相控阵超声成像检测

以碳纤维增强树脂基(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)为代表的先进复合材料，具有高比强度和比刚度、良好的耐疲劳和耐腐蚀、易于大面积成型等优点，正越来越广泛地代替金属材料用作航空/天飞行器主承力构件。受制造工艺复杂、服役环境严苛影响，CFRP容易产生材料退化，甚至分层、纤维褶皱、孔洞等缺陷，威胁结构服役安全。超声无损检测技术是实现制造质量控制和服役性能评估的有效手段，但却面临材料形状复杂、多层结构、弹性各向异性因素共同作用所致超声传播行为复杂的挑战。现有超声检测技术主要是面向声学特性较为简单的各向同性均质材料，直接沿用至CFRP结构时不可避免地存在超声信号混叠、信噪比低、成像质量差等问题。针对以上难题，中国科学院深圳先进技术研究院郭师峰研究员团队开展了系列创新性研究工作，为航空/天复合材料结构无损检测与评估提供了理论和技术支撑，包括：(1)提出了利用相控阵超声和完全非接触激光超声原位测量超声群速度分布的新方法，解决了各向异性复合材料力学性能原位、高精度测量难题，为材料强度及其退化程度定量评估提供技术支撑；(2)建立了定量描述复杂形状、多层结构、弹性各向异性对CFRP声学特性影响规律的理论模型，为复杂超声传播行为理论分析和超声成像算法研究提供可靠的模型基础；(3)提出了基于计算机科学最短路径搜索算法的声线示踪新方法，解决了高分辨率超声成像算法聚焦法则高精度计算难题，大幅提升缺陷检测灵敏度和定位/量精度。上述研究工作为航空/天复合材料结构无损检测与评估提供了理论和技术支撑。2024年9月11-12日，仪器信息网组织召开第三届无损检测技术进展与应用网络会议，邀请领域内科研、应用等专家老师围绕无损检测理论研究、技术开发、仪器研制、相关应用等方面展开研讨。期间，郭师峰研究员团队中的曹欢庆副研究员将作大会报告《多层各向异性复杂型面航空/天复合材料结构相控阵超声成像检测》，介绍上述研究工作。本次会议于线上同步直播，欢迎材料、机械、工程、无损检测等相关科研工作者、工程技术人员、科技企业人士等报名，参会交流！关于第三届无损检测技术进展与应用网络会议无损检测，即在不破坏或不影响被检测对象内部组织与使用性能的前提下，利用射线、超声、电磁、红外、热成像等原理并结合仪器对物体进行缺陷、化学、物理参数检测的一种技术手段，被广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、特种设备、矿山机械、核电、冶金、考古、食品等各个领域。 为推动我国无损检测技术发展和行业交流，促进新理论、新方法、新技术的推广与应用，仪器信息网定于2024年9月11-12日组织召开第三届无损检测技术进展与应用网络会议，邀请领域内科研、应用等专家老师围绕无损检测理论研究、技术开发、仪器研制、相关应用等方面展开研讨，欢迎大家参会交流。会议链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ndt2024

引言随着可提供全聚焦方式（TFM）功能的检测设备陆续进入到市场中，无损检测（NDT）行业也在经历着一个技术进步突飞猛进的重要时期。全聚焦方式（TFM）的出现标志着相控阵超声检测（PAUT）技术又向前迈出了重要的一步。然而，一些相控阵超声检测（PAUT）的从业人员可能仍然对全聚焦方式（TFM）及其与全矩阵捕获（FMC）的关系，以及常规相控阵超声检测（PAUT）和全矩阵捕获/全聚焦方式（FMC/TFM）处理之间的差异，感到困惑。这篇文章可使那些熟悉相控阵超声检测（PAUT）成像的检测人员对全聚焦方式（TFM）成像有个基本的了解。常规相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）的基本区别在相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）检测中，都使用一个多晶片探头，在被测样件中发射脉冲超声波，并记录回波随着时间而变化的轨迹（波形）。然后，这些波形被合成处理，以生成被测样件中反射体的图像。超声波图像可被视为由众多子图像（被称为帧）堆栈在一起而生成的图像。例如：相控阵超声检测（PAUT）中的扇形扫描是由一系列以不同角度采集到的A扫描（波幅对应时间）堆栈而成。在扇形扫描的定义中，单个A扫描的作用相当于帧。相控阵超声检测（PAUT）策略就是以尽可能快的方式处理这些帧，并实时显示和刷新总体图像。常规相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）之间的基本差别在于信号采集和帧处理的策略不同。常规相控阵超声检测（PAUT）成像为了演示在相控阵超声检测（PAUT）中采集帧的过程，这里我们使用一个S扫描作为示例。S扫描由众多单个的帧组成，这些帧对应于在工件中以不同角度采集到的A扫描。在采集过程中，一组晶片（被称为孔径）同时发射脉冲，并记录下声波的轨迹。延迟被应用到每个晶片，以使超声声束以所需的角度偏转，并在工件中期望的深度处聚焦。这样，每个帧就是由折射角度和聚焦深度而定义。因此，要采集的帧的总数量就是构成总体图像的不同角度的数量。相控阵超声检测（PAUT）的优点是只需要完成有限的采集量。向被测材料中发射的声束是不同单个发射器的声学波幅“物理求和”的结果，而接收声束则是由前端电子设备通过快速求和算法而获得的合成声束。因此，可以非常迅速地显示通过相控阵超声检测（PAUT）方法获得的图像。相控阵超声检测（PAUT）的缺点是所有帧都在一个恒定的深度上聚焦。位于聚焦区域之外的反射体会显得模糊不清，而且会比位于聚焦区域内的同等大小的反射体看起来更大些。全聚焦方式（TFM）技术可以解决这种显示分辨率的问题。全聚焦方式（TFM）的基本概念是在多个不同深度的聚焦线上显示波幅，换句话说就是不只在单一的深度线上聚焦，而是具有“随处聚焦”的特点，因此可以为聚焦区域内的任何位置生成高度清晰的图像。如果使用相控阵超声检测（PAUT）采集策略（获得每帧图像需要一次采集）生成全聚焦方式（TFM）图像，则所需的时间就会显著增加。生成一个全聚焦方式（TFM）图像所需的像素数量比生成一个S扫描所需的不同角度的数量高得多。例如：通过以100个不同角度进行扫查而获得的一个S扫描需要100次采集，而由100 × 100像素构建的全聚焦方式（TFM）图像则需要10000次采集。为了避免这个采集数量过多的问题，我们可以使用另一种采集策略，这种策略是在后处理过程中计算出帧。这种采集策略需要一组对应于每个像素位置的聚焦法则，以及被称为全矩阵捕获（FMC）的一组原始基础波形。这样一来，基础波形会得到适当的延迟和求和处理，以在发射和接收过程中以合成方式生成超声声束，并在每个像素位置聚焦。因此，所生成的图像具有“随处聚焦”的特点。全矩阵捕获（FMC）可以获取探头所有成对（发射-接收）单个晶片所生成的所有波形。一般来说，要使用探头的整个孔径，因为对于某种特定的探头来说，这样可以获得最佳聚焦结果。在这种情况下，获得全矩阵捕获（FMC）数据所需的采集数量等同于探头晶片的数量。全矩阵捕获（FMC）收集到有关探头每个晶片之间声束传播的所有信息，包括被测材料表面的反射以及由缺陷引起的散射等信息。任何类型的相控阵超声检测（PAUT）图像都可以使用全矩阵捕获（FMC）数据重建，其中包括：扇形扫描、平面波成像（PWI）、动态深度聚焦（DDF）等。虽然全矩阵捕获（FMC）生成图像所需的采集数量与相控阵超声检测（PAUT）大致相同，但是要存储单个全矩阵捕获（FMC）数据集，却需要很大的存储容量、很宽的传输带宽，以及很强的处理能力。取决于所用设备的电子器件，获得全矩阵捕获/全聚焦方式（FMC/TFM）结果的速度可能会比相控阵超声检测（PAUT）更慢。以实验案例说明相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）图像的差异为了说明相控阵超声检测（PAUT）和全聚焦方式（TFM）成像之间的差别，我们在此介绍一个使用线性相控阵（PA）探头对钢块中垂直分布的几个相同的横通孔（SDH）进行扫查的设置。下面是OmniScan X3探伤仪使用相同的检测配置获得的相控阵超声检测（PAUT）S扫描（a）和全聚焦方式（TFM）图像（b）。在S扫描中，每帧图像都使用独特的20毫米聚焦深度获得（红色虚线代表聚焦深度）。处于聚焦区域内的几个横通孔（SDH）以相似的波幅和大小出现在图像中。与较短的聚焦深度相比，使用这种聚焦深度，可以获得更大的具有优质图像分辨率的区域，这也是图中几个横通孔都清晰可见的原因。位于聚焦深度以外较远的横通孔的图像会出现失真现象，且其波幅会大幅降低。因此要使所有横通孔获得更为一致的定量效果，需要使用不同的聚焦深度生成多个图像。在全聚焦方式（TFM）图像（b）中，超声声束在每个像素上聚焦。如您所见，图像中的每个横通孔（SDH）都很清晰鲜明，因此只需一个图像就可以准确地定量分布在更大深度范围内的横通孔。不过，我们可以观察到，位于电子聚焦能力所及的边限处的横通孔有横向失真的现象。这种失真情况是相控阵成像固有的问题，因此也会出现在全聚焦方式（TFM）图像中。探头正在进行全矩阵捕获（FMC）扫查比较相控阵超声检测（PAUT）扫描图与全聚焦方式（TFM）图像。全聚焦方式/全矩阵捕获（TFM/FMC）采集优势特性的总结全聚焦方式（TFM）和相控阵超声检测（PAUT）之间的主要区别在于构成图像的帧的性质和数量不同。在相控阵超声检测（PAUT）中，帧是一些1维信号或A扫描。后处理工作只包含前端电子设备对信号的实时求和操作，而且在处理的同时，会采集并呈现帧（图像）。与相控阵超声检测（PAUT）不同，全聚焦方式（TFM）的帧是来自每个像素坐标位置的聚焦声束的0维度数据点。因此，要处理的全聚焦方式（TFM）的帧的数量远多于相控阵超声检测（PAUT）的帧的数量。全聚焦方式（TFM）成像需要通过全矩阵捕获（FMC）方式采集数据，以在后处理过程中以合成方式生成聚焦声束。全聚焦方式（TFM）的主要优点是整个图像都以最佳分辨率显示，而相控阵超声检测（PAUT）图像仅在声束的聚焦区域中具有较高的分辨率。在使用全聚焦方式（TFM）进行检测时唯一值得注意的局限性是相控阵成像技术所带来的电子聚焦能力。

应用背景超声检测是目前应用最为广泛的无损检测技术，近年来随着电子技术的飞速发展，超声相控阵检测技术成为一个研究热点。与传统的常规超声波探伤设备相比，相控阵检测设备无需探头围绕管棒材进行高速旋转，大大简化探伤设备的机械结构；超声相控阵检测速度快，检测精度高 利用电子扫查和电子聚焦偏转，大大提高了缺陷的检出率和系统的分辨力，实现对棒材表面和内部全截面 壁的整体可靠检测。系统检测对象（1）棒材规格：Φ6~25/Φ20~80/Φ60~180 mm（检测范围可根据需求定制）。（2）长度：6～9m（根据需求定制）。（3）材质：碳钢、合金钢、轴承钢、弹簧钢、冷镦钢等。（4）检测标准和灵敏度：GB/T 4162、ISO 18563等相关标准。（5）凹面环阵探头：每个探头晶片数量128。（6）静态检测能力：Φ0.4/0.8/1.2mm平底孔深度(½, ¼D ),信噪比 12dB（7）动态检测能力：- Φ0.4/0.8/1.2/2.0mm平底孔(根据用户需求和材料确定)。- Φ0.2 ~ 0.5mm × 10mm横孔（100％棒材截面覆盖，无盲区）；- 表面纵向刻槽10 × 0.1 × 0.1mm (L × W × H)。（8）盲区端部盲区：＜30mm。近表面盲区：无。（9）误/漏报率：0%。（10）检测速度：可根据客户要求设计。扫查类型（1）线扫查：将同一聚焦法则顺次应用于不同单元组。（2）扇扫查：将不同聚焦法则顺次应用于同一晶元组，从而形成一个带有一定空间范围的扇型扫查区域。（3）深度聚焦扫查：不同于以往在单一聚焦深度上进行信号采集, DDF (Dynamic Depth Focusing动态深度聚焦) 通过一整套自动计算法则，同时将接收到的不同深度的声场信号进行拟合，并将所有拟合后的聚焦声场信息进行叠加。系统组成设备主要由传输辊道、压持装置、检测主机、自动控制系统和水循环系统组成。压持装置均为下压式，其下部有V型辊轮，上部为压轮，压轮起落由气缸驱动。压轮的下压和抬起动作由光电开关控制，自动识别棒材端部并执行压下和抬起动作，检测主机可实现侧拉出，便于快速换规格。图1：系统概述图2：设备照片设备特点（1）相控阵检测图形化显示，可同时拥有 A、B、C、S 扫描，缺陷显示直观明确。（2）相控阵电子旋转扫查代替机械运动扫查，结构简单检测稳定可靠。（3）相控阵检测易实现声束的偏转、聚焦和扫查，可配置多种检测模式及聚焦法则，检测灵敏度高。（4）模块式结构多路配置检测速度快，生产效率高的超声探伤系统。（5） 操作便捷、维护简单方便。图3：检测界面目前超声相控阵检测技术适合复杂结构件以及能实时成像等优点，已经适用于航空航天、汽车、石化、核电、轴承、压力容器等工业无损检测领域，如：管材、棒材、板材、车轮、盘环件等。附：钢研纳克无损检测业务介绍（1）无损检测钢研纳克无损检测事业部是经过CNAS认可的第三方实验室，具备特种设备综合检验机构资质和NADCAP资质等。能够提供各类无损检测服务，技术方法涵盖超声、射线、磁粉、渗透、涡流、漏磁等。目前拥有COMET 420KV射线机、工业CT/DR、GE/PAC水浸C扫、PVA超声显微镜、M2M超声相控阵仪器、10000A固定式磁粉探伤机、全自动荧光渗透线等高端无损检测设备，可为客户提供大厚度、高精度检测和内部结构分析。（2）无损校准钢研纳克是经过CNAS认可的第三方校准实验室，是目前国内拥有资质最全、能力范围最广的国家级无损检测校准机构之一，无损校准覆盖所有相关仪器、探头和试块，特别对相控阵仪器、TOFD仪器、在线自动化无损检测仪器等校准领域处于国内领先水平。作为国家冶金工业钢材无损检测中心挂靠单位，钢研纳克还承担对国内企业自动无损检测设备综合性能的测试、评价和认可业务。（3）自动/无损检测设备为冶金、石化、铁道、机械等行业的近200家企业上马建造了无缝钢管、焊管、钢棒、钢板、火车车轮等自动化超声、涡流、漏磁和磁粉探伤检测线或设备近500套。此外，还销售以涡流探伤仪、超声波探伤仪和电磁超声探伤仪为主的各类无损检测仪器1000余台。