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從業人員可能仍然對TFM及其與全矩陣捕獲（FMC）的關系以及常規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PAUT和TFM之間的根本區別

在PAUT和TFM中，都使用多元素探頭在測試件中發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PAUT和TFM之間的根本區別在于信號獲取和幀處理策略。

常規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的優勢在于它需要進行少量的采集。發射束是各個發射器聲振幅材料中“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。位于焦點區域外部的反射器顯得模糊，并且比出現在焦點區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收購提供的優勢摘要

TFM和PAUT之間的主要區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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