基于SAFT提高TOFD檢測(cè)缺陷長(zhǎng)度定量精度的探討

謝 雪 ，祝美麗，金士杰，楊會(huì)敏，崔 哲，張東輝，林 莉，張樹(shù)瀟，劉麗麗

（1.大連理工大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)研究所，大連 116024；2.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京 101601）

超聲衍射時(shí)差（TOFD，Time of fight diffraction）技術(shù)以其原理簡(jiǎn)單、缺陷定量精度高、可靠性好、檢測(cè)簡(jiǎn)便快捷、結(jié)果直觀等特點(diǎn)而越來(lái)越多地被應(yīng)用于焊縫無(wú)損檢測(cè)中［1－4］。由其原理可知，TOFD 對(duì)于缺陷定深具有較高精度，但在缺陷長(zhǎng)度定量方面誤差較大。1996 年英國(guó)的Silk［5］提出可以利用拋物線指針?lè)▽?duì)缺陷長(zhǎng)度進(jìn)行定量，其中橫向缺陷的檢測(cè)精度可達(dá)幾個(gè)毫米。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究者則開(kāi)始將合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT，Synthetic aperture focusing technology）應(yīng)用于超聲TOFD的B掃成像來(lái)提高其橫向分辨率［6－8］；周靖宇［9］、王子成［10］等先后將SAFT 應(yīng)用于TOFD 檢 測(cè)D 掃 圖像處理，提高了圖像的橫向分辨率，使得缺陷識(shí)別能力增強(qiáng)。

針對(duì)TOFD 技術(shù)中缺陷長(zhǎng)度定量問(wèn)題，筆者將SAFT 應(yīng)用于D 掃圖像處理，從模擬角度對(duì)SAFT處理技術(shù)在缺陷長(zhǎng)度定量中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步討論了ADD 方法對(duì)SAFT 成像質(zhì)量的提高效果。

1 TOFD檢測(cè)的缺陷長(zhǎng)度定量難點(diǎn)

TOFD 技術(shù)是通過(guò)D 掃查實(shí)現(xiàn)缺陷長(zhǎng)度定量的，但由于TOFD 探頭發(fā)射的聲束具有一定的擴(kuò)散角（圖1），因此對(duì)焊縫中的缺陷進(jìn)行D 掃查時(shí)，在缺陷附近很大范圍內(nèi)均能接收到缺陷的衍射回波信號(hào)，這就形成了TOFD 檢測(cè)中的甩弧現(xiàn)象（圖2）。甩弧現(xiàn)象使檢測(cè)圖像的橫向分辨率降低，造成缺陷端點(diǎn)位置難以確定，進(jìn)而導(dǎo)致缺陷在長(zhǎng)度方向上的定量誤差增大。目前TOFD 檢測(cè)中長(zhǎng)度定量誤差一般可達(dá)±5 mm［11－12］，如何削 弱甩弧 現(xiàn)象是TOFD 技術(shù)缺陷長(zhǎng)度定量的難點(diǎn)之一。

圖1 TOFD 聲場(chǎng)示意

圖2 TOFD 檢測(cè)中的缺陷甩弧現(xiàn)象示意

2 SAFT算法

SAFT 是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種信號(hào)處理手段，該技術(shù)具有兩大優(yōu)勢(shì)［13］：一是能夠提高聚焦區(qū)域的橫向分辨率；二是方位分辨率與缺陷和探頭之間相對(duì)距離及檢測(cè)聲波波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此具有近場(chǎng)適用性。

SAFT 基本原理如圖3所示，當(dāng)超聲探頭沿直線移動(dòng)時(shí)，每隔距離d發(fā)射一個(gè)聲波信號(hào)，同時(shí)接收來(lái)自物體內(nèi)部各點(diǎn)的散射信號(hào)并加以儲(chǔ)存。然后，根據(jù)各成像點(diǎn)的空間位置，對(duì)接收到的信號(hào)作適當(dāng)?shù)穆晻r(shí)或相位延遲后進(jìn)行再合成，從而得到被成像物體的逐點(diǎn)聚焦聲像。在有缺陷的地方，回波信號(hào)進(jìn)行同相疊加，信號(hào)波幅得到增強(qiáng)；在無(wú)缺陷的地方，回波信號(hào)進(jìn)行隨機(jī)、無(wú)序疊加，信號(hào)將會(huì)變?nèi)跎踔邻呌诹?，因此SAFT 可以提高圖像的分辨率和信噪比。

圖3 SAFT 檢測(cè)原理與數(shù)據(jù)處理示意

3 SAFT在D掃圖像中的應(yīng)用

利用CIVA 數(shù)值模擬軟件，建立與實(shí)際待檢試塊聲學(xué)特性一致的物理模型。模型試塊材質(zhì)為碳鋼，厚度100.0 mm；以矩形槽代替面積型缺陷，設(shè)計(jì)了9個(gè)埋深均為30.0mm，長(zhǎng)度5.0～45.0mm、高度5.0mm的矩形槽，相鄰矩形槽之間的橫向間隔為30.0～40.0 mm。數(shù)值模擬采用一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的TOFD探頭，中心頻率為5MHz，晶片尺寸為6mm，聲束折射角為60°。

對(duì)模型進(jìn)行TOFD 檢測(cè)D 掃查仿真模擬，兩探頭中心間距設(shè)置為104.0mm，掃查間隔0.2 mm。模擬D 掃圖像如圖4（a）所示，從圖中可看到明顯的缺陷甩弧現(xiàn)象，且缺陷越短，甩弧的影響越大；特別是長(zhǎng)度為5.0mm 的缺陷，其D 掃圖像類(lèi)似于點(diǎn)狀缺陷，實(shí)際檢測(cè)中很難獲得精確的長(zhǎng)度信息。

將模擬原始D 掃圖像中對(duì)應(yīng)的全部A 掃信號(hào)導(dǎo)出，利用SAFT 對(duì)A 掃信號(hào)進(jìn)行處理，得到重建后的D 掃圖像，如圖4（b）所示。從圖中可看出，經(jīng)過(guò)SAFT 處理后，缺陷兩端的干擾衍射信號(hào)明顯減弱，D 掃查過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷甩弧現(xiàn)象得到減弱，且對(duì)于所有的缺陷D 掃圖像都有很好的修正效果。

圖5 經(jīng)SAFT 處理后缺陷長(zhǎng)度的定量結(jié)果和定量相對(duì)誤差

根據(jù)處理后的D 掃圖像對(duì)缺陷長(zhǎng)度進(jìn)行定量，定量結(jié)果和定量相對(duì)誤差如圖5所示，由圖可見(jiàn)經(jīng)SAFT 處理后的缺陷長(zhǎng)度定量精度較高，定量誤差最大約為0.6mm，最大相對(duì)誤差約為8.0%。其中缺陷長(zhǎng)度定量的絕對(duì)誤差相差不大，最大約為半波長(zhǎng)λ／2，因此導(dǎo)致相對(duì)誤差的最大值出現(xiàn)在最小缺陷長(zhǎng)度。

4 SAFTADD的應(yīng)用前景

SAFT 的缺點(diǎn)在于缺陷散射波中往往包含與缺陷位置無(wú)關(guān)的系統(tǒng)頻譜分量，因此將干擾成像結(jié)果的分辨率。不妨設(shè)被檢試樣信息為p（t），檢測(cè)系統(tǒng)信息為s（t），噪聲信號(hào)為n（t），則檢測(cè)信號(hào)y（t）可表示為：

其中“＊”表示卷積計(jì)算。在頻域，式（1）可以表示為：

式中：Y（f）、S（f）、P（f）與N（f）分別為y（t）、s（t）、p（t）與n（t）的傅里葉變換結(jié)果。

由此可見(jiàn)，在進(jìn)行SAFT 處理之前對(duì)A 掃信號(hào)進(jìn)行解卷積可以分離出被檢試樣信息p（t），從而提高檢測(cè)分辨率。實(shí)際檢測(cè)中，探頭不同聲束的信號(hào)頻率不同，僅通過(guò)單個(gè)特定參考信號(hào)解卷積并不合適。因此Farhang［14］提出一種將變角度解卷積（ADD）方法與SAFT 相結(jié)合的信號(hào)處理技術(shù)（SAFTADD），即根據(jù)缺陷位置選擇一系列信號(hào)作為參考對(duì)待處理信號(hào)進(jìn)行分窗解卷積，從而提高成像分辨率。

Jastrzebski［15］對(duì)鋁試塊中深31.5mm、直徑2.0mm 的橫通孔B 掃圖像分別進(jìn)行SAFT 和SAFTADD 處理，并對(duì)處理后的效果進(jìn)行了比較，圖6為模擬結(jié)果比較圖像。SAFT 法處理后的深度位置誤差、橫向位置誤差分別為1.05，1.25mm－1；SAFTADD 法處理后的深向、橫向位置誤差分別為0.67，0.75mm－1，表1為信號(hào)處理后的定量精度。與傳統(tǒng)SAFT 比較可見(jiàn)，SAFTADD 可以更好地提高圖像的時(shí)間分辨率以及橫向分辨率。

因此，可考慮將SAFTADD 應(yīng)用于具有一發(fā)一收雙探頭結(jié)構(gòu)的TOFD 檢測(cè)的缺陷長(zhǎng)度定量中，根據(jù)缺陷深度位置信息選擇不同的參考信號(hào)，對(duì)每一列A 掃信號(hào)分別進(jìn)行分窗解卷積，再結(jié)合SAFT 進(jìn)行處理，從而進(jìn)一步提高TOFD 技術(shù)的缺陷長(zhǎng)度定量精度。

圖6 SAFTADD 與SAFT 方法的信號(hào)處理效果對(duì)比

5 結(jié)論

根據(jù)TOFD 技術(shù)中缺陷定量幾何關(guān)系，將SAFT 技術(shù)引入TOFD 檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)了D 掃圖像的SAFT 處理與重建。結(jié)果表明，SAFT 能夠削弱缺陷端點(diǎn)處干擾衍射信號(hào)的影響，從而減弱甚至消除D 掃圖像中的缺陷甩弧現(xiàn)象，提高D 掃圖像橫向分辨率。最后，還比較了SAFT 與SAFTADD 技術(shù)的成像效果，并考慮將SAFTADD 應(yīng)用于TOFD 缺陷定量的下一步研究當(dāng)中。

［1］關(guān)衛(wèi)和，閻長(zhǎng)周，張保中，等.我國(guó)壓力容器行業(yè)TOFD檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)展［J］.無(wú)損檢測(cè)，2010，32（12）：961－965.

［2］汪明輝，肖愛(ài)武.TOFD 方法對(duì)焊接缺陷的檢測(cè)能力［J］.無(wú)損檢測(cè)，2014，36（7）：47－51.

［3］MANJULA K，VIJAYAREKHA K，VENKATRAMAN B，et al.Ultrasonic time of flight diffraction technique for weld defects：A review［J］.Research Journal of Applied Sciences，Engineering and Technology，2012，4（24）：5525－5533.

［4］MERAZI－MEKSEN T，BOUDRAA M，BOUDRAA B.Mathematical morphology for TOFD image analysis and automatic crack detection ［J］.Ultrasonics，2014，54（6）：1642－1648.

［5］SILK M G.An evaluation of the performance of the TOFD technique as a means of sizing flaws，with particular reference to flaws with curved profiles［J］.Insight，1996，38（4）：280－287.

［6］遲大釗，剛鐵，盛朝陽(yáng).超聲渡越時(shí)差法檢測(cè)圖像中裂紋端部信號(hào)的識(shí)別［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（10）：103－107.

［7］SPIES M，RIEDER H，DILLH?FER A，et al.Synthetic aperture focusing and time－of－flight diffraction ultrasonic imaging—past and present［J］.Journal of Nondestructive Evaluation，2012，31（4）：310－323.

［8］SINCLAIR A N，F(xiàn)ORTIN J，SHAKIBI B，et al.Enhancement of ultrasonic images for sizing of defects by time－of－flight diffraction［J］.NDT ＆E International，2010，43（3）：258－264.

［9］周靖宇，林丹源，陳建華，等.合成孔徑聚焦技術(shù)在TOFD 檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.無(wú)損檢測(cè)，2012，34（5）：59－61.

［10］王子成.合成孔徑聚焦（SAFT）算法在衍射時(shí)差法（TOFD）檢測(cè)中的應(yīng)用［C］∥2009遠(yuǎn)東無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)論壇論文集.蘇州：［出版地不詳］，2009.

［11］CIORAU P，COULAS J，ARMITT T.A contribution to length sizing of weld flaws using conventional，PAUT and TOFD ultrasonic techniques［C］／／9th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components.Seattle：［s.n］，2012.

［12］盛朝陽(yáng)，剛鐵.超聲TOFD 檢測(cè)成像及缺陷定位系統(tǒng)［J］.焊接，2007（8）：37－40.

［13］STEPINSKI T，LINGVALL F.Optimized algorithm for synthetic aperture imaging［C］∥2004IEEE Ultrasonics Symposium.Sweden：Uppsala University，2004：701－704.

［14］HONARVAR F，SHEIKHZADEH H，MOLES M，et al.Improving the time－resolution and signal－to－noise ratio of ultrasonic NDE signals［J］.Ultrasonics，2004，41（9）：755－763.

［15］JASTRZEBSKI M，DUSATKO T，F(xiàn)ORTIN J，et al.Enhancement of synthetic aperture focusing technique（saft）by advanced signal processing［C］∥In Proceedings of 16th WCNDT.Montreal：［s.n］，2004.