双全法(FMC+TFM)相控阵成像检测技术上篇之优势及其采集成像替代法

双全法即全矩阵捕获(FMC)和全聚焦法(TFM)，该方法现在已有两项最新的国际标准，即ISO 23865:2021《无损检测超声检测全矩阵捕获/全聚焦法和相关技术的一般用法》和ISO 23864:2021《焊缝无损检测超声检测自动全聚焦法和相关技术的使用》。

两项标准均由国际焊接学会(IIW)第Ⅴ委员会制定，由国际标准化组织(ISO)于2021年初正式发布。

为了让大家更加深入透彻的了解这种新方法，本文对双全法相较于常规相控阵超声检测(PAUT)技术的优势，以及可替代的数据采集成像技术进行介绍。

双全法与常规PAUT的比较
常规
相控阵超声成像检测技术只能显示缺陷的近似形貌，其与实际缺陷形貌相差甚远。

在最新的相控阵设备中，可将全矩阵捕获的采集过程与全聚焦法的重建算法相结合，实现缺陷的实时重建，有助于焊接缺陷的表征。

常规PAUT和双全法的主要操作流程如下图所示。

图1 常规PAUT与双全法的主要操作流程
双全法相较于常规PAUT的优点
双全法
常规PAUT
聚焦：
可聚焦于区域中所有的点(由高分辨率网格定义) 声束可聚焦到限定位置
双全法应用：缺陷定量
空间分辨率：
TFM图像中，所有点均可获得最优的分辨率。

点状反射体间距大于网格分辨率时，显像良好
非聚焦声束的空间分辨率较差，其主要目的是检出缺陷，而非定量；聚焦声束在聚焦区域有良好的空间分辨率
双全法应用：缺陷定量；表征缺陷性质
对缺陷入射角、缺陷几何特征的相对不灵敏性：
成像由阵元多次发-收波程求和而得，对缺陷方向相对不灵敏
声束有一定的指向性，缺陷响应取决于入射角
双全法应用：提高焊缝及邻近定向缺陷(裂纹类面型缺陷)的检出率；提高点状腐蚀的检出率，全面精测壁厚损失
波型声速：
在数据后处理中，声速可以修改以调整不合适的采值，无需再到现场进行重检
需要准确评价回波，正确计算延时，准确输入波型声速
双全法应用：用于被检工件温度变化的证明；检测各向异性奥氏体材料
与工件几何形状的相关性：
系统(如楔块)和工件的几何假设可作修正，相同数据可重新处理
检测布置的几何条件需准确输入系统，以正确计算延时
双全法应用：适应扫查表面变化，该变化可能是轻度曲率或粗糙度的变化，但有物理限值
盲区(近表面区、表面回波区)：
阵元间多次发收，可减小图像中的盲区
常存在与所有脉冲回波检测法(声束发收同向)相似的盲区
双全法应用：检测近表面缺陷，提高对薄壁件的检测能力
双全法相较于常规PAUT的缺点
双全法
常规PAUT
数据文件大小：
数据文件比常规PAUT大几个数量级，需要提高计算系统的处理能力
数据文件大小与常规自动超声检测类似，可用现代计算系统处理和存档
说明：大型FMC数据文件处理后可丢弃，但这会抵消许多优点,数字技术可解决这一问题
操作员培训、认证和技能：
认证培训尚无，可参考常规PAUT的培训体系建立双全法的培训体系
正规培训课程随处可得，行业接受程度日益提高
说明：双全法是新兴领域，特定应用领域需要检测人员具有较高的技能水平仪器：
常用许多独立脉冲发收器编址多晶片阵列探头，增大近场区以达到有效聚焦
常用多路复用器编址阵列晶片，以多于独立单板脉冲发收器的晶片
说明：市场正在设计更多设备，以促进新技术产生经济效益
被检试件几何形状未知或多变：
了解试件的几何形状对基于超声飞行时间的信号求和成像算法非常重要，几何形状假设与实际不一致时，成像质量会明显降低
不清楚试件的几何形状会使试件缺陷的回波显示不当或回波波幅降低
说明：使用基于几何反射的成像算法时，应验证被检试件局部几何形状的变化，可对表面轮廓有变化的试件采用自适应全聚焦法
高衰减材料：
FMC过程中各发射阵元发射的声束在材料中衰减，导致成像性能降低
用多阵元探头产生的声束声压强，可在高衰减材料中穿透较长距离
说明：材料性质、各向异性或粗晶散射介质的存在，会导致声场性能显著降低
双全法与采集成像技术替代法
ISO
双全法通则和专标允许的双全法技术的数据采集法与成像法可采用替代法。

下面概述基本双全法与某些替代法。

替代采集法包括半矩阵捕获(HMC)、稀疏矩阵捕获(SMC)、平面波成像(PWI)和虚拟源声阑(VSA)法。

替代成像法包括自适应TFM(ATFM)和多成像方式TFM法。

双全法采集和成像过程
01
全矩阵捕获采集过程
FMC过程是记录所有信号的过程，这些信号对应于阵列所有可能的发-收阵元对。

采用FMC法采集信号可得到一个N×N（N为阵元数）的信号矩阵，记i阵元发射，j阵元接收的信号为S ij(t)。

02
全聚焦法的成像过程
FMC数据成像的方法有很多，其中TFM算法用得最广。

该算法基于延时与求和处理，其基本概念是将缺陷产生的回波进行相干求和，使缺陷的波幅最大化，将信号合成聚焦于构成成像区的网格点上，再输出为波幅图，若不同的回波信号间存在相关性，产生的波幅会更高。

该方法源于合成孔径雷达，最初是通过合成孔径聚焦法引入常规超声检测的。

用于FMC的TFM算法步骤如下：
(1)
波程计时
声波从阵元i到网格点P，再到阵元j所需飞行时间t ij(P)为：
t ij(P)=T ip+T jp (1)
式中：T ip，T jp分别为超声从发射阵元i、接收阵元j的中心到网格点P的飞行时间。

波幅求和
图像P点的波幅I(P)为：
式中：S ij(T iP+T jP)为i阵元发射、j阵元接收的超声信号叠加到网格点P的幅值。

除算法的一般形式外，还可能存在变量，主要为：
① 计算超声飞行时间所用数值解法；
② 实施程序（与检测设备硬件、软件相关的不同版本和优化）；
③ 计算点网格间的插值；
④ 信号处理后波幅求和的可能性；
⑤ A扫描对某个图像点的作用、有关分配不同权重因子的选项等。

2
FMC的替代采集法
可用FMC的替代采集法，按与FMC信号相同的方式收集和处理不同(通常较小)的信号集。

目的是减少待处理信号量或提高信噪比以减少处理时间。

01
全矩阵子集的获取
通过选择较少发射-接收对，获取全矩阵信号的子集。

主要类型为：
(1)
半矩阵捕获(HMC)
该方法获取的A扫描数据量为N·(N+1)/2，理论上采集信息无丢失(生成图像的信噪比可能低于全矩阵捕获生成图像的信噪比)；
(2)
合成孔径聚焦法捕获
该方法仅获取同一发-收阵元对应的矩阵信号，A扫描数据量为N；
(3)
稀疏矩阵捕获(SMC)
该方法以确定性或随机方式选择激活发-收阵元，得到FMC数据子集。

02
延时法则的应用
平面波成像（PWI）法对发射阵元施加适当的延时，使入射平面波以n个不同的角度输入工件，在N个阵元上收集信号，得到n×N（一般n<N）个信号。

虚拟声源法在阵列组件中创建“虚拟声源”，比阵列单一的阵元可传输更大的能量，目的为提高其在噪声材料中的信噪比。

该方法将阵列划分为多个活动子孔径，对其施加延时，每个子孔径与一个虚拟声源关联，得到的信号个数为l×N（l为阵列上的子孔径数）。

03
编码激励阵列
编码激励法用数字编码驱动选定的激活阵元，相继激励整个阵列，旨在提高超声在衰减材料中的信噪比。

3
多成像方式的重建
多成像方式TFM的步骤为：
① 选择几条成像方式；
② 按成像算法步骤，对每一成像方式进行波程计时和波幅求和。

处理结果可显示为由多路径图像合成的单一图像，也可显示为与所选成像方式相对应的分列式图像。

4
自适应全聚焦法(ATFM)
在某些情况下（如成像方式包含位置未知的界面），超声飞行时间并不精确。

在自适应全聚焦算法中，第一步就要根据FMC数据测量试件的界面位置，再基于该位置调整超声飞行时间，建造TFM图像。