章東，桂杰，周哲海

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超聲相控陣全聚焦無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述

章東1，桂杰2，周哲海1

(1. 生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)及儀器北京實(shí)驗(yàn)室，北京信息科技大學(xué)，北京 100192；2. 北京聚利科技股份有限公司，北京 100096)

超聲相控陣全聚焦成像技術(shù)基于接收信號(hào)后處理的思想，對(duì)檢測(cè)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析成像，是超聲檢測(cè)領(lǐng)域里的一項(xiàng)新技術(shù)。因其成像分辨率高、覆蓋面廣、對(duì)小缺陷靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、高鐵、石油管道、核電站等工業(yè)領(lǐng)域已有初步應(yīng)用。文章介紹了全聚焦成像技術(shù)的檢測(cè)原理及優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了其國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程，總結(jié)了研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)。

超聲相控陣；全聚焦成像；發(fā)展；應(yīng)用

0 引言

超聲檢測(cè)技術(shù)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中一項(xiàng)成熟并運(yùn)用廣泛的檢測(cè)技術(shù)?，F(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)是對(duì)復(fù)雜工件表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的性質(zhì)進(jìn)行檢查與測(cè)試。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)因其探傷靈敏度高、周期短、成本低、對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用于現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)行業(yè)中。而超聲相控陣技術(shù)是通過(guò)改變超聲波到達(dá)物體內(nèi)部的相位關(guān)系、使聲束發(fā)生聚焦偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的波束掃描并得到內(nèi)部成像。超聲相控陣技術(shù)能夠在很大程度上改善檢測(cè)的靈敏度、覆蓋范圍和精度等要求，可以得到高分辨率的裂紋、焊縫等缺陷的圖像。近年來(lái)，相控陣技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、鐵路、建筑、石油管道等工業(yè)領(lǐng)域中。

常規(guī)的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)聚焦延時(shí)算法，對(duì)聲束進(jìn)行合成，實(shí)現(xiàn)聲束聚焦、偏轉(zhuǎn)，形成一系列掃描線，對(duì)檢測(cè)物體進(jìn)行掃描。這種方法由于掃描聲束有限，即聚焦點(diǎn)數(shù)一定，導(dǎo)致在聚焦點(diǎn)及附近位置成像效果較好，遠(yuǎn)離焦點(diǎn)位置的成像分辨率降低，無(wú)法得到精確的成像結(jié)果。為了得到能夠定性定量分析的檢測(cè)圖像，將獲得的相控陣超聲陣列的數(shù)據(jù)信息通過(guò)全聚焦成像算法(Total Focusing Method, TFM)處理，可使全矩陣數(shù)據(jù)集有效地聚焦到成像平面的每一像素點(diǎn)，所得到的圖像分辨率和質(zhì)量有了極大提高。全聚焦成像算法基于接收信號(hào)后處理的思想，對(duì)檢測(cè)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析成像，是一種非實(shí)時(shí)的檢測(cè)方法，具有比當(dāng)前常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)更高的缺陷成像能力[1]。該算法可實(shí)現(xiàn)常規(guī)相控陣技術(shù)無(wú)法探測(cè)的尺寸為半波波長(zhǎng)的缺陷，能精確地判斷缺陷的類型、大小和位置。圖1為對(duì)直徑0.5(為波長(zhǎng))的圓孔缺陷的全聚焦成像[2]。其使用的是線陣換能器，中心頻率為5 MHz，陣元數(shù)為32，陣元中心間距為0.6 mm。被檢物體的材質(zhì)為鋼，圖中黑色圓標(biāo)記處為實(shí)際缺陷位置及大小。超聲相控陣全聚焦成像技術(shù)因其成像優(yōu)勢(shì)及工業(yè)領(lǐng)域?qū)z測(cè)要求的提高，已逐漸得到研究者們的重視并初步運(yùn)用到工業(yè)領(lǐng)域中。

本文介紹了全聚焦成像技術(shù)的檢測(cè)原理及優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了其國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展歷程，對(duì)近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)、難題及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)。

1 相控陣全聚焦成像檢測(cè)原理及優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 全矩陣數(shù)據(jù)采集理論

在用全聚焦成像算法處理回波數(shù)據(jù)前，需通過(guò)全矩陣數(shù)據(jù)采集(Full Matrix Capture, FMC)獲取數(shù)據(jù)信號(hào)[1]。

圖2 全矩陣數(shù)據(jù)采集的定義

表1 采集的全矩陣數(shù)據(jù)

1.2 全聚焦成像算法

全聚焦成像算法(TFM)是把全矩陣數(shù)據(jù)集聚焦到檢測(cè)圖像的每一點(diǎn)上，利用超聲回波的幅值數(shù)得到圖像的灰度值，實(shí)現(xiàn)物體的成像[3]。對(duì)于常規(guī)的矩形試塊，建立如圖3所示的全聚焦成像算法原理圖。超聲陣列換能器通過(guò)機(jī)油耦合于試塊上，以試塊表面中心點(diǎn)為原點(diǎn)，橫軸沿試塊表面長(zhǎng)度方向，縱軸沿試塊高度方向。將檢測(cè)區(qū)域分割成一定數(shù)量的像素點(diǎn)，如圖2中圓點(diǎn)所示。這些像素點(diǎn)就是聲束聚焦點(diǎn)，以點(diǎn)(,)為例，為得到該點(diǎn)的超聲回波幅度值，將全矩陣數(shù)據(jù)集的所有信號(hào)在該點(diǎn)處進(jìn)行疊加。該點(diǎn)幅值(,)可表示為[4]

對(duì)圖像的每一個(gè)聚焦點(diǎn)都按照上式進(jìn)行疊加，算出每個(gè)像素點(diǎn)的幅值，利用這些幅值信息即可得到試塊的二維圖像。

圖3 全聚焦成像算法原理圖

1.3 全聚焦成像算法的優(yōu)缺點(diǎn)

常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)聚焦點(diǎn)數(shù)為有限個(gè)，導(dǎo)致在成像區(qū)域內(nèi)焦點(diǎn)附近成像效果好，其他位置成像分辨率降低。而全聚焦成像算法是一種發(fā)射、接收都采用多點(diǎn)聚焦的檢測(cè)方法，其將成像區(qū)域內(nèi)分割為多個(gè)網(wǎng)格，對(duì)每一網(wǎng)格都進(jìn)行聚焦，成像結(jié)果更加均勻平滑。有研究結(jié)果表明，在一種稱為陣列換能器性能指示器(Array performance indicator, API)的評(píng)價(jià)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)下，TFM的成像質(zhì)量?jī)?yōu)于常規(guī)相控陣超聲成像方法。有學(xué)者甚至將TFM稱為相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)中的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”算法[4]。

然而，該算法在實(shí)際檢測(cè)中仍有缺陷。由于采集數(shù)據(jù)量龐大，其在實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)困難較大。影響TFM檢測(cè)效率的因素有陣列陣元數(shù)目、成像區(qū)域大小、脈沖重復(fù)頻率、每個(gè)像素點(diǎn)聚焦所需時(shí)間等。隨著陣元數(shù)目的增加，全矩陣采集數(shù)據(jù)集的維度增加，是導(dǎo)致計(jì)算效率變低的主要因素[5]。有數(shù)據(jù)表明[6]，使用一維64陣列的換能器檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間達(dá)10 min以上。

2 全聚焦成像技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外研究及應(yīng)用超聲全聚焦成像技術(shù)較為深入的國(guó)家主要有英國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、加拿大等。全聚焦成像技術(shù)是由英國(guó)Bristol大學(xué)的Caroline Holmes等[7]在2005年首次提出，利用來(lái)自超聲換能器所有的發(fā)射-接收陣元信號(hào)進(jìn)行全聚焦成像算法處理，使用該算法與線性B掃、聚焦B掃兩種成像方式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)TFM算法對(duì)小缺陷有更高的敏感性并檢查覆蓋率更大。表2為三種算法對(duì)厚度為50 mm鋁板的檢測(cè)結(jié)果比較，可以發(fā)現(xiàn)TFM算法的超聲陣列性能指標(biāo)(Array Performance Indicator, API)參數(shù)最小且信噪比有較高提升。但同時(shí)該算法獲取數(shù)據(jù)的信息量龐大，處理速度大大降低。針對(duì)數(shù)據(jù)處理速度問(wèn)題，Alan J. Hunter等[1]在該算法基礎(chǔ)上提出了利用傅里葉變換方法的波數(shù)成像算法，該算法使處理速度提高了數(shù)倍，并發(fā)現(xiàn)其對(duì)彎曲表面的不均勻材料有很好的成像結(jié)果。但其選取的頻域插值對(duì)成像的質(zhì)量有很大的影響。在實(shí)際檢測(cè)中波數(shù)成像算法的運(yùn)用還比較少。Ludovic Moreau等[8-9]提出了使用稀疏陣列來(lái)減少數(shù)據(jù)捕獲的持續(xù)時(shí)間，使用該方法有兩個(gè)影響成像精度的因素：陣元與成像位置的距離和角度，其對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)角度小的位置成像更清晰。Jie Zhang等[10-11]定量分析了陣列換能器參數(shù)對(duì)全聚焦成像的影響。Jie Zhang等[12]又討論了如何使用裂紋缺陷的散射系數(shù)來(lái)獲取缺陷的形狀、大小及方向。由散射系數(shù)得到的缺陷精度誤差控制在10% 以內(nèi)。

表2 三種不同方法的處理結(jié)果

近幾年研究中，Mark Sutcliffe等[13]和Mickael Njiki等[14]分別在2012年和2013年提出了通過(guò)PC架構(gòu)與圖形處理單元并行化，加快了全聚焦成像算法的處理速度。Ewen Carcreff等[15]使用TFM的標(biāo)準(zhǔn)法和遷移法對(duì)含有側(cè)鉆孔的鋁塊進(jìn)行了檢測(cè)和比較。檢測(cè)結(jié)果表明遷移方法具有更高的信噪比和較少的衍射偽像。Theodosia Stratoudaki等[16]提出了激光超聲波運(yùn)用在全聚焦成像檢測(cè)中。將該方法檢測(cè)鋁試塊時(shí)，可以檢測(cè)到20 mm深度的缺陷，顯著提高了空間分辨率和缺陷檢測(cè)能力。Ameni Aschy等[17]開(kāi)展使用TFM法對(duì)碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的檢測(cè)，提出超聲縱波的衰減和散射噪聲會(huì)造成缺陷位置誤差。Jie Zhang等[18]使用多視圖全聚焦成像方法區(qū)分小體積缺陷和平面裂紋缺陷，精確表征缺陷類型。全聚焦成像技術(shù)也初步被國(guó)外商業(yè)開(kāi)發(fā)，法國(guó)M2M公司研發(fā)出全聚焦成像設(shè)備Multi2000，實(shí)現(xiàn)了全矩陣數(shù)據(jù)采集并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行成像。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)高校及研究所對(duì)超聲相控陣全聚焦成像技術(shù)的研究起步較晚，但在某些方面也取得了顯著成果。北京航天航空大學(xué)的周正干等[19]針對(duì)在有楔塊的情況下，超聲在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生衰減，通過(guò)對(duì)聲束指向性、投射和擴(kuò)散三個(gè)方面計(jì)算衰減校準(zhǔn)系數(shù)，提出改進(jìn)算法并得到能量更加均勻的成像結(jié)果。文獻(xiàn)[20]提出了一種用36°斜塊對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行TFM檢測(cè)的方法。該方法表明TFM具有更高的分辨率和更強(qiáng)的識(shí)別能力，可以分辨比常規(guī)相控陣更小的目標(biāo)。天津大學(xué)的張昊等[21]提出了基于線陣列換能器的全聚焦三維成像。其使用全聚焦成像算法對(duì)每一斷層進(jìn)行成像，再將每個(gè)斷層按實(shí)際位置連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)三維成像。圖4是對(duì)高度14 cm、寬度9 cm、厚度3 cm、材質(zhì)為鋼的試塊缺陷的三維成像[21]。其使用的是16陣元的線陣換能器，中心頻率為3.5 MHz，陣元中心間距為1.6 mm。在實(shí)際應(yīng)用方面，廣東汕頭超聲電子股份有限公司使用已有的相控陣設(shè)備進(jìn)行了全矩陣數(shù)據(jù)采集，并編寫TFM算法程序，實(shí)現(xiàn)了使用橫波對(duì)對(duì)接平板焊縫未融合缺陷的檢測(cè)[22]。

圖4 缺陷的三維成像

綜上可知，國(guó)內(nèi)外高校、研究所及商業(yè)領(lǐng)域已廣泛開(kāi)展對(duì)超聲相控陣全聚焦成像技術(shù)的研究，并取得了一些成果。

3 超聲相控陣全聚焦成像技術(shù)的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

超聲相控陣全聚焦成像技術(shù)雖然已取得了一些研究成果，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在很多問(wèn)題，在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用較少。目前，對(duì)于全聚焦成像技術(shù)的研究主要集中在成像精度、對(duì)缺陷的定性定量分析、三維成像、實(shí)時(shí)化成像、針對(duì)不同檢測(cè)對(duì)象的檢測(cè)方法的研究及數(shù)據(jù)處理等方面。下面將簡(jiǎn)單介紹目前三個(gè)研究熱點(diǎn)及全聚焦成像技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 缺陷散射對(duì)全聚焦成像算法的影響

利用全聚焦方法實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的關(guān)鍵是獲取缺陷散射的主要能量，全聚焦成像主要是利用位于正反射區(qū)域內(nèi)的缺陷散射信息[20]，而且相控陣傳感器只能接收到部分的散射信息，很難獲取到透射區(qū)域的散射信息，這直接影響了全聚焦成像的精度及缺陷的定性定量分析，不能從成像結(jié)果上判別缺陷的類型及尺寸[2]。在實(shí)際檢測(cè)中缺陷類型未知的情況下，從全聚焦成像結(jié)果中只能獲得較好的缺陷檢出率，不能對(duì)缺陷類型有精確的判斷，靠近傳感器的缺陷能量高，遠(yuǎn)離傳感器的缺陷能量低，導(dǎo)致成像結(jié)果與缺陷本身有誤差。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲換能器只能采集到部分缺陷散射信息，全散射信息無(wú)法得到，導(dǎo)致全聚焦成像分辨率不高。檢測(cè)裂紋時(shí)，缺陷散射會(huì)導(dǎo)致傳感器不能采集到與聲波入射方向夾角小的裂紋的散射主能量，使得裂紋長(zhǎng)度方向與聲波入射方向的夾角越小，全聚焦成像對(duì)裂紋的分辨力越低[23]。所以盡量多地獲取缺陷散射的主要能量是改善全聚焦成像精度、實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷準(zhǔn)確定性定量分析的關(guān)鍵，也是缺陷定性定量分析的發(fā)展方向。

3.2 基于全聚焦成像的三維成像技術(shù)

隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)o(wú)損檢測(cè)技術(shù)要求的提高，二維檢測(cè)圖像已無(wú)法滿足人們的需求。二維檢測(cè)圖像只能識(shí)別被檢試塊的某一截面，不能探測(cè)缺陷的深度和空間位置。為此，眾多研究者對(duì)三維成像進(jìn)行了深入研究。

近幾年來(lái)，實(shí)現(xiàn)三維成像的方法是使用二維面陣相控陣探頭對(duì)物體進(jìn)行檢測(cè)。該方法的聚焦偏轉(zhuǎn)法則非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)量龐大，需要使用硬件系統(tǒng)強(qiáng)大的超聲相控陣系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，這樣不僅增加了成本而且硬件系統(tǒng)非常笨重、不便攜[24-26]。因此該方法的應(yīng)用仍不普遍。眾多研究者將斷層掃描法和超聲相控陣成像技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲三維成像。Sun等[27]設(shè)計(jì)了基于64陣元的線陣換能器的三維掃描成像系統(tǒng)，通過(guò)沿垂直于切片方向移動(dòng)探頭，在切片上進(jìn)行電子掃查，獲取斷層B掃查圖像再按照實(shí)際位置疊加，可以實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷的三維成像。而這類電子掃查聚焦點(diǎn)數(shù)有限，導(dǎo)致切片上的成像分辨率低，降低了三維成像的效果。若每層切片采用全聚焦成像算法，則大大改善了成像分辨率及信噪比?；跀鄬訏呙韬腿劢钩上竦某曄嗫鼐€陣三維成像方法[28]，實(shí)現(xiàn)了缺陷的高質(zhì)量三維成像，是目前的研究重點(diǎn)之一。

3.3 實(shí)時(shí)化成像

相控陣全聚焦成像算法是基于接收信號(hào)后處理的思想，對(duì)超聲回波進(jìn)行離線分析，導(dǎo)致其無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)評(píng)價(jià)。由于該算法采樣數(shù)據(jù)量大、成像網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)多、硬件處理速度有限等因素導(dǎo)致實(shí)時(shí)成像困難。在線反饋檢測(cè)結(jié)果是工業(yè)檢測(cè)的必然要求。近年來(lái)，Zheng Fan及Mickael Njiki等學(xué)者致力于從硬件方面加快數(shù)據(jù)處理速度，將GPU加速、并行計(jì)算、多線程采集、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field- programmable Gate Array, FPGA)等現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與相控陣全聚焦成像技術(shù)相融合[29-30]，初步實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)成像。實(shí)現(xiàn)全聚焦成像算法的實(shí)時(shí)化對(duì)工業(yè)領(lǐng)域有著重要意義。

4 結(jié)論

超聲相控陣全聚焦成像算法最大程度地利用了超聲回波信號(hào)并對(duì)檢測(cè)平面上的每一像素點(diǎn)聚焦，得到分辨率和信噪比都較好的超聲成像。相較于常規(guī)相控陣檢測(cè)，超聲相控陣有著高效性、靈活性、對(duì)小缺陷靈敏度更高等優(yōu)點(diǎn)而引起廣泛關(guān)注。近年來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理、FPGA、計(jì)算機(jī)等技術(shù)水平的快速提高，給全聚焦成像技術(shù)帶來(lái)了更多的發(fā)展，為把算法運(yùn)用到實(shí)際工業(yè)檢測(cè)中提供了無(wú)限的可能。目前，全聚焦成像算法已初步應(yīng)用于鐵路、航天航空、石油、核電站等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，在生產(chǎn)質(zhì)量檢測(cè)、設(shè)備使用及安全性能評(píng)估方面發(fā)揮著重要的作用，其廣闊的應(yīng)用前景將推動(dòng)它朝著實(shí)時(shí)化、智能化、便攜式的方向發(fā)展。

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Effect of low-frequency pulsed ultrasound on recovery ofskeletal musclefatigue in rats

LEI Ji-ying, YANG Xue-bing, WANG Chun-ning, SONG Lin-zhe, GUO Jian-zhong

(Shaanxi Province Key Laboratory of Ultrasound, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, Shaanxi, China)

The effect of low frequency pulsed ultrasound on the recovery of skeletal muscle fatigue is studied by establishing the exercise fatigue model in rats. The correlation between low frequency pulsed ultrasound and recovery of skeletal muscle fatigue in rats is investigated by analyzing physical (weight) and biochemical (CK, BUN, MDA, CRE and calcium) indexes of muscle tissue. The results show that the CK value and BUN value in the serum of the rats are more than those in the fatigue group (FG) after ultrasonic irradiation, and the body weight increases in a certain range. Preliminary experiments show that low-frequency pulsed ultrasound has a certain promoting effect on reliving muscle fatigue.

ultrasound treatment; muscle fatigue; motion fatigue model

TB559

A

1000-3630(2018)-04-0316-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.04.004

2017-12-04;

2018-02-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(11574192、11727813)資助項(xiàng)目

雷極英(1993－), 女, 山西太原人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)超聲。

郭建中,E-mail: guojz@snnu.edu.cn

A review of total focusing method for ultrasonic phased array imaging

ZHANG Dong1, GUI Jie2, ZHOU Zhe-hai1

(1. Beijing Key Laboratory for Optoelectronic Measurement Technology, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China;2. Beijing Juli Science & Technology Co., Ltd, Beijing 100096, China)

Total Focusing Method (TFM) for ultrasonic phased array imaging is a new technique in ultrasonic detection. It is based on the idea of echo data off-line analysis for post-processing of received signals. Because of its high imaging resolution, wide coverage, high sensitivity to small defects and so on, this technique has been preliminarily applied in the fields of aerospace, high speed railway, oil pipelines, nuclear power plants and others. This paper introduces the detection principle, advantages and disadvantages of the total focusing method for ultrasonic phased array imaging, summarizes the development situation at home and abroad, and sums up the research hotspots and the development tendency.

ultrasonic phased array; total focusing method; development; application

TB559

A

1000-3630(2018)-04-0320-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.04.005

2017-08-04;

2017-11-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61475021、61108047)、北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(4152015)

章東(1992－), 女, 安徽安慶人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)槌曄嗫仃嚈z測(cè)技術(shù)。

周哲海,E-mail:zhouzhehai@bistu.edu.cn