相控陣超聲相位相干成像（PCI）檢測原理及應(yīng)用

近年來，相控陣超聲檢測技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)也陸續(xù)發(fā)布，該檢測技術(shù)能夠以圖像方式顯示缺陷信息，能夠通過電子掃描等技術(shù)提高檢出率與檢測效率。然而其也存在一定的局限性，例如由于聲束擴(kuò)散，不同聲程位置對應(yīng)的聲束寬度不一致，從而對缺陷的測量精度產(chǎn)生一定的影響。為了解決該問題，超聲檢測領(lǐng)域開發(fā)了全聚焦檢測技術(shù)，近年相位相干成像（PCI）檢測技術(shù)也開始應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域，其主要通過相位相干成像，信號幅值對PCI成像沒有影響。因其在一些應(yīng)用領(lǐng)域能夠?qū)鹘y(tǒng)相控陣技術(shù)和全聚焦技術(shù)進(jìn)行有效補(bǔ)充，故應(yīng)用范圍越來越廣泛。文章詳細(xì)介紹了全聚焦與PCI檢測技術(shù)的原理，從原理上分析二者的差異性，并通過試驗測試PCI檢測技術(shù)對不同缺陷的檢測特點及效果，了解PCI檢測技術(shù)針對不同類型缺陷的檢測優(yōu)勢與不足。1全聚焦成像檢測技術(shù)與PCI技術(shù)基本原理全聚焦成像檢測技術(shù)是基于全矩陣數(shù)據(jù)采集的一種相控陣超聲后處理成像方法。該技術(shù)能夠在設(shè)定的區(qū)域范圍內(nèi)對每個位置都進(jìn)行聚焦，使用時先設(shè)定聚焦區(qū)域，并將聚焦區(qū)域按一定的分辨率劃分成網(wǎng)格，再在網(wǎng)格交點位置進(jìn)行聚焦。首先相控陣超聲儀器需進(jìn)行全矩陣采集（Fullmatrixcapture,FMC），全矩陣采集時首先激發(fā)第一個晶片，然后其他所有晶片接收超聲信號；隨后激發(fā)第二個晶片，然后其他所有晶片接收超聲信號；依次以同樣的方式激發(fā)所有晶片，得到各晶片相應(yīng)的超聲信號，全矩陣采集完畢。FMC激發(fā)及采集模式示意如圖1所示。圖1FMC激發(fā)及采集模式示意01全聚焦成像檢測技術(shù)基本原理全矩陣采集完畢后，即可采用全聚焦數(shù)據(jù)處理算法，對聚焦區(qū)域內(nèi)所有預(yù)先定義的位置點進(jìn)行聚焦算法處理，如圖2所示。圖2全聚焦幅值計算示意以圖2為例，對聚焦區(qū)域的P點進(jìn)行聚焦成像，假設(shè)第i個發(fā)射晶片為Fi，第j個接收晶片為Jj，首先需要計算晶片F(xiàn)i到成像點P的超聲傳播時間ti，同時計算成像點P到接收晶片Jj的傳播時間tj，得到超聲波從晶片F(xiàn)i傳播至P點然后傳播至Jj晶片的傳播時間tij。假設(shè)在P點位置存在缺陷，超聲波傳播至缺陷時反射至接收晶片Jj，則Jj接收到的超聲信號在tij時間位置處會有較強(qiáng)的反射信號，將tij時間點對應(yīng)的幅值A(chǔ)ij用于聚焦成像，P點成像對應(yīng)的幅值為所有接收晶片接收到的超聲信號對應(yīng)P點成像路徑幅值的疊加，假設(shè)有N個晶片，則P點對應(yīng)的全聚焦成像幅值可用下式表示：（1）全聚焦成像時，需要通過式（1）計算得到所有聚焦區(qū)域內(nèi)成像點對應(yīng)的幅值，然后將疊加得到的幅值通過相應(yīng)的顏色進(jìn)行顯示。02PCI檢測技術(shù)基本原理PCI是基于全矩陣數(shù)據(jù)采集后的一種相控陣超聲成像處理算法。全矩陣數(shù)據(jù)采集相關(guān)原理與全聚焦成像檢測技術(shù)原理一樣，只是數(shù)據(jù)采集后的數(shù)據(jù)處理成像算法不同。PCI成像主要利用超聲信號的相位信息進(jìn)行成像，而不利用超聲信號的幅值信息進(jìn)行成像，故超聲信號幅值不參與到PCI成像計算中。進(jìn)行PCI成像，首先需要將全矩陣采集到的A掃描信號相位化，A掃描信號的相位化示意如圖3所示，對應(yīng)B點和D點位置的相位都是正相位，A點和C點對應(yīng)的相位為負(fù)相位。通常正相位用1表示，負(fù)相位用-1表示，0點相位用0表示，因此經(jīng)過相位化的A掃描信號每個時間點對應(yīng)的相位值只會是1，0或-1三個值。采樣點的幅值為80%與10%對應(yīng)的相位值都是一樣，均為1，因此A掃描信號幅值對PCI成像影響很小，只要A掃描信號能夠準(zhǔn)確得到相應(yīng)點的相位信息即可。圖3A掃描信號相位化示意PCI成像算法計算過程與全聚焦的計算過程類似，需要將全矩陣采集到的A掃描數(shù)據(jù)通過符號函數(shù)相位化。如果采樣點對應(yīng)的A掃描信號幅值小于0即用-1表示；采樣點對應(yīng)的A掃描信號幅值如為0即用0表示；采樣點對應(yīng)的A掃描信號幅值大于0即用1表示。PCI全聚焦幅值計算示意如圖4所示，PCI成像需要得到P點的相位幅值信息，假設(shè)第i個發(fā)射晶片為Fi，第j個接收晶片為Jj，先要計算晶片F(xiàn)i到成像點P的超聲傳播時間ti，同時計算成像點P到接收晶片Jj傳播時間tj，得到超聲波從晶片F(xiàn)i傳播至P點然后傳播至Jj晶片的傳播時間tij，然后在接收晶片Jj接收到的A掃描信號中提取tij時間點對應(yīng)的相位值фij。圖4PCI全聚焦幅值計算示意P點對應(yīng)位置的相位值為全矩陣采集數(shù)據(jù)中所有對應(yīng)P點傳播路徑時間點相位值的疊加，如下式所示：（2）由PCI成像計算原理與過程可知，如果在成像點的對應(yīng)位置，各晶片接收到的A掃描信號相位不相干，有可能負(fù)向疊加，例如一些晶片采集數(shù)據(jù)對應(yīng)的相位值是1，一些晶片采集數(shù)據(jù)對應(yīng)的相位值是-1，進(jìn)行疊加后抵消而變?yōu)?。全聚焦成像算法進(jìn)行疊加計算時，對應(yīng)位置A掃描信號相位存在一些差異，其對應(yīng)幅值也能正向疊加，不可能出現(xiàn)負(fù)向疊加的情況，這是PCI成像與全聚焦成像的最大區(qū)別。2PCI技術(shù)特點及檢測應(yīng)用PCI技術(shù)只使用相位值進(jìn)行成像，具有自身的特點，經(jīng)過試驗測試驗證，某些特點有利于部分缺陷的檢測和測量，某些特點不利于部分缺陷的檢測和測量，下面重點介紹其對檢測應(yīng)用的影響。01PCI對反射信號弱的缺陷檢測信噪比高PCI技術(shù)對一些反射能量較弱的缺陷信號有較高的信噪比。例如在相控陣檢測技術(shù)中經(jīng)常用到衍射信號，衍射反射信號傳播的角度范圍大，相控陣探頭各個晶片都能接收到衍射波信號，但是衍射波信號能量很弱，接收到的回波信號幅值很低，衍射波疊加后幅值還是較低，很難與噪聲信號區(qū)分開，信噪比不高。由于PCI技術(shù)只使用相位進(jìn)行成像，各晶片接收到的衍射信號相位相干，雖然衍射信號幅值低，但通過相位值疊加后成像的信號較強(qiáng)，其顯示幅值與端角信號的幅值相當(dāng)。全聚焦技術(shù)與PCI技術(shù)檢測刻槽時的衍射信號成像顯示如圖5所示，其顯示的是深度為1，2，3mm刻槽的圖像，可以看到PCI技術(shù)顯示的刻槽衍射信號信噪比遠(yuǎn)大于全聚焦檢測技術(shù)。通過全聚焦技術(shù)無法區(qū)分顯示深1mm刻槽端點衍射信號與端角反射信號，而PCI技術(shù)能夠區(qū)分顯示深1mm刻槽端點衍射信號與端角反射信號，提高了檢測分辨力。圖5全聚焦與PCI技術(shù)的衍射信號成像顯示由于幅值對PCI技術(shù)的影響小，對于一些反射能量較低的較小缺陷，PCI技術(shù)與傳統(tǒng)相控陣超聲及全聚焦技術(shù)相比有一定的優(yōu)勢。對一些晶粒較粗的材料，缺陷信號幅值與噪聲信號幅值相差較小，二者較難區(qū)分。相控陣超聲探頭各晶片接收到的噪聲信號雖然幅值相差不大，但是其相位信息相差較大，一些噪聲信號是正相位信號，而一些噪聲信號是負(fù)相位信號，因此噪聲信號疊加時為非相干疊加。而各晶片接收到的小缺陷信號通常為相干疊加，因此小缺陷信號的信噪比較高。全聚焦技術(shù)與PCI技術(shù)分別檢測ф0.2mm平底孔的檢測效果如圖6所示，可以明顯看出使用PCI技術(shù)得到的信噪比遠(yuǎn)大于使用全聚焦技術(shù)，并且PCI技術(shù)的上表面盲區(qū)也小于全聚焦技術(shù)的盲區(qū)。圖6全聚焦與PCI技術(shù)檢測ф0.2mm平底孔的成像對比02PCI對面狀反射體成像信號幅值弱當(dāng)相控陣探頭一個晶片激發(fā)產(chǎn)生的超聲波垂直入射至平面狀反射體時，激發(fā)晶片相鄰的晶片也能接收到較強(qiáng)的超聲信號，但是各個晶片接收到平面反射超聲信號的相位存在一定差異，有些晶片對應(yīng)位置點是正相位，而有些晶片對應(yīng)位置點是負(fù)相位，因此各晶片相位值進(jìn)行疊加時，不是相干疊加，導(dǎo)致PCI技術(shù)得到的信號幅值弱。全聚焦與PCI技術(shù)檢測平面缺陷時的成像對比如圖7所示，從圖中可以看到全聚焦成像能夠顯示很強(qiáng)的底面回波信號、平面缺陷信號、界面波信號，而PCI成像圖中沒有顯示底面回波信號、平面缺陷信號與界面波信號，因此檢測與超聲波入射方向垂直的面狀缺陷時，應(yīng)盡量避免使用PCI技術(shù)。

圖7全聚焦與PCI技術(shù)檢測平面缺陷的成像對比經(jīng)上述分析，PCI技術(shù)對超聲波垂直入射至平面的反射成像信號弱，從而能提高近表面缺陷的檢測分辨力，全聚焦與PCI技術(shù)分別檢測近表面附近3個橫孔與下表面附近3個橫孔的結(jié)果對比如圖8所示。圖8(a)為全聚焦檢測下表面附近橫孔的結(jié)果，圖中能明顯區(qū)分橫孔信號與下表面回波信號。圖8(b)為PCI檢測下表面附近橫孔的結(jié)果，圖中可明顯看到橫孔信號，且沒有底面回波信號干擾，但信噪比比全聚焦圖像的差。圖8(c)為全聚焦檢測上表面附近橫孔信號的結(jié)果，圖中可以看出一個橫孔信號與上表面信號重疊而無法識別，中間孔能看到，但無法與上表面信號分開。圖8(d)為PCI檢測上表面附近橫孔的結(jié)果，可以看出PCI檢測圖像沒有上表面信號干擾，能在一定程度上減小上表面盲區(qū)，圖中能看到3個橫孔信號，但信噪比均不高。圖8全聚焦與PCI技術(shù)檢測近表面缺陷的成像對比03PCI技術(shù)對體積狀反射體成像能力與全聚焦相當(dāng)對于體積狀反射體，各晶片接收到的相應(yīng)位置反射信號在疊加時，通過幅值疊加與相位疊加，都接近相干疊加，因此全聚焦成像效果與PCI成像效果相當(dāng)，缺陷顯示均有較高信噪比，全聚焦與PCI技術(shù)檢測體積狀反射體的成像對比如圖9所示。圖9全聚焦與PCI技術(shù)檢測體積狀反射體的成像對比3結(jié)語PCI技術(shù)能夠提高點狀較弱反