时间增益补偿在超声相控阵检测中的应用

郭瑞鹏，王海涛，徐　君，汪　文，赵大丹，龙绒蓉

(1.南京航空航天大学 自动化学院, 南京 210016;2.烟台富润实业有限公司， 烟台 264002)



时间增益补偿在超声相控阵检测中的应用

郭瑞鹏1，王海涛1，徐君1，汪文1，赵大丹1，龙绒蓉2

(1.南京航空航天大学 自动化学院, 南京 210016;2.烟台富润实业有限公司， 烟台 264002)

介绍了时间增益补偿的工作原理，同时提出了方差补偿、阈值补偿、余差补偿三种不同的校正方法;采用此三种方法进行成像显示对比试验,以补偿因声波信号衰减和能量传输引起的增益变化，从而改善相控阵的成像效果。结果表明，在超声相控阵检测中，三种补偿方法均能有效提高缺陷的检测率和分辨率，可增强检测人员对被测件内部缺陷判别的可靠性。

时间增益补偿；方差补偿；阈值补偿；余差补偿；缺陷分辨率

超声波在介质中传播，由于波束扩散、晶粒散射和介质吸收等原因，会出现能量逐渐衰减的现象[1]。同样，相同反射系数的声反射界面，由于深度的不同，相控阵换能器接收到的回波信号将不同[2]，于是也就不能真实地反映所检测样本的质量情况。

相控阵的图像显示[3]是用颜色对波幅进行编码的，也就是通过颜色对超声信号传播不连续的严重程度进行判定，所以将波幅拉得同样高而显示为统一的颜色，结果会更加准确。如果将近场和远场的回波信号放大相同的倍数，容易使大小和结构相同、深度不同的缺陷出现不同的图像显示，甚至出现漏检的现象。笔者提出一种时间增益补偿的方法，该方法根据深度增加逐步调整放大器的增益，使得超声波在传播过程中的衰减情况得到相应的补偿[4]，从而得到更好的成像效果。

1　时间增益补偿原理

超声波在介质中的衰减使得回波信号的幅度呈指数衰减[5]，如图1所示。时间增益补偿的原理，实际上是采用一定的电压曲线来控制放大器的增益，使不同深度下的超声回波获得不同的放大倍数。文章通过一种信号处理的方式，对信号进行后期处理，以补偿材料衰减和声束扩散衰减，如图2所示，由此可极大地增强对整个被测样本体积中的缺陷检测和显示的性能。

图1　超声波声强、声压随声波传播距离的衰减

图2　时间增益补偿作用原理及补偿后声压随声波传播距离的变化

相控阵成像是通过控制阵列换能器中各个阵元激励或接收脉冲的时间延迟，通过合成声束的聚焦和偏转等形成成像扫描线[6]。相控阵图像以二维彩图形式显示，颜色可根据数值(与回波幅值大小成正比)的大小调整，故图像结果直接受到数据对比度的影响。时间增益补偿是超声波信号处理中增益控制的一种常用方式，可使得不同深度下的超声回波获得不同的放大倍数，从而得到相同的增益。笔者在分析TCG(时间校正增益)曲线[7-8]的基础上,提出了时间增益补偿方法，并采用方差补偿、阈值补偿、余差补偿三种不同的方法进行成像显示对比试验。

图3　圆形直探头的声压衰减示意

1.1方差补偿法

采用铝板作为样本，纵波声速为6320 m·s-1，相控阵探头为16阵元的阵列换能器，阵元高度9 mm，阵元间距0.05 mm，采样频率50 MHz，从-40°到40°每隔1°进行S扫查。时间增益补偿的设计关键是要确定被检测样本的衰减规律，然后根据此衰减曲线来确定合适的补偿曲线。图3是圆形直探头的声压衰减曲线，从中可看出，超声信号在50～100 mm处声波能量迅速下降，衰减加剧，从而严重影响后期对回波信号的处理，容易造成成像的缺失，此时就需要有一个很好的补偿机制来解决这一问题。

TCG曲线可通过用相关原理推算(需要衰减系数)；或者通过实际采集超声回波信号来制定，对于同一检测对象具有相同尺寸、不同深度时会产生不同的回波信号。选取单点聚焦发射单点聚焦接收时采集得到一组回波数据，这些数据是同一类型缺陷在不同深度下的回波数据，对这些数据进行取包络、归一化等处理后即可得到一条标准线，如图4所示。

图4　某类型缺陷在不同深度下的回波数据的时间补偿标准曲线

图5　缺陷回波数据(对应于图4)的时间增益方差补偿

对图4所示的缺陷回波数据，用Matlab仿真能得到每点的信号增益和校正增益间的方差值，如图5(a)所示，可以看出有缺陷处的方差极小且稳定在0～1.4×10-9间;根据这些方差值，可以实现时间增益补偿，如图5(b)所示。

分析图5可知，方差数据和回波信号中所带的缺陷信息是相关联的，此方法可弥补由成像对比度造成的缺陷漏检情况。缺陷信号未补偿与方差补偿后的成像对比示例如图6所示，在同等试验条件下，第一幅图，在坐标(-20，30)、(-5、40)、(10，50)处出现了体积缺陷，但是(20，60)处的缺陷只显示了一小部分缺陷信息；经过时间增益补偿之后，如图6(b)所示，坐标(20，60)处的缺陷就显示出来了，可见时间增益补偿可以提高图像的缺陷检出率和分辨率。

图6　缺陷信号未补偿成像与方差补偿后成像对比示例

1.2阈值补偿法

时间增益补偿是采用补偿增益的方法来补偿回波信号的增益的，由此引发了最简单的阈值校正，即只需在原来的基础上，加一个合适的阈值就可以实现对图像的补偿。图6中点(-10,40)处缺陷的阈值数据如图7所示,在图中的数据图里(取图6中点(-10,40)处的一个缺陷)，可以很清楚地看出缺陷的大小形状信息。

阈值补偿法无需任何其他数据依据，在数据成像之前进行补偿，即能达到补偿的效果，从而提高图像的缺陷分辨率，如图8所示。试验表明，阈值补偿法可以得到理想的成像效果，由图8(b)可清楚地看到未补偿时(图8(a))漏显的坐标(20，60)处的缺陷。

图7　图6中点(-10,40)处缺陷的阈值数据

1.3余差补偿法

时间增益补偿的原理就是要使得同一缺陷在同一检测样品上得到的增益相同，余差补偿法同样可以实现这一补偿功能。同一缺陷在同一检测条件下,由于信号衰减得到的回波数据经数据处理后形成的曲线(未补偿)及补偿后的曲线如图9所示。

缺陷信号未补偿与余差补偿后的成像对比如图10所示，未补偿时，在坐标(0，30)、(0，40)处分别出现了较清晰的缺陷，坐标(0，50)处的缺陷较模糊;从经过余差补偿法补偿之后的图像,可清楚地看出坐标(0，50)处的缺陷，甚至坐标(0，60)处也出现了缺陷，这与实际的试验缺陷相符合。由此可见，余差补偿法也可以很好地实现时间增益补偿，使得缺陷信息完整地体现出来，有助于检测人员对缺陷的判别。

图8　缺陷信号声压归一化处理后的阈值补偿前后的成像对比示例

图9　缺陷回波数据的未补偿与余差增益补偿后的曲线示例

1.4三种补偿法的比较

上述三种补偿法都能实现时间增益补偿，提高缺陷的检出率和分辨率进而改善图像的成像效果，但是三者的成像效果还是有所区别的。选取标准船型铝试块上的几个垂直缺陷，对应的位置坐标为(0，30)、(0，40)、(0，50)、(0，60)，增益选取为10 dB，通过三种补偿法得到的成像如图11所示。从图中可清楚地看出，余差补偿后可以较清楚地辨别4个缺陷，而阈值补偿和方差补偿只能呈现3个缺陷；在第三个缺陷的成像上,阈值补偿的效果又比方差补偿的好。由此可见，在相同的较小增益下，余差补偿的效果最好。但是，当增益增大至35 dB时,与之前的10 dB增益相比，图像会产生伪像[9]，且不同的补偿法受到伪像的影响不同,如图12所示。由图12可看出,方差补偿和阈值补偿法使得图像显示的横向分辨率低下，导致横向结构粘连、图像模糊；而余差补偿法产生的伪像现象最小。

图10　缺陷信号未补偿成像与余差补偿后成像对比示例

图11　标准船型铝试块垂直缺陷(增益10 dB)的三种方法成像效果比较

图12　标准船型铝试块垂直缺陷(增益35 dB)的三种方法成像效果比较

2　结语

超声相控阵声束的形成与晶片延迟和晶片组合的变化有关，因此应尽可能使来自每个聚焦法则的波幅响应趋于一致。因为这样既可补偿阵列探头中晶片与晶片之间灵敏度的差异，又可补偿在不同折射角度上楔块衰减和能量传输效率的不同。在整个检测过程中，时间增益补偿既可以补偿增益的变化，提高图像的缺陷检测率和分辨率，同样可补偿信号的衰减，虽然某种程度上引起了图像的变形，但是可以增加后续数据采集部分的动态范围，更有利于对缺陷的检测。

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[9]史振.超声相控阵成像检测技术的研究[D].南京:南京航空航天大学，2012.

The Application of Time Gain Compensation in the Phased-array Defect Detection

GUO Rui-peng1, WANG Hai-tao1, XU Jun1, WANG Wen1, ZHAO Da-dan1, LONG Rong-rong2

(1.College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautic and Astronautics, Nanjing 210016, China;2.Yantai Furun Industrial Company with Limited Liability, Yantai 264002, China)

This paper introduces the working principle of time gain compensation and three different algorithms to realize time gain compensation, variance compensation, threshold compensation and residual compensation, which can compensate for changes of the gain due to signal attenuation and the energy transmission, so as to improve imaging effect of phased array. It was proved that these three kinds of compensation methods were effective to improve the defect detection rate and image resolution. Accordingly, the time gain compensation makes the detection of internal defects more reliable for inspectors.

Time gain compensation; Variance compensation; Threshold compensation; Residual compensation; Defect resolution

2015-05-28

国家质量监督检验检疫总局公益性行业科研专项资助项目(201510068);国家安监局关键技术资助项目(山东0143-2014AQ)

郭瑞鹏(1981-),女,博士,讲师,主要从事相控阵、激光超声研究工作。

10.11973/wsjc201512007

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0028-05