基于AR-TFM方法的超聲成像分辨力提升

相控陣超聲檢測（PAUT）技術(shù)在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，其成像分辨力約為2λ~3λ（λ為超聲波長）。以全聚焦方法（TFM）為代表的相控陣超聲成像后處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)待檢測區(qū)域的逐點聚焦，將成像分辨力最高提升至λ。根據(jù)瑞利準(zhǔn)則，超聲檢測系統(tǒng)以有限帶寬發(fā)射和接收脈沖信號，極限分辨力通常為波長級。自回歸（AR）譜外推方法通過拓寬頻域范圍，壓縮時域脈沖寬度來提高信號的時間分辨力。因此，將AR譜外推與TFM相結(jié)合，對全矩陣數(shù)據(jù)中各A掃描信號進行脈沖壓縮，隨后實施TFM成像，可突破聲波衍射的限制，進一步提高成像分辨力。有效頻帶和AR階數(shù)的選擇對信號處理結(jié)果至關(guān)重要，而現(xiàn)有文獻多通過大量對比信號外推結(jié)果，以確定最佳AR參數(shù)，計算成本高，適用性相對較低。大連理工大學(xué)、核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司和中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司的科研人員將多頻帶AR譜外推與TFM相結(jié)合，提出了AR-TFM方法，采用基于高階累積量的奇異值分解方法（SVD）確定AR階數(shù)，對全矩陣數(shù)據(jù)實施多頻帶外推處理和TFM成像，提高超聲成像分辨力。基于此，將所提方法應(yīng)用于碳鋼試塊中3個相鄰圓孔的分離辨識，并進行了仿真和試驗驗證。1AR-TFM方法原理全矩陣捕捉是一種超聲數(shù)據(jù)采集方式，相控陣探頭中每個陣元依次發(fā)射超聲脈沖，所有陣元接收并儲存A掃描信號。對于陣元數(shù)為N的相控陣探頭，經(jīng)過全矩陣捕捉采集得到的信號數(shù)量為N2。首先，對全矩陣數(shù)據(jù)中的每個信號進行多頻帶AR譜外推處理。有效頻帶和AR階數(shù)的選擇對外推結(jié)果存在顯著影響，受實際檢測噪聲等因素干擾，AR階數(shù)過高將產(chǎn)生過擬合現(xiàn)象，導(dǎo)致信號出現(xiàn)虛假信號峰。較窄的有效頻帶會損失更多的原頻譜特征，處理后的信號將產(chǎn)生畸變，影響缺陷定位；較寬的有效頻帶則保留了較多原頻譜特征，但同時包含了更多噪聲成分，使得有用信號淹沒在噪聲中，外推處理后難以正確分離不同的缺陷信號。圖1相控陣線陣探頭聲束傳播路徑示意如上圖所示，首先建立二維笛卡爾坐標(biāo)系，x軸和z軸分別平行于和垂直于待測樣品表面，設(shè)i陣元發(fā)射，j陣元接收信號為yij(t)，t為時間。通過基于高階累積量的SVD方法確定AR階數(shù)k，該方法無需模型參數(shù)的先驗信息，數(shù)值魯棒性高，運算量小。此外，將信號頻譜Y(ω)最大幅值下降εdB對應(yīng)的頻域窗口定義為有效頻帶，其頻率范圍為ω1~ω2，如圖2所示。在高信噪比頻段（ε為6~10dB）內(nèi)選擇n個有效頻帶εl（1≤l≤n），以保留足夠的頻譜特性并減少低信噪比分量的干擾。圖2頻譜最大幅值下降εdB對應(yīng)的有效頻帶對于每個有效頻帶εl，通過Burg方法計算AR系數(shù)ap（1≤p≤k）。使用前向預(yù)測公式和后向預(yù)測公式外推有效頻帶以外的高頻和低頻分量。前向預(yù)測公式為：ω>ω2后向預(yù)測公式為：0≤ω<ω1式中：M為在采樣頻率ωs下的采樣點數(shù)；a*p為ap的復(fù)共軛；(ω)為外推頻帶。外推后頻譜為(k,ωl,ω)，通過逆傅里葉變換將轉(zhuǎn)換為脈寬較窄的時域信號(k,εl,t)。隨后，對n個外推信號求取平均值，得到(t)，其中ε值和有效頻帶的數(shù)量n應(yīng)根據(jù)實際檢測情況加以調(diào)整。一般來說，選擇n=3，即有效頻帶為10dB，8dB和6dB。在此基礎(chǔ)上，對經(jīng)過多頻帶AR譜外推處理的全矩陣數(shù)據(jù)進行TFM成像。在成像區(qū)域劃分網(wǎng)格，將每組時域信號通過延時疊加聚焦到每個網(wǎng)格點以實現(xiàn)圖像表征。將每個陣元簡化為一個點，定義第i個陣元坐標(biāo)為(xi,0)。陣元i發(fā)出的超聲波入射到待檢樣品中，到達任意聚焦點Q(xref,zref)并發(fā)生散射，最終被陣元j接收。根據(jù)各陣元到達點Q的時間計算延遲法則，該點積分響應(yīng)總幅值為：式中：tQ為i陣元發(fā)出的超聲波通過點Q到達j陣元的時間。式中：CL為試塊的縱波聲速。同理依次得到每個聚焦點的幅值，即可完成整個被測區(qū)域的成像。2仿真模擬采用CIVA軟件中的超聲仿真模塊，建立厚度為90mm的碳鋼試塊模型，設(shè)置縱波聲速為5900m/s。在2.25MHz的檢測頻率下，波長λ約為2.6mm。一般來說，半波長是超聲可檢缺陷的最小尺寸。因此，模型中設(shè)置3個直徑為1.3mm（0.5λ）的圓孔。其中，1號圓孔中心深度為33.7mm；2號圓孔中心深度為35.0mm；3號圓孔中心深度為36.3mm；相鄰圓孔的中心間距均為1.8mm（約0.7λ）。采用中心頻率為2.25MHz，32陣元的相控陣探頭采集全矩陣數(shù)據(jù)。碳鋼試塊模型如下圖所示。圖3碳鋼試塊模型示意對全矩陣數(shù)據(jù)進行TFM成像，結(jié)果如圖4(a)所示，受瑞利準(zhǔn)則限制，超聲成像難以區(qū)分這3個相鄰圓孔。通過SVD方法確定AR階數(shù)為3，令k=3，分別選擇ε1=10dB，ε2=8dB，ε3=6dB，對全矩陣數(shù)據(jù)中的每個信號進行AR譜外推處理，并對結(jié)果進行平均加權(quán)，最后實施TFM成像，其結(jié)果如圖4(b)所示。圖4碳鋼試塊圓孔缺陷仿真成像結(jié)果顯然，將多頻帶AR譜外推與TFM相結(jié)合能夠提高成像分辨力。探頭與缺陷的相對位置導(dǎo)致缺陷之間存在遮擋，3個圓孔的成像幅值不一，較深缺陷幅值最低，但在-6dB閾值下仍能有效分離辨識出3個缺陷。1，2，3號圓孔上端的測量深度分別為33.15mm，34.60mm和36.05mm，最大深度定位誤差不超過0.40mm，相對誤差不超過1.1%。測量得到1號與2號圓孔的中心距為1.53mm，2號與3號圓孔的中心距為1.57mm，中心距誤差不超過0.27mm，相對誤差不超過15%。3試驗驗證檢測試塊材料為碳鋼，聲速為5900m/s，尺寸為長200mm，寬90mm，高25mm，碳鋼試塊實物如下圖所示。試塊中加工3個直徑1.3mm的圓孔，相鄰圓孔的中心距約為1.8mm。1，2，3號圓孔的中心深度分別為33.7mm，35.0mm，36.3mm。圖5碳鋼試塊實物采用奧林巴斯相控陣探頭（中心頻率為2.25MHz，32陣元）采集全矩陣數(shù)據(jù)。常規(guī)TFM成像結(jié)果如圖6(a)所示，可見成像結(jié)果混疊，-6dB閾值下難以區(qū)分缺陷位置和數(shù)量，未達到亞波長級分辨力。圖6碳鋼試塊圓孔缺陷試驗成像結(jié)果采用SVD方法確定AR階數(shù)為3，令k=3分別選擇ε1=10dB，ε2=8dB，ε3=6dB對全矩陣數(shù)據(jù)進行AR譜外推處理和平均加權(quán)，繼而實施TFM成像，其結(jié)果如圖6(b)所示，可見3個中心距為0.7λ的圓孔得到了有效分離，實際檢測成像結(jié)果與仿真成像結(jié)果相似，較深圓孔的幅值較低。經(jīng)測量，1號圓孔上表面的深度為33.2mm，2號圓孔為34.7mm，3號圓孔為36.3mm，定位誤差不超過0.65mm，相對誤差不超過2.8%；1號與2號圓孔的中心距為2.05mm，2號與3號圓孔的中心距為1.75mm，中心距誤差不超過0.25mm，相對誤差不超過13.9%。仿真與試驗結(jié)果表明AR-TFM方法可突破聲波衍射的限制，將成像分辨力提高至亞波長級，缺陷定位結(jié)果準(zhǔn)確，具有較高的魯棒性和適用性。結(jié)論(1)提出了將多頻帶AR譜外推和TFM相結(jié)合的AR-TFM方法，將超聲成像分辨力從波長級提升至亞