時(shí)間增益補(bǔ)償在超聲相控陣檢測(cè)中的應(yīng)用

郭瑞鵬，王海濤，徐　君，汪　文，趙大丹，龍絨蓉

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 南京 210016;2.煙臺(tái)富潤(rùn)實(shí)業(yè)有限公司， 煙臺(tái) 264002)

?

時(shí)間增益補(bǔ)償在超聲相控陣檢測(cè)中的應(yīng)用

郭瑞鵬1，王海濤1，徐君1，汪文1，趙大丹1，龍絨蓉2

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 南京 210016;2.煙臺(tái)富潤(rùn)實(shí)業(yè)有限公司， 煙臺(tái) 264002)

介紹了時(shí)間增益補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟恚瑫r(shí)提出了方差補(bǔ)償、閾值補(bǔ)償、余差補(bǔ)償三種不同的校正方法;采用此三種方法進(jìn)行成像顯示對(duì)比試驗(yàn),以補(bǔ)償因聲波信號(hào)衰減和能量傳輸引起的增益變化，從而改善相控陣的成像效果。結(jié)果表明，在超聲相控陣檢測(cè)中，三種補(bǔ)償方法均能有效提高缺陷的檢測(cè)率和分辨率，可增強(qiáng)檢測(cè)人員對(duì)被測(cè)件內(nèi)部缺陷判別的可靠性。

時(shí)間增益補(bǔ)償；方差補(bǔ)償；閾值補(bǔ)償；余差補(bǔ)償；缺陷分辨率

超聲波在介質(zhì)中傳播，由于波束擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收等原因，會(huì)出現(xiàn)能量逐漸衰減的現(xiàn)象[1]。同樣，相同反射系數(shù)的聲反射界面，由于深度的不同，相控陣換能器接收到的回波信號(hào)將不同[2]，于是也就不能真實(shí)地反映所檢測(cè)樣本的質(zhì)量情況。

相控陣的圖像顯示[3]是用顏色對(duì)波幅進(jìn)行編碼的，也就是通過(guò)顏色對(duì)超聲信號(hào)傳播不連續(xù)的嚴(yán)重程度進(jìn)行判定，所以將波幅拉得同樣高而顯示為統(tǒng)一的顏色，結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確。如果將近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的回波信號(hào)放大相同的倍數(shù)，容易使大小和結(jié)構(gòu)相同、深度不同的缺陷出現(xiàn)不同的圖像顯示，甚至出現(xiàn)漏檢的現(xiàn)象。筆者提出一種時(shí)間增益補(bǔ)償?shù)姆椒?，該方法根?jù)深度增加逐步調(diào)整放大器的增益，使得超聲波在傳播過(guò)程中的衰減情況得到相應(yīng)的補(bǔ)償[4]，從而得到更好的成像效果。

1　時(shí)間增益補(bǔ)償原理

超聲波在介質(zhì)中的衰減使得回波信號(hào)的幅度呈指數(shù)衰減[5]，如圖1所示。時(shí)間增益補(bǔ)償?shù)脑?，?shí)際上是采用一定的電壓曲線來(lái)控制放大器的增益，使不同深度下的超聲回波獲得不同的放大倍數(shù)。文章通過(guò)一種信號(hào)處理的方式，對(duì)信號(hào)進(jìn)行后期處理，以補(bǔ)償材料衰減和聲束擴(kuò)散衰減，如圖2所示，由此可極大地增強(qiáng)對(duì)整個(gè)被測(cè)樣本體積中的缺陷檢測(cè)和顯示的性能。

圖1　超聲波聲強(qiáng)、聲壓隨聲波傳播距離的衰減

圖2　時(shí)間增益補(bǔ)償作用原理及補(bǔ)償后聲壓隨聲波傳播距離的變化

相控陣成像是通過(guò)控制陣列換能器中各個(gè)陣元激勵(lì)或接收脈沖的時(shí)間延遲，通過(guò)合成聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)等形成成像掃描線[6]。相控陣圖像以二維彩圖形式顯示，顏色可根據(jù)數(shù)值(與回波幅值大小成正比)的大小調(diào)整，故圖像結(jié)果直接受到數(shù)據(jù)對(duì)比度的影響。時(shí)間增益補(bǔ)償是超聲波信號(hào)處理中增益控制的一種常用方式，可使得不同深度下的超聲回波獲得不同的放大倍數(shù)，從而得到相同的增益。筆者在分析TCG(時(shí)間校正增益)曲線[7-8]的基礎(chǔ)上,提出了時(shí)間增益補(bǔ)償方法，并采用方差補(bǔ)償、閾值補(bǔ)償、余差補(bǔ)償三種不同的方法進(jìn)行成像顯示對(duì)比試驗(yàn)。

圖3　圓形直探頭的聲壓衰減示意

1.1方差補(bǔ)償法

采用鋁板作為樣本，縱波聲速為6320 m·s-1，相控陣探頭為16陣元的陣列換能器，陣元高度9 mm，陣元間距0.05 mm，采樣頻率50 MHz，從-40°到40°每隔1°進(jìn)行S掃查。時(shí)間增益補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)關(guān)鍵是要確定被檢測(cè)樣本的衰減規(guī)律，然后根據(jù)此衰減曲線來(lái)確定合適的補(bǔ)償曲線。圖3是圓形直探頭的聲壓衰減曲線，從中可看出，超聲信號(hào)在50～100 mm處聲波能量迅速下降，衰減加劇，從而嚴(yán)重影響后期對(duì)回波信號(hào)的處理，容易造成成像的缺失，此時(shí)就需要有一個(gè)很好的補(bǔ)償機(jī)制來(lái)解決這一問(wèn)題。

TCG曲線可通過(guò)用相關(guān)原理推算(需要衰減系數(shù))；或者通過(guò)實(shí)際采集超聲回波信號(hào)來(lái)制定，對(duì)于同一檢測(cè)對(duì)象具有相同尺寸、不同深度時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的回波信號(hào)。選取單點(diǎn)聚焦發(fā)射單點(diǎn)聚焦接收時(shí)采集得到一組回波數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是同一類(lèi)型缺陷在不同深度下的回波數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行取包絡(luò)、歸一化等處理后即可得到一條標(biāo)準(zhǔn)線，如圖4所示。

圖4　某類(lèi)型缺陷在不同深度下的回波數(shù)據(jù)的時(shí)間補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖5　缺陷回波數(shù)據(jù)(對(duì)應(yīng)于圖4)的時(shí)間增益方差補(bǔ)償

對(duì)圖4所示的缺陷回波數(shù)據(jù)，用Matlab仿真能得到每點(diǎn)的信號(hào)增益和校正增益間的方差值，如圖5(a)所示，可以看出有缺陷處的方差極小且穩(wěn)定在0～1.4×10-9間;根據(jù)這些方差值，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間增益補(bǔ)償，如圖5(b)所示。

分析圖5可知，方差數(shù)據(jù)和回波信號(hào)中所帶的缺陷信息是相關(guān)聯(lián)的，此方法可彌補(bǔ)由成像對(duì)比度造成的缺陷漏檢情況。缺陷信號(hào)未補(bǔ)償與方差補(bǔ)償后的成像對(duì)比示例如圖6所示，在同等試驗(yàn)條件下，第一幅圖，在坐標(biāo)(-20，30)、(-5、40)、(10，50)處出現(xiàn)了體積缺陷，但是(20，60)處的缺陷只顯示了一小部分缺陷信息；經(jīng)過(guò)時(shí)間增益補(bǔ)償之后，如圖6(b)所示，坐標(biāo)(20，60)處的缺陷就顯示出來(lái)了，可見(jiàn)時(shí)間增益補(bǔ)償可以提高圖像的缺陷檢出率和分辨率。

圖6　缺陷信號(hào)未補(bǔ)償成像與方差補(bǔ)償后成像對(duì)比示例

1.2閾值補(bǔ)償法

時(shí)間增益補(bǔ)償是采用補(bǔ)償增益的方法來(lái)補(bǔ)償回波信號(hào)的增益的，由此引發(fā)了最簡(jiǎn)單的閾值校正，即只需在原來(lái)的基礎(chǔ)上，加一個(gè)合適的閾值就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的補(bǔ)償。圖6中點(diǎn)(-10,40)處缺陷的閾值數(shù)據(jù)如圖7所示,在圖中的數(shù)據(jù)圖里(取圖6中點(diǎn)(-10,40)處的一個(gè)缺陷)，可以很清楚地看出缺陷的大小形狀信息。

閾值補(bǔ)償法無(wú)需任何其他數(shù)據(jù)依據(jù)，在數(shù)據(jù)成像之前進(jìn)行補(bǔ)償，即能達(dá)到補(bǔ)償?shù)男Ч?，從而提高圖像的缺陷分辨率，如圖8所示。試驗(yàn)表明，閾值補(bǔ)償法可以得到理想的成像效果，由圖8(b)可清楚地看到未補(bǔ)償時(shí)(圖8(a))漏顯的坐標(biāo)(20，60)處的缺陷。

圖7　圖6中點(diǎn)(-10,40)處缺陷的閾值數(shù)據(jù)

1.3余差補(bǔ)償法

時(shí)間增益補(bǔ)償?shù)脑砭褪且沟猛蝗毕菰谕粰z測(cè)樣品上得到的增益相同，余差補(bǔ)償法同樣可以實(shí)現(xiàn)這一補(bǔ)償功能。同一缺陷在同一檢測(cè)條件下,由于信號(hào)衰減得到的回波數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后形成的曲線(未補(bǔ)償)及補(bǔ)償后的曲線如圖9所示。

缺陷信號(hào)未補(bǔ)償與余差補(bǔ)償后的成像對(duì)比如圖10所示，未補(bǔ)償時(shí)，在坐標(biāo)(0，30)、(0，40)處分別出現(xiàn)了較清晰的缺陷，坐標(biāo)(0，50)處的缺陷較模糊;從經(jīng)過(guò)余差補(bǔ)償法補(bǔ)償之后的圖像,可清楚地看出坐標(biāo)(0，50)處的缺陷，甚至坐標(biāo)(0，60)處也出現(xiàn)了缺陷，這與實(shí)際的試驗(yàn)缺陷相符合。由此可見(jiàn)，余差補(bǔ)償法也可以很好地實(shí)現(xiàn)時(shí)間增益補(bǔ)償，使得缺陷信息完整地體現(xiàn)出來(lái)，有助于檢測(cè)人員對(duì)缺陷的判別。

圖8　缺陷信號(hào)聲壓歸一化處理后的閾值補(bǔ)償前后的成像對(duì)比示例

圖9　缺陷回波數(shù)據(jù)的未補(bǔ)償與余差增益補(bǔ)償后的曲線示例

1.4三種補(bǔ)償法的比較

上述三種補(bǔ)償法都能實(shí)現(xiàn)時(shí)間增益補(bǔ)償，提高缺陷的檢出率和分辨率進(jìn)而改善圖像的成像效果，但是三者的成像效果還是有所區(qū)別的。選取標(biāo)準(zhǔn)船型鋁試塊上的幾個(gè)垂直缺陷，對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)為(0，30)、(0，40)、(0，50)、(0，60)，增益選取為10 dB，通過(guò)三種補(bǔ)償法得到的成像如圖11所示。從圖中可清楚地看出，余差補(bǔ)償后可以較清楚地辨別4個(gè)缺陷，而閾值補(bǔ)償和方差補(bǔ)償只能呈現(xiàn)3個(gè)缺陷；在第三個(gè)缺陷的成像上,閾值補(bǔ)償?shù)男Ч直确讲钛a(bǔ)償?shù)暮?。由此可?jiàn)，在相同的較小增益下，余差補(bǔ)償?shù)男Ч詈?。但是，?dāng)增益增大至35 dB時(shí),與之前的10 dB增益相比，圖像會(huì)產(chǎn)生偽像[9]，且不同的補(bǔ)償法受到偽像的影響不同,如圖12所示。由圖12可看出,方差補(bǔ)償和閾值補(bǔ)償法使得圖像顯示的橫向分辨率低下，導(dǎo)致橫向結(jié)構(gòu)粘連、圖像模糊；而余差補(bǔ)償法產(chǎn)生的偽像現(xiàn)象最小。

圖10　缺陷信號(hào)未補(bǔ)償成像與余差補(bǔ)償后成像對(duì)比示例

圖11　標(biāo)準(zhǔn)船型鋁試塊垂直缺陷(增益10 dB)的三種方法成像效果比較

圖12　標(biāo)準(zhǔn)船型鋁試塊垂直缺陷(增益35 dB)的三種方法成像效果比較

2　結(jié)語(yǔ)

超聲相控陣聲束的形成與晶片延遲和晶片組合的變化有關(guān)，因此應(yīng)盡可能使來(lái)自每個(gè)聚焦法則的波幅響應(yīng)趨于一致。因?yàn)檫@樣既可補(bǔ)償陣列探頭中晶片與晶片之間靈敏度的差異，又可補(bǔ)償在不同折射角度上楔塊衰減和能量傳輸效率的不同。在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，時(shí)間增益補(bǔ)償既可以補(bǔ)償增益的變化，提高圖像的缺陷檢測(cè)率和分辨率，同樣可補(bǔ)償信號(hào)的衰減，雖然某種程度上引起了圖像的變形，但是可以增加后續(xù)數(shù)據(jù)采集部分的動(dòng)態(tài)范圍，更有利于對(duì)缺陷的檢測(cè)。

[1]董志勇，胡金榜.超聲波衰減系數(shù)法評(píng)估材料損傷的研究[J].化工機(jī)械,2007，34(3):139-143.

[2]萬(wàn)明習(xí).生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)[M]．北京：科學(xué)出版社，2010.

[3]楊先明，郭艷，王海濤,等.超聲相控陣成像仿真系統(tǒng)研制[C]∥遠(yuǎn)東無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)論壇.濟(jì)南:[出版者不詳],2013.

[4]MEENA D, LGM P. FPGA based real time solution for sensitivity time control[C]∥4th IEEE International Symposium on Electronic Design, Test and Applications.Hong Kang,[s.n],2008: 244-248.

[5]馮若.超聲診斷設(shè)備原理與設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)醫(yī)藥科技出版社,1992.

[6]施克仁.相控陣超聲成像檢測(cè)[M]. 北京:高等教育出版社,2010.

[7]郭永清，馬小懷，盧輝，等.DAC/TCG曲線在大直徑鈦合金棒材超聲檢測(cè)中的應(yīng)用[J].裝備制造,2010,10(1):50-54.

[8]張長(zhǎng)春.具有TVG功能的探地雷達(dá)接收機(jī)技術(shù)研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2012,35(6):45-49.

[9]史振.超聲相控陣成像檢測(cè)技術(shù)的研究[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2012.

The Application of Time Gain Compensation in the Phased-array Defect Detection

GUO Rui-peng1, WANG Hai-tao1, XU Jun1, WANG Wen1, ZHAO Da-dan1, LONG Rong-rong2

(1.College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautic and Astronautics, Nanjing 210016, China;2.Yantai Furun Industrial Company with Limited Liability, Yantai 264002, China)

This paper introduces the working principle of time gain compensation and three different algorithms to realize time gain compensation, variance compensation, threshold compensation and residual compensation, which can compensate for changes of the gain due to signal attenuation and the energy transmission, so as to improve imaging effect of phased array. It was proved that these three kinds of compensation methods were effective to improve the defect detection rate and image resolution. Accordingly, the time gain compensation makes the detection of internal defects more reliable for inspectors.

Time gain compensation; Variance compensation; Threshold compensation; Residual compensation; Defect resolution

2015-05-28

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(201510068);國(guó)家安監(jiān)局關(guān)鍵技術(shù)資助項(xiàng)目(山東0143-2014AQ)

郭瑞鵬(1981-),女,博士,講師,主要從事相控陣、激光超聲研究工作。

10.11973/wsjc201512007

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0028-05