全新相控阵三维全聚焦成像检测技术

      传统的相控阵超声检测技术根据特定聚焦法则并行激发多个阵元，从而使得合成超声波束在被检工件内实现偏转和聚焦，再把接收到的信号依据聚焦法则延时累加起来形成最终的检测结果。由于传统相控阵是基于发射单点聚焦或者发射多点动态聚焦的技术，阵元组的激发次数将直接影响检测结果图像的刷新率，因此传统相控阵技术即使采用动态聚焦也是分段的动态聚焦，实际上并不具备高分辨率的聚焦检测能力。
      
      全聚焦(TFM)技术是近年来随着高速处理器的发展而出现的一种基于全矩阵数据采集(FMC)的图像后聚焦新技术。该技术依次顺序激发阵列探头的每单个阵元且所有阵元同时接收信号，遍历激发整个阵列之后采集到全矩阵数据，再根据相应的全聚焦法则，提取相应有效回波数据累加到全聚焦图像的目标成像区域即可实现全聚焦成像。由于全聚焦技术在目标成像区域的每一个像素点都对应一个聚焦法则，即全聚焦图像的每个像素点都是聚焦点，因而能够提供被检工件的高分辨率成像检测结果。
      当前国内外专家学者对于相控阵全聚焦技术的研究，基本都集中在一维线阵相控阵探头的二维全聚焦成像上。二维全聚焦成像技术确实能够有效检出工件内的各种缺陷，且检测图像的缺陷分辨率较高，但是由于成像结果仅是工件内部的一个切片成像信息，并不能有效反应缺陷的立体结构以及尺寸大小。
      为此，超声电子重点工程技术研究开发中心提出了一种三维全聚焦成像技术。根据设计的3D全聚焦法则，采用FPGA(现场可编程门阵列)实时进行全聚焦运算处理并得到3D全聚焦图像。由于使用二维面阵探头实现全矩阵数据的采集，探头各阵元在三维空间中能够充分采集到工件内的缺陷从各个方向上反射回来的信息，从而根据3D全聚焦法则能够重构出工件内缺陷的真实结构。
      3D全聚焦系统工作原理：
      相控阵3D全聚焦系统由两大部分组成：全矩阵数据采集系统以及实时3D全聚焦成像。
      全矩阵数据采集系统由64并行相控阵数据采集通道和超声相控阵探头组成。由于研究对象是三维全聚焦成像，选用64阵元8×8的面阵相控阵探头，其中每个阵元对应一个相控阵采集通道。
      3D全聚焦成像的核心是系统需要预先生成并内置相应的3D全聚焦法则。初始化阵列面各阵元坐标，以阵列面作为基准坐标系定义3D成像区域范围及其3D目标图像的成像精度，计算面阵各阵元到成像区域目标点的声波传播时间并存储，即生成聚焦法则。在实时聚焦过程中，系统根据存储的法则，相应提取对应收发阵元组接收到的A型波采样点，在各法则对应的目标成像区域点处进行累加、平均运算，最终形成3D全聚焦的图像。
      相控阵全聚焦技术的检测成像结果具有极高的分辨率，能够有效检出被检工件内的缺陷。
      3D-TFM技术相比2D-TFM技术来说，其成像结果更加直观，能够真实地反映缺陷的外形，能够有效提高对于缺陷的定性、定量检测能力，减少对缺陷的误判以及漏检。高效、灵活的局部区域实时高清3D成像检测能力，突破了传统相控阵技术固定单一的成像模式，可以应用于螺栓检测、汽车点焊检测以及薄板复合材料检测等领域。