基于AR-TFM方法的超声成像分辨力提升

相控阵超声检测（PAUT）技术在工业无损检测领域具有广泛的应用，其成像分辨力约为2λ~3λ（λ为超声波长）。以全聚焦方法（TFM）为代表的相控阵超声成像后处理技术能够实现待检测区域的逐点聚焦，将成像分辨力最高提升至λ。根据瑞利准则，超声检测系统以有限带宽发射和接收脉冲信号，极限分辨力通常为波长级。自回归（AR）谱外推方法通过拓宽频域范围，压缩时域脉冲宽度来提高信号的时间分辨力。因此，将AR谱外推与TFM相结合，对全矩阵数据中各A扫描信号进行脉冲压缩，随后实施TFM成像，可突破声波衍射的限制，进一步提高成像分辨力。有效频带和AR阶数的选择对信号处理结果至关重要，而现有文献多通过大量对比信号外推结果，以确定最佳AR参数，计算成本高，适用性相对较低。大连理工大学、核工业工程研究设计有限公司和中国核工业二三建设有限公司的科研人员将多频带AR谱外推与TFM相结合，提出了AR-TFM方法，采用基于高阶累积量的奇异值分解方法（SVD）确定AR阶数，对全矩阵数据实施多频带外推处理和TFM成像，提高超声成像分辨力。基于此，将所提方法应用于碳钢试块中3个相邻圆孔的分离辨识，并进行了仿真和试验验证。1AR-TFM方法原理全矩阵捕捉是一种超声数据采集方式，相控阵探头中每个阵元依次发射超声脉冲，所有阵元接收并储存A扫描信号。对于阵元数为N的相控阵探头，经过全矩阵捕捉采集得到的信号数量为N2。首先，对全矩阵数据中的每个信号进行多频带AR谱外推处理。有效频带和AR阶数的选择对外推结果存在显著影响，受实际检测噪声等因素干扰，AR阶数过高将产生过拟合现象，导致信号出现虚假信号峰。较窄的有效频带会损失更多的原频谱特征，处理后的信号将产生畸变，影响缺陷定位；较宽的有效频带则保留了较多原频谱特征，但同时包含了更多噪声成分，使得有用信号淹没在噪声中，外推处理后难以正确分离不同的缺陷信号。图1相控阵线阵探头声束传播路径示意如上图所示，首先建立二维笛卡尔坐标系，x轴和z轴分别平行于和垂直于待测样品表面，设i阵元发射，j阵元接收信号为yij(t)，t为时间。通过基于高阶累积量的SVD方法确定AR阶数k，该方法无需模型参数的先验信息，数值鲁棒性高，运算量小。此外，将信号频谱Y(ω)最大幅值下降εdB对应的频域窗口定义为有效频带，其频率范围为ω1~ω2，如图2所示。在高信噪比频段（ε为6~10dB）内选择n个有效频带εl（1≤l≤n），以保留足够的频谱特性并减少低信噪比分量的干扰。图2频谱最大幅值下降εdB对应的有效频带对于每个有效频带εl，通过Burg方法计算AR系数ap（1≤p≤k）。使用前向预测公式和后向预测公式外推有效频带以外的高频和低频分量。前向预测公式为：ω>ω2后向预测公式为：0≤ω<ω1式中：M为在采样频率ωs下的采样点数；a*p为ap的复共轭；(ω)为外推频带。外推后频谱为(k,ωl,ω)，通过逆傅里叶变换将转换为脉宽较窄的时域信号(k,εl,t)。随后，对n个外推信号求取平均值，得到(t)，其中ε值和有效频带的数量n应根据实际检测情况加以调整。一般来说，选择n=3，即有效频带为10dB，8dB和6dB。在此基础上，对经过多频带AR谱外推处理的全矩阵数据进行TFM成像。在成像区域划分网格，将每组时域信号通过延时叠加聚焦到每个网格点以实现图像表征。将每个阵元简化为一个点，定义第i个阵元坐标为(xi,0)。阵元i发出的超声波入射到待检样品中，到达任意聚焦点Q(xref,zref)并发生散射，最终被阵元j接收。根据各阵元到达点Q的时间计算延迟法则，该点积分响应总幅值为：式中：tQ为i阵元发出的超声波通过点Q到达j阵元的时间。式中：CL为试块的纵波声速。同理依次得到每个聚焦点的幅值，即可完成整个被测区域的成像。2仿真模拟采用CIVA软件中的超声仿真模块，建立厚度为90mm的碳钢试块模型，设置纵波声速为5900m/s。在2.25MHz的检测频率下，波长λ约为2.6mm。一般来说，半波长是超声可检缺陷的最小尺寸。因此，模型中设置3个直径为1.3mm（0.5λ）的圆孔。其中，1号圆孔中心深度为33.7mm；2号圆孔中心深度为35.0mm；3号圆孔中心深度为36.3mm；相邻圆孔的中心间距均为1.8mm（约0.7λ）。采用中心频率为2.25MHz，32阵元的相控阵探头采集全矩阵数据。碳钢试块模型如下图所示。图3碳钢试块模型示意对全矩阵数据进行TFM成像，结果如图4(a)所示，受瑞利准则限制，超声成像难以区分这3个相邻圆孔。通过SVD方法确定AR阶数为3，令k=3，分别选择ε1=10dB，ε2=8dB，ε3=6dB，对全矩阵数据中的每个信号进行AR谱外推处理，并对结果进行平均加权，最后实施TFM成像，其结果如图4(b)所示。图4碳钢试块圆孔缺陷仿真成像结果显然，将多频带AR谱外推与TFM相结合能够提高成像分辨力。探头与缺陷的相对位置导致缺陷之间存在遮挡，3个圆孔的成像幅值不一，较深缺陷幅值最低，但在-6dB阈值下仍能有效分离辨识出3个缺陷。1，2，3号圆孔上端的测量深度分别为33.15mm，34.60mm和36.05mm，最大深度定位误差不超过0.40mm，相对误差不超过1.1%。测量得到1号与2号圆孔的中心距为1.53mm，2号与3号圆孔的中心距为1.57mm，中心距误差不超过0.27mm，相对误差不超过15%。3试验验证检测试块材料为碳钢，声速为5900m/s，尺寸为长200mm，宽90mm，高25mm，碳钢试块实物如下图所示。试块中加工3个直径1.3mm的圆孔，相邻圆孔的中心距约为1.8mm。1，2，3号圆孔的中心深度分别为33.7mm，35.0mm，36.3mm。图5碳钢试块实物采用奥林巴斯相控阵探头（中心频率为2.25MHz，32阵元）采集全矩阵数据。常规TFM成像结果如图6(a)所示，可见成像结果混叠，-6dB阈值下难以区分缺陷位置和数量，未达到亚波长级分辨力。图6碳钢试块圆孔缺陷试验成像结果采用SVD方法确定AR阶数为3，令k=3分别选择ε1=10dB，ε2=8dB，ε3=6dB对全矩阵数据进行AR谱外推处理和平均加权，继而实施TFM成像，其结果如图6(b)所示，可见3个中心距为0.7λ的圆孔得到了有效分离，实际检测成像结果与仿真成像结果相似，较深圆孔的幅值较低。经测量，1号圆孔上表面的深度为33.2mm，2号圆孔为34.7mm，3号圆孔为36.3mm，定位误差不超过0.65mm，相对误差不超过2.8%；1号与2号圆孔的中心距为2.05mm，2号与3号圆孔的中心距为1.75mm，中心距误差不超过0.25mm，相对误差不超过13.9%。仿真与试验结果表明AR-TFM方法可突破声波衍射的限制，将成像分辨力提高至亚波长级，缺陷定位结果准确，具有较高的鲁棒性和适用性。结论(1)提出了将多频带AR谱外推和TFM相结合的AR-TFM方法，将超声成像分辨力从波长级提升至亚