBERT S, DYMUS P. Adaptive ultrasonic imaging with the focusing method for inspection of complex components immersed in water[J]. Ultrasonic, 2014, 61:673-684.

[2] WOLFRAM A. High resolution phased array imaging using the total focusing method[C]//19th WCNDT. Munich:[s.n.], 2016.

[3] ROBERTI S, OLIVIER C. Real-time inspection of complex composite structures with a self-adaptive ultrasonic technique[C]∥18th WCNDT. Durban:[s.n.], 2012.

[4] MICHAEL B, STEFAN K. Practical application of total focusing for sizing of imperfections in welded joints[C]∥19th WCNDT. Munich:[s.n.], 2016.

[5] LI Yan. Ultrasonic phased array imaging testing by total focusing method[J]. Nondestructive Testing, 2017, 39(5): 57-64.

[6] JOBST M, CONNOLLY G. Demonstration of the application of the total focusing method to the inspection of steel welds[C]//9th ECNDT. Moscow:[s.n.], 2010.