全矩陣捕獲技術(shù)：最大限度提升便攜式相控陣檢測(cè)設(shè)備功能

全矩陣捕獲技術(shù)：一種最大限度提升便攜式相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備功能的新技術(shù)

便攜式相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入市場(chǎng)已經(jīng)將近20年了，如今隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，最新一代的相控陣超聲檢測(cè)工具能夠提供更好的振幅分辨率、更快的數(shù)據(jù)采集速率，而且還搭配了先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析軟件包，其優(yōu)秀的計(jì)算和數(shù)據(jù)分析能力也使無(wú)損檢測(cè)人員能夠進(jìn)行更為復(fù)雜的檢測(cè)，而這些新技術(shù)曾經(jīng)一度都被認(rèn)為是遙不可及的。

在眾多新技術(shù)中，今天我們來(lái)著重談?wù)勅仃嚥东@（Full Matrix Capture，F(xiàn)MC）技術(shù)。這是一種數(shù)據(jù)采集策略，對(duì)于給定的超聲相控陣換能器，F(xiàn)MC能夠利用相控陣超聲捕獲到每個(gè)可能的發(fā)射-接收信號(hào)組合。這種技術(shù)可以有效提高檢測(cè)的可靠性，有效減少重復(fù)掃描的次數(shù)，要知道的是，多次重復(fù)掃描會(huì)浪費(fèi)大量的成本和時(shí)間。

工作原理

相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)一般會(huì)使用具有多個(gè)元件（通常為16~64個(gè)）的探針，這些探針由計(jì)算機(jī)通過(guò)特定的延遲定律以高度受控的方式進(jìn)行激發(fā)，在信號(hào)接收之后，將每個(gè)元件的貢獻(xiàn)相加產(chǎn)生一個(gè)A掃描。

相控陣超聲檢測(cè)儀器可以產(chǎn)生聚焦的超聲波束，而且還可以使其具有不同的轉(zhuǎn)向角，這能夠有效簡(jiǎn)化和改進(jìn)對(duì)具有復(fù)雜幾何形狀的零部件及不同材料的檢測(cè)，這類零部件通常都比較難檢測(cè)，因?yàn)椴煌课换虿牧系穆晫W(xué)特性各不相同。

需要注意的是，使用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，一個(gè)發(fā)射脈沖和一個(gè)接收信號(hào)就可以產(chǎn)生一個(gè)A掃描。而對(duì)于FMC，探針中的每個(gè)陣列元件是依次被用作單個(gè)發(fā)射器，但所有陣列原件可以同時(shí)用作接收器。通過(guò)捕獲和存儲(chǔ)陣列中每個(gè)收發(fā)組A掃描信號(hào)，可以為任何給定的聚焦/光束（光圈、折射/傾斜角度、聚焦位置）生成超聲波圖像，再應(yīng)用最新的后處理算法就可以為檢測(cè)人員呈現(xiàn)出最佳的檢測(cè)結(jié)果。而且，F(xiàn)MC數(shù)據(jù)集可以多次處理，利用不同的重構(gòu)參數(shù)得到不同的結(jié)果。

舉一個(gè)關(guān)于總聚焦法(TFM)的例子，這是一種高級(jí)的處理算法，它使用FMC技術(shù)收集數(shù)據(jù)來(lái)生成像素幀，其中每個(gè)像素都使用專用的聚焦法則進(jìn)行計(jì)算，這導(dǎo)致每個(gè)像素都有一個(gè)焦點(diǎn)（從理論上講，每個(gè)像素都是完美聚焦的）。通過(guò)硬件和軟件的正確組合，F(xiàn)MC和TFM聯(lián)合成為了處理和重建數(shù)據(jù)進(jìn)行缺陷表征的強(qiáng)大工具。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量

為了更好的理解FMC期間獲取的數(shù)據(jù)量，可以參考以下示例：

假設(shè)一個(gè)探針具有n個(gè)元件，那么，它會(huì)形成脈沖n次（每個(gè)元件一次），這意味著超聲脈沖的聲學(xué)傳播時(shí)間會(huì)發(fā)生n次。由于對(duì)每個(gè)脈沖進(jìn)行一次基本A掃描都是數(shù)字化的，所以在整個(gè)發(fā)射周期后收集的基本A掃描的總數(shù)為n2。

圖1

當(dāng)n值為16，32和64時(shí)，數(shù)據(jù)采集量將以如下規(guī)模擴(kuò)展：

? 16元件探針：探針脈沖16次，收集了256個(gè)基本A掃描。
? 32元件探針：探針脈沖32次，收集了1024個(gè)基本A掃描。
? 64元件探針：探針脈沖64次，收集了4096個(gè)基本A掃描。

收集的掃描數(shù)決定了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，并影響著稍后重新生成圖像的能力。所以，即使您不了解所有的技術(shù)細(xì)節(jié)，這里的解釋也應(yīng)該說(shuō)明了為什么文件大小對(duì)FMC來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

FMC的典型配置采用了當(dāng)今的很多先進(jìn)技術(shù)。為了提高孔徑大小（aperture size）、波束形成能力和聚焦能力，F(xiàn)MC采用了64單元探針；典型的基本A掃描長(zhǎng)度大約是80μs，并且每個(gè)掃描都必須具有足夠的時(shí)間基礎(chǔ)。對(duì)于通常具有8192個(gè)樣本的A掃描，其中每個(gè)樣本2個(gè)字節(jié)，所以，單個(gè)FMC探針位置所需的存儲(chǔ)空間為64 MB：4096×8192×2（基本A掃描×樣本計(jì)數(shù)×字節(jié)計(jì)數(shù)），此存儲(chǔ)大小適用于沿掃描線的每個(gè)探針位置。

FMC所需的存儲(chǔ)量（64元件探針最多需要64MB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量）還取決于進(jìn)一步進(jìn)行的比例分解。為了獲得足夠的數(shù)據(jù)采集速度，儀器數(shù)據(jù)的吞吐量也必須非常高。例如，要達(dá)到30Hz，就需要1.8GB/秒（64MB×30Hz）的數(shù)據(jù)吞吐量。因此，掃描具有典型分辨率的12英寸管道將為無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用程序生成一個(gè)非常大的存儲(chǔ)文件：（12英寸×3.1416/0.039英寸掃描分辨率）×64MB=60GB。

巧妙的縮減方式

雖然用于FMC數(shù)據(jù)采集的硬件和軟件需要能夠處理大量的A掃描數(shù)據(jù)，但從管理角度來(lái)說(shuō)，文件大小和數(shù)據(jù)的積累還是需要盡量的被有效壓縮。

考慮FMC發(fā)射和接收信號(hào)的基礎(chǔ)模式，元件組合可以用矩陣表示，行表示觸發(fā)元件，列表示接收元件。

在圖1所示的發(fā)射矩陣中，存在具有等效超聲路徑和特征的一對(duì)組合，如A21在路徑和信號(hào)中等效于A12，而A41在路徑和信號(hào)中等效于A14。

半矩陣捕獲（HMC）是一種旨在分解這些相同路徑的技術(shù)。通過(guò)應(yīng)用HMC，所需的A掃描數(shù)量就會(huì)從n2下降到n(n+1)/2。對(duì)于每個(gè)等效對(duì)，只需保留一個(gè)元素組合即可，這將減少近一半的數(shù)據(jù)量，如圖2所示。

圖2

FMC數(shù)據(jù)的處理和再利用

由于每秒會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，目前通常有兩種方法來(lái)處理FMC數(shù)據(jù)：

1.使用和丟棄：一些儀器使用FMC數(shù)據(jù)作為儀器內(nèi)的單個(gè)探頭定位，并使用專用高速硬件進(jìn)行處理。FMC數(shù)據(jù)被處理并發(fā)送到軟件以供查看，然后丟棄設(shè)備內(nèi)的數(shù)據(jù)，以保留可用的空間和速度。

2.傳輸、保留和再利用：還有一些儀器支持存儲(chǔ)FMC數(shù)據(jù)。但是將數(shù)據(jù)從儀器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上需要高效的數(shù)據(jù)傳輸器。FMC數(shù)據(jù)非常消耗硬盤空間，不過(guò)存儲(chǔ)了原始A掃描信號(hào)，就意味著您可以隨時(shí)使用不同的重建參數(shù)集對(duì)其再次進(jìn)行分析。

FMC技術(shù)仍然在不斷發(fā)展，隨著軟件和硬件系統(tǒng)的不斷進(jìn)步，未來(lái)的FMC技術(shù)將能夠提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，處理更大的數(shù)據(jù)文件，并產(chǎn)生更高的信號(hào)質(zhì)量。總之，這是一種非常先進(jìn)的技術(shù)，是相關(guān)人員應(yīng)該詳細(xì)了解的一門技術(shù)。

作者：Daniel Richard
譯者：Vince
譯自：qualitymag