郭瑞鵬，王海濤，徐　君，汪　文，趙大丹，龍絨蓉

(1.南京航空航天大學 自動化學院, 南京 210016;2.煙臺富潤實業(yè)有限公司， 煙臺 264002)

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時間增益補償在超聲相控陣檢測中的應用

郭瑞鵬1，王海濤1，徐君1，汪文1，趙大丹1，龍絨蓉2

(1.南京航空航天大學 自動化學院, 南京 210016;2.煙臺富潤實業(yè)有限公司， 煙臺 264002)

介紹了時間增益補償?shù)墓ぷ髟?，同時提出了方差補償、閾值補償、余差補償三種不同的校正方法;采用此三種方法進行成像顯示對比試驗,以補償因聲波信號衰減和能量傳輸引起的增益變化，從而改善相控陣的成像效果。結果表明，在超聲相控陣檢測中，三種補償方法均能有效提高缺陷的檢測率和分辨率，可增強檢測人員對被測件內部缺陷判別的可靠性。

時間增益補償；方差補償；閾值補償；余差補償；缺陷分辨率

超聲波在介質中傳播，由于波束擴散、晶粒散射和介質吸收等原因，會出現(xiàn)能量逐漸衰減的現(xiàn)象[1]。同樣，相同反射系數(shù)的聲反射界面，由于深度的不同，相控陣換能器接收到的回波信號將不同[2]，于是也就不能真實地反映所檢測樣本的質量情況。

相控陣的圖像顯示[3]是用顏色對波幅進行編碼的，也就是通過顏色對超聲信號傳播不連續(xù)的嚴重程度進行判定，所以將波幅拉得同樣高而顯示為統(tǒng)一的顏色，結果會更加準確。如果將近場和遠場的回波信號放大相同的倍數(shù)，容易使大小和結構相同、深度不同的缺陷出現(xiàn)不同的圖像顯示，甚至出現(xiàn)漏檢的現(xiàn)象。筆者提出一種時間增益補償?shù)姆椒?，該方法根?jù)深度增加逐步調整放大器的增益，使得超聲波在傳播過程中的衰減情況得到相應的補償[4]，從而得到更好的成像效果。

1　時間增益補償原理

超聲波在介質中的衰減使得回波信號的幅度呈指數(shù)衰減[5]，如圖1所示。時間增益補償?shù)脑?，實際上是采用一定的電壓曲線來控制放大器的增益，使不同深度下的超聲回波獲得不同的放大倍數(shù)。文章通過一種信號處理的方式，對信號進行后期處理，以補償材料衰減和聲束擴散衰減，如圖2所示，由此可極大地增強對整個被測樣本體積中的缺陷檢測和顯示的性能。

圖1　超聲波聲強、聲壓隨聲波傳播距離的衰減

圖2　時間增益補償作用原理及補償后聲壓隨聲波傳播距離的變化

相控陣成像是通過控制陣列換能器中各個陣元激勵或接收脈沖的時間延遲，通過合成聲束的聚焦和偏轉等形成成像掃描線[6]。相控陣圖像以二維彩圖形式顯示，顏色可根據(jù)數(shù)值(與回波幅值大小成正比)的大小調整，故圖像結果直接受到數(shù)據(jù)對比度的影響。時間增益補償是超聲波信號處理中增益控制的一種常用方式，可使得不同深度下的超聲回波獲得不同的放大倍數(shù)，從而得到相同的增益。筆者在分析TCG(時間校正增益)曲線[7-8]的基礎上,提出了時間增益補償方法，并采用方差補償、閾值補償、余差補償三種不同的方法進行成像顯示對比試驗。

圖3　圓形直探頭的聲壓衰減示意

1.1方差補償法

采用鋁板作為樣本，縱波聲速為6320 m·s-1，相控陣探頭為16陣元的陣列換能器，陣元高度9 mm，陣元間距0.05 mm，采樣頻率50 MHz，從-40°到40°每隔1°進行S掃查。時間增益補償?shù)脑O計關鍵是要確定被檢測樣本的衰減規(guī)律，然后根據(jù)此衰減曲線來確定合適的補償曲線。圖3是圓形直探頭的聲壓衰減曲線，從中可看出，超聲信號在50～100 mm處聲波能量迅速下降，衰減加劇，從而嚴重影響后期對回波信號的處理，容易造成成像的缺失，此時就需要有一個很好的補償機制來解決這一問題。

TCG曲線可通過用相關原理推算(需要衰減系數(shù))；或者通過實際采集超聲回波信號來制定，對于同一檢測對象具有相同尺寸、不同深度時會產(chǎn)生不同的回波信號。選取單點聚焦發(fā)射單點聚焦接收時采集得到一組回波數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是同一類型缺陷在不同深度下的回波數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行取包絡、歸一化等處理后即可得到一條標準線，如圖4所示。

圖4　某類型缺陷在不同深度下的回波數(shù)據(jù)的時間補償標準曲線

圖5　缺陷回波數(shù)據(jù)(對應于圖4)的時間增益方差補償

對圖4所示的缺陷回波數(shù)據(jù)，用Matlab仿真能得到每點的信號增益和校正增益間的方差值，如圖5(a)所示，可以看出有缺陷處的方差極小且穩(wěn)定在0～1.4×10-9間;根據(jù)這些方差值，可以實現(xiàn)時間增益補償，如圖5(b)所示。

分析圖5可知，方差數(shù)據(jù)和回波信號中所帶的缺陷信息是相關聯(lián)的，此方法可彌補由成像對比度造成的缺陷漏檢情況。缺陷信號未補償與方差補償后的成像對比示例如圖6所示，在同等試驗條件下，第一幅圖，在坐標(-20，30)、(-5、40)、(10，50)處出現(xiàn)了體積缺陷，但是(20，60)處的缺陷只顯示了一小部分缺陷信息；經(jīng)過時間增益補償之后，如圖6(b)所示，坐標(20，60)處的缺陷就顯示出來了，可見時間增益補償可以提高圖像的缺陷檢出率和分辨率。

圖6　缺陷信號未補償成像與方差補償后成像對比示例

1.2閾值補償法

時間增益補償是采用補償增益的方法來補償回波信號的增益的，由此引發(fā)了最簡單的閾值校正，即只需在原來的基礎上，加一個合適的閾值就可以實現(xiàn)對圖像的補償。圖6中點(-10,40)處缺陷的閾值數(shù)據(jù)如圖7所示,在圖中的數(shù)據(jù)圖里(取圖6中點(-10,40)處的一個缺陷)，可以很清楚地看出缺陷的大小形狀信息。

閾值補償法無需任何其他數(shù)據(jù)依據(jù)，在數(shù)據(jù)成像之前進行補償，即能達到補償?shù)男Ч?，從而提高圖像的缺陷分辨率，如圖8所示。試驗表明，閾值補償法可以得到理想的成像效果，由圖8(b)可清楚地看到未補償時(圖8(a))漏顯的坐標(20，60)處的缺陷。

圖7　圖6中點(-10,40)處缺陷的閾值數(shù)據(jù)

1.3余差補償法

時間增益補償?shù)脑砭褪且沟猛蝗毕菰谕粰z測樣品上得到的增益相同，余差補償法同樣可以實現(xiàn)這一補償功能。同一缺陷在同一檢測條件下,由于信號衰減得到的回波數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后形成的曲線(未補償)及補償后的曲線如圖9所示。

缺陷信號未補償與余差補償后的成像對比如圖10所示，未補償時，在坐標(0，30)、(0，40)處分別出現(xiàn)了較清晰的缺陷，坐標(0，50)處的缺陷較模糊;從經(jīng)過余差補償法補償之后的圖像,可清楚地看出坐標(0，50)處的缺陷，甚至坐標(0，60)處也出現(xiàn)了缺陷，這與實際的試驗缺陷相符合。由此可見，余差補償法也可以很好地實現(xiàn)時間增益補償，使得缺陷信息完整地體現(xiàn)出來，有助于檢測人員對缺陷的判別。

圖8　缺陷信號聲壓歸一化處理后的閾值補償前后的成像對比示例

圖9　缺陷回波數(shù)據(jù)的未補償與余差增益補償后的曲線示例

1.4三種補償法的比較

上述三種補償法都能實現(xiàn)時間增益補償，提高缺陷的檢出率和分辨率進而改善圖像的成像效果，但是三者的成像效果還是有所區(qū)別的。選取標準船型鋁試塊上的幾個垂直缺陷，對應的位置坐標為(0，30)、(0，40)、(0，50)、(0，60)，增益選取為10 dB，通過三種補償法得到的成像如圖11所示。從圖中可清楚地看出，余差補償后可以較清楚地辨別4個缺陷，而閾值補償和方差補償只能呈現(xiàn)3個缺陷；在第三個缺陷的成像上,閾值補償?shù)男Ч直确讲钛a償?shù)暮?。由此可見，在相同的較小增益下，余差補償?shù)男Ч詈?。但是，當增益增大?5 dB時,與之前的10 dB增益相比，圖像會產(chǎn)生偽像[9]，且不同的補償法受到偽像的影響不同,如圖12所示。由圖12可看出,方差補償和閾值補償法使得圖像顯示的橫向分辨率低下，導致橫向結構粘連、圖像模糊；而余差補償法產(chǎn)生的偽像現(xiàn)象最小。

圖10　缺陷信號未補償成像與余差補償后成像對比示例

圖11　標準船型鋁試塊垂直缺陷(增益10 dB)的三種方法成像效果比較

圖12　標準船型鋁試塊垂直缺陷(增益35 dB)的三種方法成像效果比較

2　結語

超聲相控陣聲束的形成與晶片延遲和晶片組合的變化有關，因此應盡可能使來自每個聚焦法則的波幅響應趨于一致。因為這樣既可補償陣列探頭中晶片與晶片之間靈敏度的差異，又可補償在不同折射角度上楔塊衰減和能量傳輸效率的不同。在整個檢測過程中，時間增益補償既可以補償增益的變化，提高圖像的缺陷檢測率和分辨率，同樣可補償信號的衰減，雖然某種程度上引起了圖像的變形，但是可以增加后續(xù)數(shù)據(jù)采集部分的動態(tài)范圍，更有利于對缺陷的檢測。

[1]董志勇，胡金榜.超聲波衰減系數(shù)法評估材料損傷的研究[J].化工機械,2007，34(3):139-143.

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The Application of Time Gain Compensation in the Phased-array Defect Detection

GUO Rui-peng1, WANG Hai-tao1, XU Jun1, WANG Wen1, ZHAO Da-dan1, LONG Rong-rong2

(1.College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautic and Astronautics, Nanjing 210016, China;2.Yantai Furun Industrial Company with Limited Liability, Yantai 264002, China)

This paper introduces the working principle of time gain compensation and three different algorithms to realize time gain compensation, variance compensation, threshold compensation and residual compensation, which can compensate for changes of the gain due to signal attenuation and the energy transmission, so as to improve imaging effect of phased array. It was proved that these three kinds of compensation methods were effective to improve the defect detection rate and image resolution. Accordingly, the time gain compensation makes the detection of internal defects more reliable for inspectors.

Time gain compensation; Variance compensation; Threshold compensation; Residual compensation; Defect resolution

2015-05-28

國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局公益性行業(yè)科研專項資助項目(201510068);國家安監(jiān)局關鍵技術資助項目(山東0143-2014AQ)

郭瑞鵬(1981-),女,博士,講師,主要從事相控陣、激光超聲研究工作。

10.11973/wsjc201512007

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0028-05