超声无损检测技术经历了常规超声检测、相控阵超声检测、全聚焦超声检测的发展过程。常规超声检测技术最早普及应用，相控阵超声检测相对于常规超声检测具有更高的精度和检测效率，但同时也需要更高的成本和技术要求。随着相控阵超声标准的制定和推广，在某些行业中，相控阵超声检测技术逐步代替常规超声检测技术。
全矩阵捕获-全聚焦（FMC-TFM）超声无损检测技术最近几年开始成熟，相对于相控阵超声检测技术，全聚焦超声检测进一步提升了成像精度。由于FMC-TFM检测数据采集时间较长，成像计算复杂度很高，其成像效率远低于常规相控阵超声成像效率，这严重制约了FMC-TFM成像技术在工业生产领域的推广使用。
平面波全聚焦成像技术平衡了成像精度和成像效率的问题，其成像精度比相控阵超声的更高，成像效率又比FMC-TFM的更好，具有更好的应用前景。
平面波成像技术最早起源于医学成像领域，在1977年由BRUNEEL等提出，实现了1000 帧/s的超快超声成像。虽然平面波成像技术大幅提升了成像帧频，但由于成像质量较差，一直没有大规模进入临床应用。2009年，MONTALDO等提出了平面波相干复合成像技术，该技术有效改善了超快平面波成像的质量。同年， 法国Supersonic Imagine（声科）公司的Aixplorer型超声成像系统推向市场，数据采集帧频达到20000 帧/s，从此超声影像进入了超快超声新时代。
2016年，LE等研究了平面波全聚焦成像技术（PWI-TFM）在超声无损检测领域的实现方法，并将该技术的成像效果和FMC-TFM及相控阵超声的成像效果进行对比，证明了PWI-TFM成像技术可以通过更少的数据采集和更快的后处理算法获得更少的伪影和更高信噪比的图像。其提供的图像质量与TFM图像的相当，但采集的数据量更少，成像效率更高。此外，该成像技术可通过设置平面波入射角范围抑制可能影响缺陷表征的伪影。
笔者通过描述平面波全聚焦成像技术的原理和数据采集方法，推导了其声时计算公式然后进行检测试验 ，将其检测结果与相控阵超声及FMC检测结果对比，总结了其优点和不足，旨在为平面波全聚焦成像技术的推广与应用提供一些参考。
方法论述 数据采集 相控阵超声采用延迟法则来控制多个阵元激励声波在设定的焦点进行聚焦。假设聚焦孔径为N，相控阵超声采用N发N收的方式采集数据，N个阵元的数据采集完成后，通过延迟法则进行合成，合并成一条声束。 FMC-TFM采用每次一个阵元发射多个阵元同时接收，依次切换发射阵元的方式采集数据。假设聚焦孔径为N，则FMC全矩阵数据采集需采集第1阵元发射1到N阵元接收，第2阵元发射1到N阵元接收，…，第N阵元发射1到N阵元接收的数据。采集一帧数据共需N次发射，采集N×N个回波的数据。 PWI-TFM采用每次多个阵元发射多个阵元同时接收的方式采集数据，每次发射形成不同角度的平面波。假设每次采集需发射平面波角度数量为Q，聚焦孔径为N，则其采集一帧数据需进行Q次发射。第1次发射通过延迟法则控制N个阵元形成角度为θ1的平面波，N个阵元同时接收。第2次发射通过延迟法则控制N个阵元形成角度为θ2的平面波，N个阵元同时接收。依次进行，直到第Q次发射通过延迟法则控制N个阵元形成角度为θQ的平面波，N个阵元同时接收。共采集Q×N个回波的数据。PWI-TFM数据采集过程如图1所示。 图1 PWI-TFM数据采集过程示意 声时计算 类似于FMC-TFM，PWI-TFM在聚焦合成计算时需要考虑声波传输所需要的声时。PWI-TFM的声时分为两个部分，即从平面波到虚拟聚焦点的声时以及从虚拟聚焦点到阵元的声时。其中从聚焦点到阵元的声时tjP计算方法和FMC-TFM中从聚焦点到阵元的声时计算方法一样，下面重点介绍从平面波到虚拟聚焦点的声时计算方法，介绍分两种情况，即不含楔块情况和含楔块情况。 不含楔块PWI-TFM的声时计算 不含楔块时，通过控制阵元的延迟法则，在工件中产生平面波，假设平面波的角度为θ，工件中的声速为c，焦点的坐标为（xP, zP），无楔块平面波到焦点的声时计算示意如图2所示。 图2 无楔块平面波到焦点的声时计算示意 图2中，以第一个发射阵元中心所在位置O点为原点建立坐标系，从A点到P点的长度表示平面波从开始激励到传播至焦点P的声程，通过作辅助线，可以将AP长度的计算转换成OD长度加EP的长度；三角形OBD，EPE是直角三角形。 则直接模式下（不考虑工件底面反射）平面波到焦点P的声时计算公式为： 含楔块PWI-TFM的声时计算 含楔块时，通过控制阵元的延迟法则，在楔块中产生角度为α的平面波，平面波进入工件时发生折射，改变平面波的传播角度。假设入射到工件中平面波的角度为θ，楔块中的声速为va，工件中的声速为vb，焦点P点的坐标为（xP, zP），含楔块平面波到焦点的声时计算示意如图3所示。 图3 含楔块平面波到焦点的声时计算示意 图3中，以第一个发射阵元中心所在位置O点为原点建立坐标系，从A点到C点（xin, xin）的长度加上C点到P点的长度表示平面波从开始激励到传播至焦点P的声程。通过作辅助线，可以将AC长度的计算转换成OF长度加EC的长度；三角形OGF，ECG，CBD，BPD均是直角三角形，可以将CP长度的计算转换成CD长度加DP的长度。 则直接模式下（不考虑工件底面反射），平面波到焦点P的声时计算公式为： 平面波全聚焦成像 PWI-TFM的成像原理是每帧成像按照指定的规则进行数据采集，需要进行Q次发射接收，每次采用N个阵元进行发射和接收，每次发射时通过延迟法则控制N个阵元激发形成指定角度的平面波，每次采集时N个阵元同时进行采集，从而形成一个Q×N的数据矩阵M(t)。然后通过虚拟聚焦合成算法，对ROI（感兴趣区域）内的每个焦点进行聚焦合成计算。因为在每一个焦点都进行聚焦计算，所以PWI-TFM具有较高的成像质量。 对于ROI内的某个焦点P，其聚焦合成可表示为： 式中：M(t)为PWI-TFM采集的数据矩阵；Mqj(t)表示第q个平面波发射时，第j个阵元采集的数据；tqP表示第q个平面波发射时，平面波从开始激励到传播至焦点P的声时，其计算方法见式（2）；tjP表示从焦点P传播至阵元j的声时，该声时的计算方法和FMC-TFM中焦点至阵元的声时计算方法相同。 完成每个焦点的AP计算，再对成像进行希尔伯特变换处理，即得到最终的PWI-TFM图像。 多模态成像 和FMC-TFM一样，PWI-TFM也支持多模态成像计算。不同模态下，主要是声波传播路径的不同，即tqP和tjP的计算方式不同。直接模式下，声波传播路径比较简单，平面波传播到焦点处，然后焦点传播至阵元。含模态转换模式下，声波传播路径较为复杂，平面波传播至工件底面后，经底面反射后再传播至焦点处，然后再从焦点传播至阵元。需要注意的是，底面反射时可能发生波形转变。 有效区域 由于平面波在空间上存在的区域是有限的，故可以根据平面波存在的区域计算有效区域，根据有效区域减少需要进行聚焦计算的点的数量。当平面波入射角为θ时，其对应的有效区域如图4所示。 图4 平面波入射角为θ时对应的有效区域示意 检测试验及结果 PWI-TFM和相控阵超声成像对比 采用同一个32阵元不带楔块的探头检测同一个B型试块，PWI-TFM采用0°单角度发射成像，相控阵超声采用线扫成像，其成像结果如图5和图6所示。 图5 PWI-TFM 0°单角度发射成像结果 图6 相控阵超声线扫成像结果 PWI-TFM和相控阵超声成像结果对比如下： 项目 相控阵超声算法 PWI-TFM算法 比较结果 设置 线扫，起始阵元1，结束阵元32，孔径4 0°单角度发射，32阵元接收 — 数据量 29个A扫描 32个A扫描 PWI-TFM采集的数据量稍大 采集速度 FPGA需进行29次采集工作 FPGA只需进行1次采集工作 单角度平面波发射情况下，PWI-TFM的数据采集速度比相控阵超声的快很多 成像帧数 主要受采集速度限制 主要受计算速度限制 单角度，256×256焦点下，PWI-TFM可以轻松实现1000帧/s的成像速度 成像效果 焦点区域成像清晰，远离焦点区域成像发散 整个计算区域成像清晰，成像分辨率高 单角度的PWI-TFM可以实现比相控阵超声更好的成像，PWI-TFM可以通过多角度叠加进一步提升成像质量 PWI-TFM和FMC-TFM成像对比 采用同一个32阵元带楔块的探头检测同一个B型试块，PWI-TFM采用4个角度发射成像，FMC-TFM采用全矩阵数据采集成像，其成像结果如图7和图8所示。 图7 PWI-TFM 4个角度聚焦成像结果 图8 FMC-TFM成像结果 PWI-TFM和FMC-TFM成像结果对比如下： 项目 FMC-TFM算法 PWI-TFM算法 比较结果 设置 1~32阵元发射，1~32阵元接收 20°，30°，40°，50°等4个角度发射，32阵元接收 — 数据量 32×32个A扫描 4×32个A扫描 PWI-TFM采集的数据量比FMC-TFM的少很多 采集速度 需进行32次采集工作 需进行4次采集工作 PWI-TFM数据采集速度比FMC-TFM的快很多 成像帧数 主要受计算速度限制 主要受计算速度限制 因为Q比N要小很多，所以PWI-TFM的计算速度要快很多 成像效果 计算区域成像清晰，成像分辨率高 计算区域成像清晰，成像分辨率高 PWI-TFM多阵元同时发射，灵敏度高，检测范围更大，伪影更少，信噪比更高 结语 PWI-TFM成像算法和现有成像算法相比，具有多方面优势，是具有很高实用价值的成像算法。相比相控阵超声聚焦合成算法，PWI-TFM成像在ROI内每个虚拟焦点聚焦，成像精度和成像质量更高，可通过控制发射平面波角度数量设置更快的成像速度。 相比FMC-TFM成像算法，PWI-TFM成像速度更快，每次多个阵元发射可获得更高的灵敏度和信噪比，可实现更大范围的检测，另外通过发射平面波角度范围的控制可有效减少FMC-TFM成像中存在的伪影。这些优势使得PWI-TFM成像具有广阔的应用空间，未来，该技术发展成熟后，有望在高速自动化检测领域发挥重要的作用。 来源：《无损检测》2023年12期 第一作者简介：骆琦，高级工程师，主要从事超声无损检测仪器设备的研发工作。
