引言

隨著可提供全聚焦方式（TFM）功能的檢測設備陸續進入到市場中，無損檢測（NDT）行業也在經歷著一個技術進步突飛猛進的重要時期。全聚焦方式（TFM）的出現標志著相控陣超聲檢測（PAUT）技術又向前邁出了重要的一步。然而，一些相控陣超聲檢測（PAUT）的從業人員可能仍然對全聚焦方式（TFM）及其與全矩陣捕獲（FMC）的關系，以及常規相控陣超聲檢測（PAUT）和全矩陣捕獲/全聚焦方式（FMC/TFM）處理之間的差異，感到困惑。這篇文章可使那些熟悉相控陣超聲檢測（PAUT）成像的檢測人員對全聚焦方式（TFM）成像有個基本的了解。

常規相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）的基本區別

在相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）檢測中，都使用一個多晶片探頭，在被測樣件中發射脈沖超聲波，并記錄回波隨著時間而變化的軌跡（波形）。然后，這些波形被合成處理，以生成被測樣件中反射體的圖像。超聲波圖像可被視為由眾多子圖像（被稱為幀）堆棧在一起而生成的圖像。例如：相控陣超聲檢測（PAUT）中的扇形掃描是由一系列以不同角度采集到的A掃描（波幅對應時間）堆棧而成。在扇形掃描的定義中，單個A掃描的作用相當于幀。相控陣超聲檢測（PAUT）策略就是以盡可能快的方式處理這些幀，并實時顯示和刷新總體圖像。常規相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）之間的基本差別在于信號采集和幀處理的策略不同。

常規相控陣超聲檢測（PAUT）成像

為了演示在相控陣超聲檢測（PAUT）中采集幀的過程，這里我們使用一個S掃描作為示例。S掃描由眾多單個的幀組成，這些幀對應于在工件中以不同角度采集到的A掃描。在采集過程中，一組晶片（被稱為孔徑）同時發射脈沖，并記錄下聲波的軌跡。延遲被應用到每個晶片，以使超聲聲束以所需的角度偏轉，并在工件中期望的深度處聚焦。這樣，每個幀就是由折射角度和聚焦深度而定義。因此，要采集的幀的總數量就是構成總體圖像的不同角度的數量。相控陣超聲檢測（PAUT）的優點是只需要完成有限的采集量。向被測材料中發射的聲束是不同單個發射器的聲學波幅“物理求和”的結果，而接收聲束則是由前端電子設備通過快速求和算法而獲得的合成聲束。因此，可以非常迅速地顯示通過相控陣超聲檢測（PAUT）方法獲得的圖像。相控陣超聲檢測（PAUT）的缺點是所有幀都在一個恒定的深度上聚焦。位于聚焦區域之外的反射體會顯得模糊不清，而且會比位于聚焦區域內的同等大小的反射體看起來更大些。全聚焦方式（TFM）技術可以解決這種顯示分辨率的問題。全聚焦方式（TFM）的基本概念是在多個不同深度的聚焦線上顯示波幅，換句話說就是不只在單一的深度線上聚焦，而是具有“隨處聚焦”的特點，因此可以為聚焦區域內的任何位置生成高度清晰的圖像。

如果使用相控陣超聲檢測（PAUT）采集策略（獲得每幀圖像需要一次采集）生成全聚焦方式（TFM）圖像，則所需的時間就會顯著增加。生成一個全聚焦方式（TFM）圖像所需的像素數量比生成一個S掃描所需的不同角度的數量高得多。例如：通過以100個不同角度進行掃查而獲得的一個S掃描需要100次采集，而由100 × 100像素構建的全聚焦方式（TFM）圖像則需要10000次采集。為了避免這個采集數量過多的問題，我們可以使用另一種采集策略，這種策略是在后處理過程中計算出幀。這種采集策略需要一組對應于每個像素位置的聚焦法則，以及被稱為全矩陣捕獲（FMC）的一組原始基礎波形。這樣一來，基礎波形會得到適當的延遲和求和處理，以在發射和接收過程中以合成方式生成超聲聲束，并在每個像素位置聚焦。因此，所生成的圖像具有“隨處聚焦”的特點。全矩陣捕獲（FMC）可以獲取探頭所有成對（發射-接收）單個晶片所生成的所有波形。一般來說，要使用探頭的整個孔徑，因為對于某種特定的探頭來說，這樣可以獲得尚佳聚焦結果。在這種情況下，獲得全矩陣捕獲（FMC）數據所需的采集數量等同于探頭晶片的數量。全矩陣捕獲（FMC）收集到有關探頭每個晶片之間聲束傳播的所有信息，包括被測材料表面的反射以及由缺陷引起的散射等信息。任何類型的相控陣超聲檢測（PAUT）圖像都可以使用全矩陣捕獲（FMC）數據重建，其中包括：扇形掃描、平面波成像（PWI）、動態深度聚焦（DDF）等。雖然全矩陣捕獲（FMC）生成圖像所需的采集數量與相控陣超聲檢測（PAUT）大致相同，但是要存儲單個全矩陣捕獲（FMC）數據集，卻需要很大的存儲容量、很寬的傳輸帶寬，以及很強的處理能力。取決于所用設備的電子器件，獲得全矩陣捕獲/全聚焦方式（FMC/TFM）結果的速度可能會比相控陣超聲檢測（PAUT）更慢。

以實驗案例說明相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）圖像的差異

為了說明相控陣超聲檢測（PAUT）和全聚焦方式（TFM）成像之間的差別，我們在此介紹一個使用線性相控陣（PA）探頭對鋼塊中垂直分布的幾個相同的橫通孔（SDH）進行掃查的設置。下面是OmniScan X3探傷儀使用相同的檢測配置獲得的相控陣超聲檢測（PAUT）S掃描（a）和全聚焦方式（TFM）圖像（b）。在S掃描中，每幀圖像都使用*的20毫米聚焦深度獲得（紅色虛線代表聚焦深度）。處于聚焦區域內的幾個橫通孔（SDH）以相似的波幅和大小出現在圖像中。與較短的聚焦深度相比，使用這種聚焦深度，可以獲得更大的具有優質圖像分辨率的區域，這也是圖中幾個橫通孔都清晰可見的原因。位于聚焦深度以外較遠的橫通孔的圖像會出現失真現象，且其波幅會大幅降低。因此要使所有橫通孔獲得更為一致的定量效果，需要使用不同的聚焦深度生成多個圖像。在全聚焦方式（TFM）圖像（b）中，超聲聲束在每個像素上聚焦。如您所見，圖像中的每個橫通孔（SDH）都很清晰鮮明，因此只需一個圖像就可以準確地定量分布在更大深度范圍內的橫通孔。不過，我們可以觀察到，位于電子聚焦能力所及的邊限處的橫通孔有橫向失真的現象。這種失真情況是相控陣成像固有的問題，因此也會出現在全聚焦方式（TFM）圖像中。探頭正在進行全矩陣捕獲（FMC）掃查比較相控陣超聲檢測（PAUT）掃描圖與全聚焦方式（TFM）圖像。

全聚焦方式/全矩陣捕獲（TFM/FMC）采集優勢特性的總結

全聚焦方式（TFM）和相控陣超聲檢測（PAUT）之間的主要區別在于構成圖像的幀的性質和數量不同。在相控陣超聲檢測（PAUT）中，幀是一些1維信號或A掃描。后處理工作只包含前端電子設備對信號的實時求和操作，而且在處理的同時，會采集并呈現幀（圖像）。與相控陣超聲檢測（PAUT）不同，全聚焦方式（TFM）的幀是來自每個像素坐標位置的聚焦聲束的0維度數據點。因此，要處理的全聚焦方式（TFM）的幀的數量遠多于相控陣超聲檢測（PAUT）的幀的數量。全聚焦方式（TFM）成像需要通過全矩陣捕獲（FMC）方式采集數據，以在后處理過程中以合成方式生成聚焦聲束。全聚焦方式（TFM）的主要優點是整個圖像都以尚佳分辨率顯示，而相控陣超聲檢測（PAUT）圖像僅在聲束的聚焦區域中具有較高的分辨率。在使用全聚焦方式（TFM）進行檢測時值得注意的局限性是相控陣成像技術所帶來的電子聚焦能力。