超聲掃描檢測的離線分析方法

連軍莉

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

超聲掃描檢測的離線分析方法

連軍莉

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

介紹了一種超聲掃描檢測的離線分析方法。首先，掃描器件，構(gòu)建清晰圖像；確認(rèn)后，存儲(chǔ)參數(shù)及原始數(shù)據(jù)；需要分析時(shí)，上載數(shù)據(jù)文件，讀取參數(shù)和波形數(shù)據(jù)，可以重現(xiàn)各點(diǎn)波形，進(jìn)行模擬掃描，構(gòu)建內(nèi)部圖像。這種方法在被測器件拿走的情況下，仍然可以準(zhǔn)確地分析器件的內(nèi)部特征，方便快捷。

超聲掃描；保存數(shù)據(jù)；離線分析

超聲掃描檢測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域，適用于檢測物體表面、內(nèi)部區(qū)域，可以產(chǎn)生高分辨率的特征圖像。由于傳遞超聲能量要求介質(zhì)是連續(xù)的，所以如氣孔、雜質(zhì)、分層、裂紋等不連續(xù)界面都會(huì)干擾超聲信號(hào)傳播，致使超聲信號(hào)發(fā)生反射，據(jù)此成像來判斷此器件是否有缺陷。

一般情況下，超聲掃描檢測系統(tǒng)在掃描過程中需要移動(dòng)探頭，在被測工件上方往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)采集波形數(shù)據(jù)，并對(duì)其分析成像。一旦拿走工件，檢測不能進(jìn)行，這樣就有了很大的制約性。

為了克服現(xiàn)有掃描模式的不足，本文提供了一種離線分析掃描方法。在探頭不動(dòng)、沒有工件的情況下，也可以對(duì)虛擬工件進(jìn)行重復(fù)離線模擬掃描，也可在任何時(shí)間、任何計(jì)算機(jī)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。有了這個(gè)功能，僅進(jìn)行一次掃描，可在短時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)器件的所有信息，在工件不再的情況下，分析存儲(chǔ)上載數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建清晰圖像。不僅能顯示各點(diǎn)的波形，也可以進(jìn)行多種掃描。在沒有充分的時(shí)間對(duì)工件進(jìn)行全面分析的情況下，這種方法就顯得尤為重要。

1 超聲掃描檢測介紹

超聲掃描檢測系統(tǒng)的工作原理：超聲波通過一個(gè)耦合介質(zhì)傳導(dǎo)到樣品，通常是水或一種惰性液體。探頭交替扮演著發(fā)射器和接收器，電開關(guān)在傳送和接收模式之間轉(zhuǎn)換。一個(gè)非常短的聲音脈沖進(jìn)入樣品，并返回樣品表面、在特定阻抗分層和樣品內(nèi)部的其他特征處產(chǎn)生的聲音反射。如圖1所示。

A波形或者“A掃描”是一個(gè)時(shí)間函數(shù)，以非常簡單的形式顯示出反射聲波的振幅。A波形實(shí)際上包含了樣品內(nèi)部非常多的關(guān)于聲學(xué)阻抗或特征的信息。如圖1所示，右上角的波形中包含了表面、芯片表面和芯片底部的反射信號(hào)。

圖1 超聲掃描檢測工作原理示意圖

在C掃描中，在某一深度的斷面設(shè)置門限，其中的峰值探測器會(huì)檢測到門限內(nèi)的幅值峰值，根據(jù)這些峰值最終形成該斷面的橫向聚焦圖像。空洞、裂紋和其他的阻抗特征，與背景有較高的對(duì)比度，很容易區(qū)分。

2 離線分析方法

在傳統(tǒng)的C模式掃描中，只保存了單點(diǎn)上的部分?jǐn)?shù)據(jù)，比如捕獲的用于顯示和分析的數(shù)據(jù)就是數(shù)據(jù)門限內(nèi)的幅度峰值，還有極性和TOF數(shù)據(jù)，其他所有數(shù)據(jù)都丟失了。我們從存儲(chǔ)的X-Y-Z峰值數(shù)據(jù)集中不可能得到額外的信息；也不能進(jìn)行離線操作，例如，調(diào)整門的位置，以便調(diào)整斷面的深度；也不可能對(duì)丟失的聲波信號(hào)信息使用信號(hào)處理分析學(xué)，來學(xué)習(xí)異常。

離線分析，就是脫離硬件設(shè)備，在任何計(jì)算機(jī)上對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、成像。使用一個(gè)高焦距比數(shù)鏡頭的探頭，焦距可以橫跨樣品的整個(gè)高度。捕獲聲波反射信號(hào)（A掃描）后，并將其數(shù)字化，進(jìn)而存儲(chǔ)為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行分析。

首先對(duì)器件進(jìn)行一次C掃描，構(gòu)建清晰圖像；確認(rèn)后存儲(chǔ)需要的參數(shù)及各點(diǎn)原始數(shù)據(jù)。需要分析時(shí)，讀取掃描參數(shù)和數(shù)據(jù)，可以重現(xiàn)各點(diǎn)波形，并進(jìn)行模擬掃描，構(gòu)建各斷面圖像。流程圖如圖2所示。

2.1 首次掃描

針對(duì)被測器件，設(shè)置掃描參數(shù)，聚焦位置，調(diào)整焦距，開始掃描。實(shí)時(shí)采集反射回波信號(hào)，并進(jìn)行256級(jí)量化處理，據(jù)此構(gòu)建清晰的斷層灰度圖像。

根據(jù)實(shí)際需要，添加數(shù)據(jù)門限。該門限可以添加在任何位置，呈現(xiàn)樣品內(nèi)與門限的位置和寬度相應(yīng)的某一深度和厚度的反射特征；門限也可以和樣品一樣寬（或感興趣的區(qū)域），這樣就可以存儲(chǔ)樣品所有層的反射波。

圖2 流程示意圖

回波信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)隨著數(shù)據(jù)門限的長度和采樣頻率而變化，數(shù)據(jù)門限越長，采樣頻率越高，采樣個(gè)數(shù)就會(huì)越多，數(shù)據(jù)量越大。隨著分辨率的增加，圖像的像素總數(shù)（存儲(chǔ)總數(shù)）快速增長。

所以在設(shè)置參數(shù)時(shí)，將采樣頻率、圖像分辨率設(shè)置得盡量低，滿足最低要求即可。這樣可以避免存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)分析時(shí)有較高的速度。

2.2 保存參數(shù)和數(shù)據(jù)

首次掃描之后，確認(rèn)掃描結(jié)果清晰，掃描參數(shù)合適后，保存各掃描參數(shù)和回波信號(hào)數(shù)據(jù)。將各掃描參數(shù)保存為一個(gè)參數(shù)文件，將回波數(shù)據(jù)保存為另一個(gè)數(shù)據(jù)文件，每點(diǎn)數(shù)據(jù)按照從上到下的順序進(jìn)行保存，如此逐點(diǎn)逐行保存所有數(shù)據(jù)。

在保存數(shù)據(jù)時(shí)，可以只保存用戶需要的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)門限所在的時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。這樣可以節(jié)省空間，不保存多余的數(shù)據(jù)。

2.3 離線分析

（1）上載文件。打開并讀取指定的參數(shù)文件和數(shù)據(jù)文件，顯示首次掃描構(gòu)建的圖像；

（2）顯示各點(diǎn)波形。點(diǎn)擊圖像上的任意點(diǎn)，可重新構(gòu)建該點(diǎn)的波形。根據(jù)該點(diǎn)所在的像素位置，可以得到該點(diǎn)的數(shù)據(jù)。有了回波信息數(shù)據(jù)后，可重新繪制該點(diǎn)的波形。像素點(diǎn)f（i，j）數(shù)據(jù)的起始位置計(jì)算如下：

其中，i為點(diǎn)f所在的行數(shù)，j為點(diǎn)f所在的列數(shù)，s為圖像的一行數(shù)據(jù)所占用的總字節(jié)數(shù)，l為一個(gè)像素點(diǎn)上的數(shù)據(jù)量，w為圖像的寬度。

（3）模擬掃描。在待測工件不在的情況下，進(jìn)行模擬掃描。聚焦在某一斷面上，對(duì)于斷面上的每一點(diǎn)，獲取該點(diǎn)數(shù)據(jù)在文件中的位置和長度，取出數(shù)據(jù)后，進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換。逐行逐列，每點(diǎn)處理，最終生成該斷面的灰度圖像。

數(shù)據(jù)門放置在不同的位置，可以得到不同層的圖像，結(jié)果見圖3、圖4、圖5所示。

圖3 表面波形與掃描結(jié)果

圖4 分層波形與掃描結(jié)果（一）

圖5 分層波形與掃描結(jié)果（二）

3 結(jié)論

離線分析方法捕獲了全部聲波的回波信號(hào)，并將其數(shù)字化，方便后來的波形查看和分析。沒有丟掉有用的信息，為特定斷面設(shè)置數(shù)據(jù)門限，可以得到樣品內(nèi)特定層的圖像。

從圖3、4、5的掃描結(jié)果可以看出，該方法可對(duì)虛擬工件進(jìn)行模擬掃描，準(zhǔn)確地描述待測工件的內(nèi)部信息，解決了待測工件不在時(shí)的檢測問題。它是超聲掃描檢測設(shè)備不可或缺的一種分析方法，是實(shí)時(shí)檢測的有效補(bǔ)充。

[1] 楊立峰，王亞飛.激光在超聲檢測技術(shù)中的應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2006，43(2)：29-32.

[2] 陳文革，魏勁松.超聲無損檢測的應(yīng)用研究與進(jìn)展[J].無損探傷，2001，25(4)：1-3.

[3] 張繼靜，連軍莉.超聲掃描技術(shù)及設(shè)備[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2011，39(5)：32-36.

An Offline-Analysis Method of Scanning Acoustic Inspect System

LIAN Junli

(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

An offline-analysis method of scanning acoustic inspect system is proposed in this paper. First the sample is scanned and the perfect image is built。Then parameters and original data are saved. We can load the data file，read parameters and data when needed.Then the system can display the waveform of each point again，and simulate scanning，and build the image.In the case of taking off the sample，this method still accurately analyses inner feature of sample very conveniently and quickly.

Scanning acoustic；Save data；Off-line analysis

TP391

A

1004-4507(2017)03-0031-04

2017-04-10

連軍莉（1980-），高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事機(jī)器視覺技術(shù)和圖像處理算法研究。