相控陣三維全聚焦成像檢測技術(shù)

,, ,,振光,

(廣東省超聲電子重點(diǎn)工程技術(shù)研究開發(fā)中心，汕頭 515041)

傳統(tǒng)的相控陣超聲檢測技術(shù)根據(jù)特定聚焦法則并行激發(fā)多個陣元，從而使得合成超聲波束在被檢工件內(nèi)實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)和聚焦，再把接收到的信號依據(jù)聚焦法則延時累加起來形成最終的檢測結(jié)果[1]。由于傳統(tǒng)相控陣是基于發(fā)射單點(diǎn)聚焦或者發(fā)射多點(diǎn)動態(tài)聚焦的技術(shù)，陣元組的激發(fā)次數(shù)將直接影響檢測結(jié)果圖像的刷新率，因此傳統(tǒng)相控陣技術(shù)即使采用動態(tài)聚焦也是分段的動態(tài)聚焦，實(shí)際上并不具備高分辨率的聚焦檢測能力。

全聚焦(TFM)技術(shù)是近年來隨著高速處理器的發(fā)展而出現(xiàn)的一種基于全矩陣數(shù)據(jù)采集(FMC)的圖像后聚焦新技術(shù)[2]。該技術(shù)依次順序激發(fā)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(fā)整個陣列之后采集到全矩陣數(shù)據(jù)，再根據(jù)相應(yīng)的全聚焦法則，提取相應(yīng)有效回波數(shù)據(jù)累加到全聚焦圖像的目標(biāo)成像區(qū)域即可實(shí)現(xiàn)全聚焦成像[3]。由于全聚焦技術(shù)在目標(biāo)成像區(qū)域的每一個像素點(diǎn)都對應(yīng)一個聚焦法則，即全聚焦圖像的每個像素點(diǎn)都是聚焦點(diǎn)，因而能夠提供被檢工件的高分辨率成像檢測結(jié)果。

當(dāng)前國內(nèi)外專家學(xué)者對于相控陣全聚焦技術(shù)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(shù)確實(shí)能夠有效檢出工件內(nèi)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(jié)果僅是工件內(nèi)部的一個切片成像信息，并不能有效反應(yīng)缺陷的立體結(jié)構(gòu)以及尺寸大小。筆者提出的3D(三維)全聚焦成像技術(shù)是根據(jù)設(shè)計(jì)的3D全聚焦法則，采用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)實(shí)時進(jìn)行全聚焦運(yùn)算處理并得到3D全聚焦圖像。由于使用二維面陣探頭實(shí)現(xiàn)全矩陣數(shù)據(jù)的采集，探頭各陣元在三維空間中能夠充分采集到工件內(nèi)的缺陷從各個方向上反射回來的信息，從而根據(jù)3D全聚焦法則能夠重構(gòu)出工件內(nèi)缺陷的真實(shí)結(jié)構(gòu)。

1 3D全聚焦系統(tǒng)工作原理

相控陣3D全聚焦系統(tǒng)的工作原理示意如圖1所示[4]，系統(tǒng)由兩大部分組成：全矩陣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及實(shí)時3D全聚焦成像。

圖1 相控陣3D全聚焦系統(tǒng)工作原理示意

由圖1可知，全矩陣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由64并行相控陣數(shù)據(jù)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(yīng)一個相控陣采集通道，各陣元編號表示為E1～E64。

相控陣系統(tǒng)發(fā)射電路每次激發(fā)單個陣元，該陣元發(fā)射的超聲波事實(shí)上是以近似一個錐體的形式在被檢測工件內(nèi)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(shù)據(jù)采集的過程[5]。其中WA(1,1)表示陣元1發(fā)射的超聲波傳播到工件內(nèi)A點(diǎn)反射，并由陣元1接收到的回波信號;WB(1,1)表示陣元1發(fā)射的超聲波傳播到工件內(nèi)B點(diǎn)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(tǒng)需要預(yù)先生成并內(nèi)置相應(yīng)的3D全聚焦法則。初始化陣列面各陣元坐標(biāo)，以陣列面作為基準(zhǔn)坐標(biāo)系定義3D成像區(qū)域范圍及其3D目標(biāo)圖像的成像精度，計(jì)算面陣各陣元到成像區(qū)域目標(biāo)點(diǎn)的聲波傳播時間并存儲,即生成聚焦法則[6]。在實(shí)時聚焦過程中，系統(tǒng)根據(jù)存儲的法則，相應(yīng)提取對應(yīng)收發(fā)陣元組接收到的A型波采樣點(diǎn)，在各法則對應(yīng)的目標(biāo)成像區(qū)域點(diǎn)處進(jìn)行累加、平均運(yùn)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(diǎn)對應(yīng)延遲塊的底面中心位置作為三維坐標(biāo)系原點(diǎn)O，建立三維空間直角坐標(biāo)系。其中，E點(diǎn)表示面陣任意陣元；I點(diǎn)表示被檢測工件內(nèi)的任意一點(diǎn)；R1點(diǎn)表示陣元E發(fā)射的超聲波從延遲塊傳遞到工件內(nèi)的I點(diǎn)，在延遲塊與工件交界面的實(shí)際聲波折射點(diǎn);R2點(diǎn)表示I點(diǎn)反射的超聲波從工件內(nèi)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(shí)際聲波折射點(diǎn)。

圖2 3D全聚焦模型

依據(jù)建立的三維坐標(biāo)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(biāo)，具體初始化計(jì)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(yùn)算初始化陣元x坐標(biāo)，取整運(yùn)算初始化陣元y坐標(biāo)，對延遲塊的厚度取負(fù)初始化陣元z坐標(biāo)。

基于該坐標(biāo)系把工件的目標(biāo)檢測區(qū)域網(wǎng)格化為目標(biāo)成像區(qū)域，假設(shè)網(wǎng)格化之后目標(biāo)成像區(qū)域的I′點(diǎn)對應(yīng)于工件內(nèi)的I點(diǎn)。那么，由陣元E發(fā)射的超聲波經(jīng)延遲塊傳遞到工件內(nèi)的I點(diǎn)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(diǎn)R1的三維坐標(biāo);rx2i,ry2i,rz2i為折射點(diǎn)R2的三維坐標(biāo)；ixi,iyi,izi為工件內(nèi)任意點(diǎn)I的三維坐標(biāo)；v1為延遲塊聲速;v2為工件聲速。

由I點(diǎn)反射的超聲波經(jīng)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(shè)以Sij(t)表示全矩陣數(shù)據(jù)，則目標(biāo)成像區(qū)域I′點(diǎn)對應(yīng)的3D全聚焦重構(gòu)結(jié)果為

(6)

3 3D全聚焦成像檢測試驗(yàn)

以下試驗(yàn)均采用汕頭超聲儀器公司生產(chǎn)的CTS-PA22T相控陣全聚焦設(shè)備以及相控陣線陣和面陣探頭進(jìn)行實(shí)時成像檢測。CTS-PA22T設(shè)備具有 64個全并行的相控陣硬件通道，試驗(yàn)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(shù)檢測通孔缺陷，結(jié)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(biāo)成像區(qū)域?qū)挾?5 mm，高度40 mm；3D-TFM的目標(biāo)成像區(qū)域?qū)挾?5 mm，高度40 mm，長度15 mm。從圖3可以看出，2D-TFM成像檢測技術(shù)能夠有效檢測出目標(biāo)缺陷，且成像檢測結(jié)果對于缺陷的分辨率較高；3D-TFM技術(shù)的成像結(jié)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(jié)果

分別采用2D-TFM和3D-TFM成像技術(shù)檢測平底孔缺陷,結(jié)果如圖4所示。檢測對象是10 mm厚有機(jī)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(biāo)成像區(qū)域?qū)挾? mm，高度10 mm；3D-TFM目標(biāo)成像區(qū)域?qū)挾? 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(jié)果不僅直觀，且很容易對缺陷進(jìn)行精確定量測量。

圖4 TFM檢測平底孔缺陷的2D和3D結(jié)果

圖5 TFM檢測螺栓裂紋缺陷的2D和3D結(jié)果

分別采用2D-TFM和3D-TFM成像技術(shù)檢測螺栓裂紋缺陷,結(jié)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(biāo)成像區(qū)域?qū)挾?0 mm，高度100 mm；3D-TFM目標(biāo)成像區(qū)域?qū)挾?0 mm，高度100 mm，長度30 mm。檢測結(jié)果顯示，2D-TFM、3D-TFM技術(shù)均可有效檢出螺栓內(nèi)部的兩個缺陷，但是在2D-TFM的檢測結(jié)果中，裂紋和螺栓絲扣之間的圖像特征區(qū)別不是非常明顯，有一定可能會導(dǎo)致缺陷的誤判和漏判，而3D檢測結(jié)果能夠非常輕松地識別出這兩個缺陷。

采用3D-TFM成像技術(shù)對被檢工件進(jìn)行局部區(qū)域的成像檢測,結(jié)果如圖6所示。檢測對象是在有機(jī)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(biāo)成像區(qū)域?qū)挾? 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(biāo)成像區(qū)域?qū)挾? 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(biāo)成像區(qū)域?qū)挾? 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(biāo)成像區(qū)域?qū)挾? 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(qū)域成像檢測試驗(yàn)可以看出，3D-TFM成像技術(shù)能夠靈活地對被檢工件的局部區(qū)域進(jìn)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(qū)小。

圖6 3D-TFM技術(shù)局部區(qū)域成像檢測

4 結(jié)語

將2D-TFM全聚焦成像技術(shù)擴(kuò)展到三維，并分別采用2D-TFM以及3D-TFM技術(shù)進(jìn)行了具體的檢測試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，相控陣全聚焦技術(shù)的檢測成像結(jié)果具有極高的分辨率，能夠有效檢出被檢工件內(nèi)的缺陷。其中，3D-TFM技術(shù)相比2D-TFM技術(shù)來說，其成像結(jié)果更加直觀，能夠真實(shí)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(qū)域?qū)崟r高清3D成像檢測能力，突破了傳統(tǒng)相控陣技術(shù)固定單一的成像模式，可以應(yīng)用于螺栓檢測、汽車點(diǎn)焊檢測以及薄板復(fù)合材料檢測等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn):

[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.