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（廣東省超聲電子重點(diǎn)工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，汕頭 515041）

超聲衍射時(shí)差法（TOFD）是通過(guò)接收缺陷端部的衍射信號(hào)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)的方法［1]。TOFD技術(shù)可以對(duì)焊縫中缺陷的位置以及尺寸進(jìn)行判定，被證明是最適合檢測(cè)裂紋類(lèi)面狀缺陷的方法［2]。利用該方法進(jìn)行D掃描時(shí)，由于換能器的聲束有一定的覆蓋范圍，即使缺陷不在兩個(gè)換能器連線(xiàn)的中垂線(xiàn)上，在缺陷附近很大范圍內(nèi)的A掃信號(hào)中仍然會(huì)含有缺陷的冗余信息，從而致使TOFD圖像的橫向分辨率很低，無(wú)法對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確地定位和定量［3]。

合成孔徑聚焦算法（SAFT）最先用于合成孔徑雷達(dá)技術(shù)，用以提高雷達(dá)圖像的橫向分辨率，其優(yōu)勢(shì)在于即便在低指向性和低工作頻率下，依然可以獲得很高的方位分辨率［4]。目前，該算法逐漸在超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到了發(fā)展和應(yīng)用。

筆者根據(jù)TOFD技術(shù)的D掃描過(guò)程中換能器對(duì)和缺陷端部的動(dòng)態(tài)幾何關(guān)系［5]，建立了D掃描圖像的SAFT－D算法的數(shù)學(xué)模型，并以該模型為基礎(chǔ)，基于信號(hào)的延時(shí)同相疊加原理，設(shè)計(jì)了D掃描圖像的合成孔徑聚焦算法［6]。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)SAFT－D聚焦算法，有效地實(shí)現(xiàn)了D掃描圖像的重建以及缺陷的精確定位和定量，顯著地提高了圖像的橫向分辨率。

1 試塊及檢測(cè)系統(tǒng)

用電火花加工方法在高強(qiáng)鋁合金試塊底面制作了不同深度的人工窄槽來(lái)模擬焊縫中的橫向缺陷。采用無(wú)偏置D掃描方式，掃描方向平行于窄槽方向。試驗(yàn)所用工件、探頭布置以及掃描方向如圖1所示。D掃描圖像利用CTS－1008 pl us TOFD探傷設(shè)備獲取，系統(tǒng)采樣頻率為160 MHz。所用探頭為一對(duì)TOFD探頭，其晶片直徑為6 mm，中心頻率為5 MHz，聲束在工件中的折射角為60°。探頭與工件之間采用機(jī)油耦合。

圖1 超聲TOFD法的D掃描方式

2 超聲TOFD法D掃描工作原理

超聲TOFD法D掃描圖像由一系列A掃描信號(hào)依次排列構(gòu)建而成，其生成過(guò)程見(jiàn)圖2。當(dāng)探頭對(duì)在A－A′位置時(shí)，系統(tǒng)收到窄槽尖端衍射出來(lái)的A掃描信號(hào)Xn－1；當(dāng)探頭對(duì)平行焊縫經(jīng)過(guò)一個(gè)步長(zhǎng)ΔS掃描至位置B－B′處，此時(shí)窄槽端部在兩探頭連線(xiàn)的中垂線(xiàn)上，系統(tǒng)收到衍射A掃描信號(hào)Xn；當(dāng)探頭沿著掃描方向再經(jīng)過(guò)一個(gè)步長(zhǎng)到達(dá)C－C′處，系統(tǒng)收到窄槽尖端的A掃描信號(hào)為Xn＋1。由圖2所示的探頭對(duì)和缺陷端部構(gòu)成的幾何關(guān)系可以知道，當(dāng)探頭對(duì)處于B－B′位置時(shí)，缺陷的衍射A掃描信號(hào)Xn比其兩側(cè)的衍射信號(hào)更早接收到。很明顯，在B－B′位置接收到的衍射信號(hào)Xn才能真正地為定位裂紋端部的深度以及橫向位置提供準(zhǔn)確的信息。由上面整個(gè)過(guò)程可以看出，探頭對(duì)不在缺陷的正上方時(shí)，系統(tǒng)同樣可以接收到同一缺陷的A掃描信號(hào)，因此這一系列A掃描信號(hào)在形成D掃描圖像時(shí)，就導(dǎo)致了D掃描圖像分辨率很低的問(wèn)題，而無(wú)法準(zhǔn)確定位缺陷的深度以及橫向位置。

圖2 D掃描圖像生成示意圖

3 D掃描圖像的SAFT－D重建算法數(shù)學(xué)模型

將圖2中探頭對(duì)與缺陷相對(duì)位置關(guān)系的幾何模型簡(jiǎn)化，如圖3所示。

圖3 探頭對(duì)和缺陷端部的幾何位置關(guān)系

圖中2S為兩探頭聲發(fā)射點(diǎn)間距；O～O′為缺陷埋深尺寸d；ΔS為探頭對(duì)掃描步長(zhǎng)。當(dāng)探頭對(duì)處于缺陷正上方B－B′時(shí)，接收到缺陷尖端O′處的衍射信號(hào)時(shí)間為：

當(dāng)探頭對(duì)處于A－A′位置時(shí)，接收到缺陷尖端O′處的衍射信號(hào)時(shí)間為：

將式（1）和（2）進(jìn)行推廣。對(duì)于兩探頭偏離缺陷正上方k個(gè)掃描步長(zhǎng)處獲得的A掃描信號(hào)X n＋k，計(jì)算其衍射波去除探頭延遲的到達(dá)時(shí)間相對(duì)于t n的延遲量Δt n＋k。延遲公式如下：

在進(jìn)行SAFT時(shí)移運(yùn)算時(shí)，按上述求得的延遲量對(duì)參與SAFT運(yùn)算的A掃描信號(hào)分別進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)移。以側(cè)向波信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間為參考，SAFT運(yùn)算采用加窗處理。窗寬為參與平移求和運(yùn)算的A掃描信號(hào)的個(gè)數(shù)；窗高選取側(cè)向波開(kāi)始，到變形波的底波結(jié)束。對(duì)D掃描圖像，窗內(nèi)的A掃描信號(hào)逐一做SAFT處理，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中Xn（tn）為衍射波到達(dá)時(shí)刻為tn的A掃描信號(hào)X n經(jīng)過(guò)SAFT處理后的返回信號(hào)；N為參與XnSAFT運(yùn)算其兩側(cè)A掃描信號(hào)的個(gè)數(shù)，因此所加的窗寬度即為N＋1；Xi（ti－Δti）為經(jīng)過(guò)時(shí)移處理后的第i個(gè)A掃描信號(hào)，Δti為相應(yīng)的時(shí)移。

分別對(duì)Xn－1和Xn兩A掃描信號(hào)進(jìn)行SAFT時(shí)移運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果如圖4。對(duì)于偏離兩探頭連線(xiàn)中垂線(xiàn)處獲得的A掃描信號(hào)，其時(shí)移運(yùn)算結(jié)果會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算窗內(nèi)各A掃描信號(hào)的缺陷衍射波梯隊(duì)分布，如圖4（a）所示。通過(guò)窗內(nèi)各A掃描信號(hào)疊加及平均運(yùn)算后，缺陷信號(hào)的幅值會(huì)很弱，甚至趨于零。對(duì)于在兩探頭連線(xiàn)中垂線(xiàn)處獲得的A掃描信號(hào)，其SAFT時(shí)移運(yùn)算使窗內(nèi)各A掃描信號(hào)的缺陷衍射波在相同的時(shí)刻到達(dá)，如圖4（b）所示。通過(guò)各A掃描信號(hào)疊加及平均運(yùn)算后，缺陷信號(hào)的幅值仍然很強(qiáng)。

圖4 A掃描信號(hào)的時(shí)移結(jié)果示意圖

4 檢測(cè)結(jié)果

對(duì)試塊中的各個(gè)模擬缺陷實(shí)施TOFD法的D掃描，掃描參數(shù)為：兩探頭聲入射點(diǎn)間距2S＝64 mm，掃描步長(zhǎng)B＝0.47 mm，數(shù)據(jù)縱向精度A＝0.22 mm。

圖5（a）為試塊的原始D掃描圖像，圖像包含信息有側(cè)向波、缺陷回波、底面波以及變形波部分。

對(duì)圖5（a）的原始D掃描圖像進(jìn)行SAFT－D重建處理。假設(shè)運(yùn)算窗寬度用win表示，運(yùn)算窗寬度分別設(shè)置為15和31。重建結(jié)果如圖5（b）和（c）所示。圖中顯示，原始D掃描圖像窄槽兩端都出現(xiàn)半拋物線(xiàn)狀的圓弧，這些干擾信息使得窄槽的兩端很難去判斷，給準(zhǔn)確測(cè)量窄槽的長(zhǎng)度帶來(lái)了很大的問(wèn)題。而且圖像中含有大量的高頻噪聲，有可能會(huì)湮沒(méi)圖像中弱的回波信號(hào)，從而影響對(duì)于有用弱信號(hào)的判斷。SAFT－D重建后的圖像中，隨著聚焦孔徑的增大，圖像中窄槽兩端半圓弧狀的干擾信息已經(jīng)基本上被完全抑制掉了，提高了圖像的橫向分辨率，并且有效消除了原始圖像中的高頻噪聲。

圖5的重建結(jié)果表明，SAFT－D算法的聚焦效果受聚焦孔徑大小即所加運(yùn)算窗寬影響，孔徑越大，聚焦效果越理想。但是，隨著孔徑的增加，聚焦算法的運(yùn)算量也將增加。綜合以上，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試試驗(yàn)，實(shí)際處理過(guò)程中SAFT－D算法的聚焦孔徑選取30～40之間比較理想。

5 結(jié)論

（1）建立了超聲TOFD法D掃描圖像的SAFT－D算法的數(shù)學(xué)模型，為實(shí)現(xiàn)TOFD圖像的合成孔徑聚焦重建提供了依據(jù)。

（2）提出的SAFT－D算法選取的窗寬和高可調(diào)，既可以對(duì)整個(gè)D掃描圖像區(qū)域進(jìn)行全局聚焦，也可以對(duì)局部感興趣特征區(qū)域進(jìn)行局部聚焦，且算法已經(jīng)進(jìn)行了最優(yōu)化處理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際意義上的一鍵SAFT功能。

圖5 試塊的原始D掃描圖像和SAFT－D處理后的圖像

（3）該算法在消除TOFD圖像干擾信息的基礎(chǔ)上，還可以起到平滑濾波、消除圖像噪聲的效果，提高TOFD圖像的信噪比。

（4）總結(jié)出SAFT－D算法的聚焦效果與聚焦孔徑以及算法復(fù)雜度之間的關(guān)系。聚焦孔徑越大，聚焦效果越好，運(yùn)算復(fù)雜度越高。

［1]遲大釗，剛鐵，袁媛，等.面狀缺陷超聲TOFD法信號(hào)和圖像的特征與識(shí)別［J].焊接學(xué)報(bào)，2005，26（11）：1－4.

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