全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)在核電站的應(yīng)用展望

杜清良　李守彬　劉曉睿　徐寧

【摘 要】全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)可以實現(xiàn)聲壓有效區(qū)內(nèi)所有區(qū)域的虛擬聚焦，使得該項技術(shù)具有更小的近表面盲區(qū)、更高的檢測靈敏度、更快的檢測效率及直觀的缺陷信號顯示等諸多優(yōu)勢，該項技術(shù)在核電站金屬部件的在役檢查工作中將有廣闊的推廣應(yīng)用空間。與此同時，該項技術(shù)還存在諸如發(fā)射聲能較低、成像算法有差異及無國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)可參考等問題，需要繼續(xù)討論和發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】全聚焦;相控陣;超聲檢測;核電站

中圖分類號： TG115.285 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）16-0018-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.007

0 引言

近年，相控陣超聲檢測技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于核電站的無損檢測領(lǐng)域。常規(guī)相控陣超聲檢測技術(shù)是按照聚焦法則激發(fā)多個陣元，實現(xiàn)超聲波聲束在被檢工件內(nèi)的偏轉(zhuǎn)和聚焦掃描，并對接收信號進(jìn)行延時疊加形成最終的檢測圖像[1]。隨著計算機技術(shù)及先進(jìn)成像算法的發(fā)展，國外技術(shù)人員最先研究出新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)即為FMC全矩陣數(shù)據(jù)采集 。該數(shù)據(jù)采集技術(shù)不同于常規(guī)相控陣數(shù)據(jù)采集之處是：在任一時刻點，工件中只存在某個陣元的發(fā)射聲場，發(fā)射過程中不存在類似常規(guī)相控陣的聲束聚焦、偏轉(zhuǎn)。基于FMC數(shù)據(jù)的圖像重構(gòu)方法即為TFM全聚焦成像技術(shù)。常規(guī)相控陣超聲檢測技術(shù)只能對檢測區(qū)的某一深度形成線聚焦，在聚焦區(qū)附近具有較好的檢測分辨力，遠(yuǎn)離聚焦區(qū)的區(qū)域則無法達(dá)到理想的檢測效果。TFM檢測技術(shù)則在整個聲壓有效區(qū)都能夠達(dá)到聚焦效果，并生成高分辨率的檢測圖像。TFM技術(shù)可實現(xiàn)對微小缺陷及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度成像，該技術(shù)將是相控陣超聲檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 全聚焦相控陣超聲檢測技術(shù)

1.1 全矩陣數(shù)據(jù)采集

全聚焦算法的前提是進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)的FMC采集：在一個采集周期內(nèi)，每個陣元均發(fā)射一個聲波，n個陣元相繼發(fā)射;對每個發(fā)射，n個陣元均接收一個A掃信號，共有n2個A掃信號組合在一個矩陣中;矩陣中行代表發(fā)射陣元，列代表接收陣元。例如，由4陣元組成一維陣列，可得16個A掃顯示Aij。現(xiàn)行的陣列超聲換能器激發(fā)接收模塊一般都具有并行獨立的接收通道，故FMC過程可簡化為：第1陣元激發(fā)后，所有陣元并行接收，所獲得的回波數(shù)據(jù)定義為A1j（j=1，2，3，4），共獲得4組數(shù)據(jù);然后依次激發(fā)第2、3、4陣元，重復(fù)上述過程。Aij為一組數(shù)據(jù)，包含每個時間采樣點接收信號的幅值。

1.2 全聚焦成像算法

全聚焦成像算法使用所有的全矩陣數(shù)據(jù)，后處理聚焦到被測區(qū)域內(nèi)任意點，利用合成的幅值信息，實現(xiàn)圖像表征。將數(shù)據(jù)重建而界定的關(guān)注區(qū)劃成網(wǎng)格，對相控陣探頭的整套陣元，要為網(wǎng)格上每一點計算聚焦法則。在網(wǎng)格各點求和之前，所有記錄信號均有相應(yīng)時移。網(wǎng)格各點重建后，循環(huán)即結(jié)束。FMC-TFM的主要優(yōu)點是：在一個探頭位置，組合優(yōu)化聚焦和空間分辨力，可完成大面積直接成像。

式中，Aij（tij（x，z））為激勵陣元i、接收陣元j的超聲回波信號中表征目標(biāo)聚焦點（x，z）的幅值信息。tij（x，z）為該幅值的延遲時間，包括陣元i激勵傳播到目標(biāo)聚焦點（x，z），再被陣元j接收所需要的時間。

2 技術(shù)優(yōu)勢與不足

2.1 技術(shù)優(yōu)勢

2.1.1 缺陷信息顯示直觀

相較于常規(guī)超聲檢測技術(shù)，TFM檢測技術(shù)是基于FMC數(shù)據(jù)進(jìn)行待檢部件結(jié)構(gòu)及缺陷信息的檢測圖像還原，從而使檢測數(shù)據(jù)的分析過程變得更立體、直觀，缺陷信號和待檢部件的結(jié)構(gòu)信號將更容易區(qū)別，達(dá)到所見即所得的效果。

2.1.2 缺陷分辨力獲得明顯提升

得益于計算機技術(shù)的快速發(fā)展，使得現(xiàn)場實時采集到的海量檢測數(shù)據(jù)在高性能計算處理技術(shù)的支持下可以實現(xiàn)實時成像。由于FMC-TFM檢測技術(shù)實現(xiàn)了對待檢區(qū)域的所有虛擬聚焦點進(jìn)行聚焦掃查，使得待檢區(qū)域的檢測結(jié)果等效于聚焦掃查，使TFM檢測對微小缺陷的發(fā)現(xiàn)能力得到明顯提升。有研究表明，當(dāng)虛擬探頭用大孔徑（64陣元以上）時，TFM檢測技術(shù)的分辨力可以達(dá)到一個波長的尺度[3]。

2.1.3 對探頭位置或?qū)Ψ瓷潴w方向性的敏度降低

基于相同的原理，由于采集了更多的缺陷信號，經(jīng)過大量采集數(shù)據(jù)的處理，使FMC-TFM還原的缺陷信息更全面具體。在采集數(shù)據(jù)的后處理過程中，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行全向維度的虛擬聚焦，整個關(guān)注區(qū)都可以實現(xiàn)聚焦。在聚焦的情況下，各個方向性的缺陷都能獲得較強的聲壓反射，使缺陷信號更明顯。常規(guī)相控陣超聲檢測技術(shù)需要對待檢區(qū)實施正反掃查才能解決的問題，使用TFM檢測技術(shù)只需進(jìn)行一次掃查就能達(dá)到要求。

2.1.4 近表面盲區(qū)更小

借助于TFM檢測技術(shù)強大的數(shù)據(jù)采集和處理過程，在聲壓有效覆蓋的范圍內(nèi)均可以實現(xiàn)虛擬聚焦，確保對微小缺陷的發(fā)現(xiàn)能力。采用常規(guī)相控陣超聲檢測時，其近表面盲區(qū)受陣元參數(shù)及聚焦法則等多因素的影響;而采用TFM技術(shù)進(jìn)行圖像生成時，在其聲壓有效區(qū)均可實現(xiàn)虛擬聚焦，從而顯著減小了近表面盲區(qū)。

2.2 存在的不足及對策

2.2.1 實時成像效率受限制

采用FMC-TFM技術(shù)會采集到大量檢測數(shù)據(jù)，易達(dá)到數(shù)G字節(jié)，為實現(xiàn)檢測結(jié)果的實時顯示，需要計算機技術(shù)解決大量數(shù)據(jù)傳輸速及圖像生成問題。針對該問題，采用GPU并行計算架構(gòu)和索引數(shù)據(jù)加速技術(shù)可有效提高TFM數(shù)據(jù)處理速度[3]。此外，考慮采用半矩陣/三角矩陣采集數(shù)據(jù)[2-3]，可將采集到的A掃數(shù)據(jù)從n2減少到n（n+1）/2;采用稀疏矩陣TFM技術(shù)也可有效減少檢查的數(shù)據(jù)量[4]。相較于常規(guī)TFM進(jìn)行逆向數(shù)據(jù)處理及圖像生成，有學(xué)者提出基于橢圓弧掃描轉(zhuǎn)換的正向TFM數(shù)據(jù)處理技術(shù)[5]，可極大的減少均方根運算次數(shù)，有效提高檢測圖像的生成速率。