软件波束成形在超声检测中的优势

相控阵探头的发展促进了超声成像方法在无损检测（NDT）领域的普及。

Published on 6 12 月, 2023

相控阵探头的发展促进了超声成像方法在无损检测（NDT）领域的普及。从时域多阵元数据重建空间图像的过程被称为波束成形。早期的测量超声信号的电子设备的数据吞吐量有限。为了减少返回计算机的数据量，波束成形操作通常由硬件完成。然而，硬件所能实现的操作数量和多样性相对有限，因此只能完成非常简单的波束成形。在大多数情况下，硬件中采用的是延时叠加（DAS）方法。该方法通过对信号进行适当的延迟并求和。但采用延时叠加方法重建的图像质量有限。例如，对于粗晶粒或高衰减材料的检测可能会变得非常困难。此外，图像还可能受到旁瓣、栅瓣或重建伪影的影响。如今，超声设备的性能越来越强大，可以实现快速的数据传输。现在已经能够将探头测量得到的完整射频数据传输到计算机。那么，为什么我们仍然局限于使用标准的延时叠加方法呢？

各种波束成形的方法

射频数据包含大量信息。显然存在比标准的延时叠加方法更有效的图像重建方式。由于计算机能够收集到完整的数据集，因此我们有更多的选择来重建图像。在确定检测策略时，我们可以针对具体的应用对采集到的原始数据进行后期处理以及测试。根据这些测试结果，我们可以选择其中一种或多种波束成形方法用于最终的工业检测。如果所选方法的计算时间与检测速度兼容，则可同时实时执行多个重建。除此之外，我们也可以选择只有在标准重建中检测到可疑情况时，才采用更先进、要求更高的技术。由此可见，软件波束成形的选择取决于计算时间和所需要的成像质量。随着计算机和图形处理器（GPU）处理能力的提高，计算时间在不断缩短。因此，新的波束成形方法可以快速集成到现有软件中，或用于处理历史存储数据，这使得成像质量也不断提高。

相干波束成形技术的最新发展

相干波束成形技术近年来开始受到欢迎，这是因为它往往只需要有限的额外计算成本就能提供较好的图像质量。与电子或材料噪声造成的非相干信号相比，延时叠加技术自然较突出来自反射体的相干信息。这或许可以被视为最简单的相干波束成形。相干波束成形的核心思想是与标准方法相比，加强相关求和。其原理是基于各种测量数值（如相位、正负符号、振幅）来评估接收信号的相干性，并将这些附加信息纳入相干求和中。过去十年中，已经有许多相干波束成形方法被开发出来。相位相干成像（PCI）是其中最受欢迎的一种，并在典型的无损检测挑战中表现出色，例如高温氢 致损伤（HTHA）缺陷的表征或裂纹的检测。图1展示了标准全聚焦法（TFM）重建与相位相干成像的对比。图2所示是在含有疲劳裂纹的钢材样品上采集的全矩阵捕获（FMC）数据。结果表明，相位相干成像在衍射回波上表现非常出色。

(a)	(b)

图1 ：裂纹的超声波图像。图像采用线性比例，并以最大裂纹振幅的50%进行归一化处理（粉色区域）。(a)：全聚焦成像重建。(b)：相位相干成像重建。

图2 ：包含疲劳裂纹的样品底部视图。

虽然相位相干成像可以实时应用，但与全聚焦成像相比，它仍然需要额外的计算来从数据中提取相位信息。在检测速度要求极快的情况下，需要计算资源较少的相干波束成形方法已经被开发出来。图3展示了使用平面波检测钢材样品腐蚀情况的示例。与全矩阵捕获相比，平面波的采集速度非常快，因此需要一种十分快速的重建方法。图中展示了一种振幅相干波束成形技术，其计算复杂度与标准延时叠加相似，因此可以实现数千赫兹的检测速度。这种方法在处理腐蚀样品上表现相当出色，对比度显著提高。

图3 ：腐蚀钢板的超声波图像。图像通过粉红色区域的最大值进行归一化，并以50 dB的动态对数刻度显示。(a)：平面波重建。(b)：采用幅度相干法重建。

有关超声波形的考虑

相干波束成形方法并未考虑在介质中传播的超声波波形。然而，当脉冲形状已知时，有许多不同的信号处理工具可帮助改善图像重建效果。例如，当缺陷信号嵌入噪声时，通过应用已知的交叉相关技术可以提高信噪比。图4展示了核工业中粗晶钢中机械加工缺陷检测的示例。该缺陷是一个直径为0.4毫米的横通孔，位于30毫米深度处。检测使用5MHz探头，并采用全矩阵捕获模式。与图4（a）中的标准全聚焦方法相比，图4（b）中考虑了超声波形的重建图像显示出更好的对比度。

(a)	(b)

图4 ：裂纹的超声波图像。图像采用线性比例，并以最大SDH振幅的80%进行归一化处理（粉色区域）。(a)：全聚焦方法重建。(b)：考虑脉冲形状的重建。

确实，考虑超声波波形需要额外的建模工作。这可以被视为一种在无损检测中常见的校准程序，在此过程中，波形可以通过已知反射体进行估计。这类技术还将受益于能够调制发射激发信号的最新一代超声设备。的确，采用更长的激发信号可以显著增加传递到介质中的能量，从而潜在提升信噪比。再次强调，这种交叉相关技术只是众多可能应用中的一个示例。基于对波形和传播模型的精确建模，还可以考虑使用反卷积技术来提高超声图像的分辨率。