謝 雪 ，祝美麗，金士杰，楊會敏，崔 哲，張東輝，林 莉，張樹瀟，劉麗麗

（1.大連理工大學(xué) 無損檢測研究所，大連 116024；2.核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司，北京 101601）

超聲衍射時差（TOFD，Time of fight diffraction）技術(shù)以其原理簡單、缺陷定量精度高、可靠性好、檢測簡便快捷、結(jié)果直觀等特點而越來越多地被應(yīng)用于焊縫無損檢測中［1－4］。由其原理可知，TOFD 對于缺陷定深具有較高精度，但在缺陷長度定量方面誤差較大。1996 年英國的Silk［5］提出可以利用拋物線指針法對缺陷長度進(jìn)行定量，其中橫向缺陷的檢測精度可達(dá)幾個毫米。近年來國內(nèi)外的研究者則開始將合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT，Synthetic aperture focusing technology）應(yīng)用于超聲TOFD的B掃成像來提高其橫向分辨率［6－8］；周靖宇［9］、王子成［10］等先后將SAFT 應(yīng)用于TOFD 檢 測D 掃 圖像處理，提高了圖像的橫向分辨率，使得缺陷識別能力增強(qiáng)。

針對TOFD 技術(shù)中缺陷長度定量問題，筆者將SAFT 應(yīng)用于D 掃圖像處理，從模擬角度對SAFT處理技術(shù)在缺陷長度定量中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步討論了ADD 方法對SAFT 成像質(zhì)量的提高效果。

1 TOFD檢測的缺陷長度定量難點

TOFD 技術(shù)是通過D 掃查實現(xiàn)缺陷長度定量的，但由于TOFD 探頭發(fā)射的聲束具有一定的擴(kuò)散角（圖1），因此對焊縫中的缺陷進(jìn)行D 掃查時，在缺陷附近很大范圍內(nèi)均能接收到缺陷的衍射回波信號，這就形成了TOFD 檢測中的甩弧現(xiàn)象（圖2）。甩弧現(xiàn)象使檢測圖像的橫向分辨率降低，造成缺陷端點位置難以確定，進(jìn)而導(dǎo)致缺陷在長度方向上的定量誤差增大。目前TOFD 檢測中長度定量誤差一般可達(dá)±5 mm［11－12］，如何削 弱甩弧 現(xiàn)象是TOFD 技術(shù)缺陷長度定量的難點之一。

圖1 TOFD 聲場示意

圖2 TOFD 檢測中的缺陷甩弧現(xiàn)象示意

2 SAFT算法

SAFT 是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種信號處理手段，該技術(shù)具有兩大優(yōu)勢［13］：一是能夠提高聚焦區(qū)域的橫向分辨率；二是方位分辨率與缺陷和探頭之間相對距離及檢測聲波波長無關(guān)，因此具有近場適用性。

SAFT 基本原理如圖3所示，當(dāng)超聲探頭沿直線移動時，每隔距離d發(fā)射一個聲波信號，同時接收來自物體內(nèi)部各點的散射信號并加以儲存。然后，根據(jù)各成像點的空間位置，對接收到的信號作適當(dāng)?shù)穆晻r或相位延遲后進(jìn)行再合成，從而得到被成像物體的逐點聚焦聲像。在有缺陷的地方，回波信號進(jìn)行同相疊加，信號波幅得到增強(qiáng)；在無缺陷的地方，回波信號進(jìn)行隨機(jī)、無序疊加，信號將會變?nèi)跎踔邻呌诹悖虼薙AFT 可以提高圖像的分辨率和信噪比。

圖3 SAFT 檢測原理與數(shù)據(jù)處理示意

3 SAFT在D掃圖像中的應(yīng)用

利用CIVA 數(shù)值模擬軟件，建立與實際待檢試塊聲學(xué)特性一致的物理模型。模型試塊材質(zhì)為碳鋼，厚度100.0 mm；以矩形槽代替面積型缺陷，設(shè)計了9個埋深均為30.0mm，長度5.0～45.0mm、高度5.0mm的矩形槽，相鄰矩形槽之間的橫向間隔為30.0～40.0 mm。數(shù)值模擬采用一對標(biāo)準(zhǔn)的TOFD探頭，中心頻率為5MHz，晶片尺寸為6mm，聲束折射角為60°。

對模型進(jìn)行TOFD 檢測D 掃查仿真模擬，兩探頭中心間距設(shè)置為104.0mm，掃查間隔0.2 mm。模擬D 掃圖像如圖4（a）所示，從圖中可看到明顯的缺陷甩弧現(xiàn)象，且缺陷越短，甩弧的影響越大；特別是長度為5.0mm 的缺陷，其D 掃圖像類似于點狀缺陷，實際檢測中很難獲得精確的長度信息。

將模擬原始D 掃圖像中對應(yīng)的全部A 掃信號導(dǎo)出，利用SAFT 對A 掃信號進(jìn)行處理，得到重建后的D 掃圖像，如圖4（b）所示。從圖中可看出，經(jīng)過SAFT 處理后，缺陷兩端的干擾衍射信號明顯減弱，D 掃查過程中產(chǎn)生的缺陷甩弧現(xiàn)象得到減弱，且對于所有的缺陷D 掃圖像都有很好的修正效果。

圖5 經(jīng)SAFT 處理后缺陷長度的定量結(jié)果和定量相對誤差

根據(jù)處理后的D 掃圖像對缺陷長度進(jìn)行定量，定量結(jié)果和定量相對誤差如圖5所示，由圖可見經(jīng)SAFT 處理后的缺陷長度定量精度較高，定量誤差最大約為0.6mm，最大相對誤差約為8.0%。其中缺陷長度定量的絕對誤差相差不大，最大約為半波長λ／2，因此導(dǎo)致相對誤差的最大值出現(xiàn)在最小缺陷長度。

4 SAFTADD的應(yīng)用前景

SAFT 的缺點在于缺陷散射波中往往包含與缺陷位置無關(guān)的系統(tǒng)頻譜分量，因此將干擾成像結(jié)果的分辨率。不妨設(shè)被檢試樣信息為p（t），檢測系統(tǒng)信息為s（t），噪聲信號為n（t），則檢測信號y（t）可表示為：

其中“＊”表示卷積計算。在頻域，式（1）可以表示為：

式中：Y（f）、S（f）、P（f）與N（f）分別為y（t）、s（t）、p（t）與n（t）的傅里葉變換結(jié)果。

由此可見，在進(jìn)行SAFT 處理之前對A 掃信號進(jìn)行解卷積可以分離出被檢試樣信息p（t），從而提高檢測分辨率。實際檢測中，探頭不同聲束的信號頻率不同，僅通過單個特定參考信號解卷積并不合適。因此Farhang［14］提出一種將變角度解卷積（ADD）方法與SAFT 相結(jié)合的信號處理技術(shù)（SAFTADD），即根據(jù)缺陷位置選擇一系列信號作為參考對待處理信號進(jìn)行分窗解卷積，從而提高成像分辨率。

Jastrzebski［15］對鋁試塊中深31.5mm、直徑2.0mm 的橫通孔B 掃圖像分別進(jìn)行SAFT 和SAFTADD 處理，并對處理后的效果進(jìn)行了比較，圖6為模擬結(jié)果比較圖像。SAFT 法處理后的深度位置誤差、橫向位置誤差分別為1.05，1.25mm－1；SAFTADD 法處理后的深向、橫向位置誤差分別為0.67，0.75mm－1，表1為信號處理后的定量精度。與傳統(tǒng)SAFT 比較可見，SAFTADD 可以更好地提高圖像的時間分辨率以及橫向分辨率。

因此，可考慮將SAFTADD 應(yīng)用于具有一發(fā)一收雙探頭結(jié)構(gòu)的TOFD 檢測的缺陷長度定量中，根據(jù)缺陷深度位置信息選擇不同的參考信號，對每一列A 掃信號分別進(jìn)行分窗解卷積，再結(jié)合SAFT 進(jìn)行處理，從而進(jìn)一步提高TOFD 技術(shù)的缺陷長度定量精度。

圖6 SAFTADD 與SAFT 方法的信號處理效果對比

5 結(jié)論

根據(jù)TOFD 技術(shù)中缺陷定量幾何關(guān)系，將SAFT 技術(shù)引入TOFD 檢測中，實現(xiàn)了D 掃圖像的SAFT 處理與重建。結(jié)果表明，SAFT 能夠削弱缺陷端點處干擾衍射信號的影響，從而減弱甚至消除D 掃圖像中的缺陷甩弧現(xiàn)象，提高D 掃圖像橫向分辨率。最后，還比較了SAFT 與SAFTADD 技術(shù)的成像效果，并考慮將SAFTADD 應(yīng)用于TOFD 缺陷定量的下一步研究當(dāng)中。

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