Page 57 - 无损检测2023年第十二期
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骆 琦, 等:
相控阵超声平面波全聚焦成像算法及其应用
工业生产领域的推广使用。平面波全聚焦成像技 PWI-TFM 采用每次多个阵元发射多个阵元
术平衡了成像精度和成像效率的问题, 其成像精 同时接收的方式采集数据, 每次发射形成不同角
度比相控阵超声的更高, 成像效率又比 FMC-TFM 度的平面波。假设每次采集需发射平面波角度数
的更好, 具有更好的应用前景。 量为 Q , 聚焦孔径为 N , 则其采集一帧数据需进行
平面波成像技术最早起源于医学成像领域, 在 Q 次发射。第1次发射通过延迟法则控制 N 个阵
1977年由 BRUNEEL等 [ 1 ] 提出, 实现了1000 帧 / s 元形成角度为θ 1 的平面波, N 个阵元同时接收。
的超快超声成像。虽然平面波成像技术大幅提升了 第2次发射通过延迟法则控制 N 个阵元形成角度
成像帧频, 但由于成像质量较差, 一直没有大规模进 为θ 2 的平面波, N 个阵元同时接收。依次进行,
入临床应用。 2009 年, MONTALDO 等 [ 2 ] 提出了 直到第 Q 次发射通过延迟法则控制 N 个阵元形
平面波相干复合成像技术, 该技术有效改善了超快 成角度为θ Q 的平面波, N 个阵元同时接收。共采
集 Q×N 个回波的数据。 PWI-TFM 数据采集过
平 面 波 成 像 的 质 量。 同 年, 法 国 Su p ersonic
Ima g ine ( 声科) 公司的 Aix p lorer型超声成像系统 程如图1所示。
推向市场, 数据采集帧频达到 20000 帧 / s , 从此超
声影像进入了超快超声新时代。
2016年, LE 等 [ 3 ] 研究了平面波全聚焦成像技
术( PWI-TFM ) 在超声无损检测领域的实现方法,
并将该技术的成像效果和 FMC-TFM 及相控阵超
声的成像效果进行对比, 证明了 PWI-TFM 成像技
术可以通过更少的数据采集和更快的后处理算法获
得更少的伪影和更高信噪比的图像。其提供的图像
质量与 TFM 图像的相当, 但采集的数据量更少, 成
像效率更高。此外, 该成像技术可通过设置平面波
入射角范围抑制可能影响缺陷表征的伪影。 图1 PWI-TFM 数据采集过程示意
笔者通过描述平面波全聚焦成像技术的原理和 1.2 声时计算
数据采集方法, 推导了其声时计算公式然后进行检 类似于 FMC-TFM , PWI-TFM 在聚焦合成计
测试验 , 将其检测结果与相控阵超声及 FMC 检测 算时需要考虑声波传输所需要的声时。 PWI-TFM
结果对比, 总结了其优点和不足, 旨在为平面波全聚 的声时分为两个部分, 即从平面波到虚拟聚焦点的
焦成像技术的推广与应用提供一些参考。 声时以及从虚拟聚焦点到阵元的声时。其中从聚焦
P 计算方法和 FMC-TFM 中从聚
1 方法论述 点到阵元的声时 t j
焦点到阵元的声时计算方法一样, 可参考 FMC-
1.1 数据采集 TFM 成像算法相关文献 [ 4 ] , 笔者重点介绍从平面波
相控阵超声采用延迟法则来控制多个阵元激励 到虚拟聚焦点的声时计算方法, 介绍分两种情况, 即
声波在设定的焦点进行聚焦。假设聚焦孔径为 N , 不含楔块情况和含楔块情况。
相控阵超声采用 N 发 N 收的方式采集数据, N 个 1.2.1 不含楔块 PWI-TFM 的声时计算
阵元的数据采集完成后, 通过延迟法则进行合成, 合 不含楔块时, 通过控制阵元的延迟法则, 在工件
并成一条声束。 中产生平面波, 假设平面波的角度为θ , 工件中的声
FMC-TFM 采用每次一个阵元发射多个阵元 速为 c , 焦点的坐标为( x P z P ), 无楔块平面波到
,
同时接收, 依次切换发射阵元的方式采集数据。假 焦点的声时计算示意如图2所示。
设聚焦孔径为 N , 则 FMC 全矩阵数据采集需采集 图2中, 以第一个发射阵元中心所在位置 O 点
第1阵元发射1到 N 阵元接收, 第2阵元发射1到 为原点建立坐标系, 从A 点到P 点的长度表示平面
N 阵元接收,…, 第 N 阵元发射1到 N 阵元接收的 波从开始激励到传播至焦点 P 的声程, 通过作辅助
数据。采集一帧数据共需 N 次发射, 采集 N ×N 线, 可以将 AP 长度的计算转换成OD 长度加EP
个回波的数据。 的长度; 三角形OBD , EPE 是直角三角形。
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无损检测
