Термин «сканирование» широко используется в различных отраслях техники и имеет много значений. Это и обзор воздушного пространства радиолокационным лучом, и исследование распределения радиоактивных источников в некоторой среде, и получение копий документов, и перемещение ультразвукового преобразователя по поверхности объекта контроля (ОК), и многое другое. В этой статье мы рассмотрим сканирование внутреннего объема ОК проникающим ультразвуковым излучением с целью получения изображения его структуры.
Ультразвуковая промышленная томография, основанная на импульсном эхо-методе, отличается от традиционной ультразвуковой дефектоскопии двумя главными чертами: способом обзора пространства внутри ОК и способом представления результатов контроля. Если в традиционной аппаратуре используется исключительно механическое сканирование внутренней структуры ОК узконаправленным пучком ультразвука, то в томографической аппаратуре используются три вида сканирования:
- механическое сканирование - перемещением по поверхности объекта ультразвукового преобразователя с широкой диаграммой направленности с вводом в аппаратуру данных о координатах текущего положения преобразователя;
- электронное сканирование - физически сформированным пучком ультразвука фазированной антенной решетки;
- виртуальное сканирование, осуществляемое вычислительным путем с использованием набора сигналов, полученных при зондировании ОК элементами ультразвуковой антенной решетки.
Конечно, возможны и применяются также различные сочетания этих способов обзора пространства.
Второе отличие томографической аппаратуры от традиционной - это предоставление оператору результатов контроля в виде изображений внутренней структуры материала контролируемого объекта. Чаще всего используются двумерные изображения плоских сечений ОК (томограммы), но уже есть разработки приборов с трехмерным (объемным) представлением внутреннего строения объекта. Изображение, кроме удобства восприятия оператором результата контроля, вполне адекватного реальному расположению границ и несплошностей материала, во многих случаях позволяет измерять реальные, а не условные размеры несплошностей. С дальнейшим совершенствованием этой техники станет возможной детальная прорисовка контуров несплошностей и отпадет необходимость измерять величину яркости точек изображения для оценки величины несплошности. За исключением, конечно, отражателей малых волновых размеров.
Механическое сканирование
При механическом сканировании из-лучение и прием ультразвуковых сигналов выполняется периодически при разных положениях преобразователя на поверхности ОК. Вследствие широкой диаграммы направленности преобразователя облучение интересующей оператора области в ОК и прием сигналов из нее происходят под разными ракурсами. В процессе совместной пространственно-временной обработки всех сигналов, принятых преобразователем из всех его положений на поверхности объекта, происходит синтез ультразвуковой апертуры больших волновых размеров и реконструируется изображение внутренней структуры объекта. Причем синтезируемая апертура виртуально (т. е. после обработки сигналов) фокусируется в каждую точку визуализируемой области [1]. Такой способ обзора пространства и получения его изображения называют методом синтезированной фокусируемой апертуры, в англоязычной литературе - «Synthetic Aperture Focusing Technique» («SAFT»).
Электронное сканирование
Электронное сканирование пространства пучком ультразвука выполняется с помощью групповой коммутации элементов антенной решетки с квазиодновременным излучением зондирующих сигналов и последующим одновременным приемом сигналов всей выделенной коммутатором группой активных элементов. Для этого в аппаратуре имеется несколько генераторов и столько же приемно-усилительных трактов. Количество генераторов и трактов равно количеству используемых активных элементов антенной решетки. Например, в активную группу может входить 16 элементов антенной решетки, содержащей 64 или 128 элементов.
Электронное сканирование выполняется двумя способами: перемещением группы активных элементов по апертуре антенной решетки или изменением закона распределения взаимных задержек сигналов активных элементов при излучении и приеме.
При перемещении группы активных элементов по апертуре решетки происходит перемещение ультразвукового пучка в пространстве параллельно самому себе. Это так называемое линейное сканирование («L-scan»).
При изменении закона взаимных задержек сигналов активной группы происходит поворот пучка относительно некоторой средней точки внутри апертуры активной группы элементов. Это - секторное сканирование («S-scan»).
Кроме того, заданием особого закона задержек получают фокусировку ультразвукового пучка на нужную глубину. Такой закон задержек называют фокальным законом. Изменяя фокальный закон, фокусируют пучок на разную глубину.
Обычно одновременно с линейным или секторным сканированием происходит и поочередная фокусировка пучка на разные глубины, которую называют динамической фокусировкой по глубине - «Dynamic Depth Focusing» («DDF»).
Таким образом, ультразвуковой пучок, формируемый активной группой элементов антенной решетки, озвучивает визуализируемую область ОК под разными углами к его поверхности. Прием сигналов из объекта также происходит под разными углами к его поверхности.
Электронное сканирование получило наибольшее распространение в промышленной ультразвуковой томографической аппаратуре. Большинство зарубежных приборов с антенными решетками работает по этому принципу [2, 3].
Виртуальное сканирование
Способ виртуального сканирования внутренней структуры ОК, который постепенно начинают применять зарубежные разработчики аппаратуры (в России он разработан и используется для томографии с 1980-х гг. [4]), включает в себя два практически независимых процесса: процесс зондирования объекта с приемом ультразвуковых сигналов и преобразованием их в цифровую форму и процесс реконструкции изображения из набора принятых сигналов. В зависимости от конкретного аппаратурного воплощения эти процессы могут быть разнесены во времени, но могут выполняться и одновременно.
Зондирование выполняется поочередно каждым элементом антенной решетки от первого до последнего. Одновременное или квазиодновременное зондирование двумя или несколькими элементами не применяется.
Прием сигналов производится сразу всеми элементами антенной решетки при каждом зондировании, если аппаратура содержит столько же приемных трактов, сколько элементов в решетке. В случае одноканального приемника он с помощью электронного коммутатора подключается сначала к первому элементу решетки, а зондирование производится по очереди с первого элемента до последнего. Затем приемный тракт подключается ко второму элементу решетки, а зондирование снова производится, но уже со второго элемента до последнего. Затем приемником включается третий элемент решетки, а зондирование производится оставшимися элементами и т. д. до последнего приемноизлучающего элемента.
В обоих случаях, как при многоканальном приемнике, так и при одноканальном, полный набор принятых сигналов содержит сигналы, полученные при всех возможных сочетаниях излучающего и приемного элементов антенной решетки. Временной интервал приема сигналов выбирается, исходя из максимального времени распространения ультразвука от излучающего элемента решетки до наиболее удаленной визуализируемой точки в ОК и обратно к приемному элементу. Каждый принятый в этом интервале сигнал, называемый реализацией, содержит в себе смесь эхо-импульсов от возможных отражателей в ОК и шум от структуры материала и границ ОК.
Общее количество принятых реализаций равно половине произведения числа элементов антенной решетки на это же число, увеличенное на единицу. Например, если в антенной решетке 16 элементов, то количество принятых реализаций равно 136. Набор принятых реализаций, кроме сигналов от совмещенного режима работы каждого элемента решетки (как при механическом сканировании преобразователем), содержит еще множество комбинационных реализаций, полученных от пар разных элементов антенной решетки. Такое зондирование названо комбинационным [4-6].
Процесс реконструкции изображения состоит в следующем. Все реализации предварительно подвергаются оптимальной фильтрации. Далее для каждой точки формируемого изображения из реализаций производится выборка отсчетов, времена задержки которых равны временам распространения ультразвуковых импульсов от излучающего элемента антенной решетки к соответствующей визуализируемой точке в ОК и обратно к приемному элементу. Выборка производится из всех реализаций, т. е. для всех сочетаний передающих и приемных элементов решетки. Сумма этих выборок и определяет яркость (или цвет) каждой точки изображения. В результате величина сигнала в каждой точке изображения эквивалентна сигналу фокусирующего ультразвукового преобразователя, сфокусированного в соответствующую точку визуализируемого сечения объекта. Общее количество точек фокусировки равно количеству пикселей изображения и достигает обычно десятков тысяч. Изображение реконструируется поточечно (подобно телевизионному) и представляет собой прямоугольный растр. Алгоритм реконструкции изображения в сути своей является алгоритмом SAFT, но т. к. в обработке участвуют комбинационные реализации, алгоритм получил аббревиатуру «SAFT-C» [5, 6].
В результате зондирования, приема и обработки набора всех полученных реализаций синтезируется акустическая апертура, равная физической апертуре антенной решетки.
Поскольку «сканирование» пространства в ОК происходит после приема ультразвуковых сигналов в процессе реконструкции изображения в компьютере или специализированном процессоре прибора, данный способ обзора пространства является виртуальным (вычислительным). Физически никакого сканирования нет. Элементы антенной решетки излучают и принимают рассеянный ультразвук. Этот принцип визуализации по алгоритму SAFT-C был запатентован в России с приоритетом 1994 г. [7].
Зарубежные авторы называют этот метод визуализации внутренней структуры ОК по-разному: «Sampling Phased Array» («SPA») [8], «Full Matrix Capture» («FMC») [9] или «Total Focusing Method» («TFM») [10].
Сканирование в ограниченном пространстве
ОК редко бывают в виде полупространства. Это изделия либо большой толщины, либо с неплоской или грубой донной поверхностью. Но чаще всего встречаются плоскопараллельные ОК, например, стыковые сварные соединения.
Очевидно, что донная поверхность такого ОК при достаточно малой шероховатости исполняет роль зеркала для ультразвуковых сигналов. Если толщина ОК сравнима с апертурой антенной решетки, и тем более, если она существенно меньше апертуры, то любая несплошность материала озвучивается множеством ультразвуковых импульсов даже от одного зондирующего сигнала любого элемента решетки.
На рис. 1 показана схема распространения зондирующего сигнала от некоторого излучающего элемента антенной решетки к произвольно выбранной точке А в ОК. Наряду с прямым путем (0 на рис. 1), сигналы к точке А приходят еще по нескольким путям (1, 2, 3, 4... и т. д. на рис. 1), падая в точку А под разными углами как со стороны внешней поверхности ОК, так и со стороны донной поверхности. В силу обратимости ультразвуковых лучей такое же множество путей распространения сигнала существует и в обратном направлении от точки А к антенной решетке.
При известной толщине ОК и известной скорости распространения ультразвука все траектории и времена прохождения ультразвукового сигнала от любого излучающего элемента антенной решетки в любую точку ОК и обратно к любому приемному элементу решетки можно рассчитать. Поэтому сигналы, реально проходящие в материале ОК по рассчитанным траекториям, можно использовать при реконструкции изображения. Причем, если в точке А находится всесторонне рассеивающий отражатель малых волновых размеров, то для него нужно использовать один алгоритм реконструкции, учитывающий траектории с отражениями как в сторону внешней, так и в сторону донной поверхности ОК. Если в точке А - зеркально отражающая поверхность, например, вертикальная трещина, то нужно использовать другой алгоритм реконструкции, учитывающий траектории с соответствующими «зеркальными» отражениями, т. е. алгоритм, учитывающий при падении волны в точку А со стороны одной из границ ОК отражение в сторону другой границы.
Эти алгоритмы реконструкции полноценно можно реализовать только при виртуальном сканировании пространства, когда есть независимый доступ к любому отсчету любой принятой реализации сигналов. Они используются в приборе А1550 IntroVisor, обеспечивая представление визуализируемого сечения ОК не только более адекватным реальности (без мнимых образов ниже донной поверхности), но и с улучшенной прорисовкой формы выявленных несплошностей [11].
Пример такой прорисовки формы представлен на рис. 2а в сравнении с обычной томограммой (рис. 2б), реконструированной без обращения в реальную область отраженных от границ ОК сигналов, т. е. в предположении отсутствия у ОК донной поверхности. Оба изображения получены с помощью томографа А1550 IntroVisor при контроле стандартного образца МД4-0-12 антенреконструкции томограммы ультразвуковых сигналов, отраженных от границ плоскопараллельного ОК, позволяет точнее передать вид и реальные размеры внутренних несплошностей металла. Если на рис. 2б мы видим образы только от уголкового отражателя отверстие - донная поверхность образца (на глубине 25 мм) и от плоского дна отверстия (на глубине 10 мм), то на рис. 2а хорошо видна и боковая вертикальная поверхность отверстия.
О терминах
Виртуальное сканирование ОК является процессом пространственно временной обработки сигналов или, по-другому, пространственной фильтрацией входного ультразвукового поля, рассеянного структурой ОК, с вычислением на выходе пространственного распределения отражательной способности каждой точки структуры ОК. В результате этой обработки (пространственной фильтрации) получается полный аналог того, как если бы вся антенная решетка по очереди была физически сфокусирована в каждую точку ОК, а полученные отраженные от каждой точки фокусировки сигналы были продетектированы и записаны в память, т. е. получается полный аналог сканирования ОК фокусом антенной решетки.
С этой точки зрения термин «Sampling Phased Array» («Выборочная или дискретная фазированная решетка») очень слабо отражает суть процесса или метода визуализации. Скорее им пытались как-то отличить виртуальное сканирование от техники фазированных решеток, физически сканирующих объект ультразвуковым пучком.
Термин «Full Matrix Capture» («Полно-матричный захват») звучит довольно туманно и отражает только часть сути: то, что для получения фокусировки в каждую точку нужен полный набор реализаций от всех пар элементов антенной решетки (полная матрица сигналов).
Термин «Total Focusing Method» («Метод тотальной, или абсолютной, фокусировки») говорит только о результате и ничего о способе его получения. Но ведь фокусировка в каждую точку получается и при механическом сканировании ОК ультразвуковым преобразователем. Да и «динамическую фокусировку по глубине» тоже можно выполнить в каждую точку, по крайней мере, теоретически. Практически это займет неприемлемо большое время.
Поскольку эта технология томографической визуализации уже достаточно прочно вошла в практику УЗК, стоит ее как-то доступно обозначить. Можно предложить такой термин: «Цифровая фокусировка антенной решетки» («ЦФАР»). В нем присутствуют все необходимые и достаточные компоненты технологии. Во-первых, «антенная решетка» - обязательный элемент. Никто не будет на практике моделировать решетку парой комбинационно позиционируемых ультразвуковых преобразователей. Во- вторых, «фокусировка» - суть результата работы системы визуализации без излишних уточнений. И, наконец, «цифровая» - ключевое слово в названии, т. к. весь процесс происходит вычислительным путем.
В переводе на английский язык этот термин может выглядеть так: «Digitally Focused Array» («DFA»).
