全矩陣捕獲技術：最大限度提升便攜式相控陣檢測設備功能

全矩陣捕獲技術：一種最大限度提升便攜式相控陣超聲檢測設備功能的新技術

便攜式相控陣超聲檢測系統進入市場已經將近20年了，如今隨著科學技術的發展，最新一代的相控陣超聲檢測工具能夠提供更好的振幅分辨率、更快的數據采集速率，而且還搭配了先進的數據分析軟件包，其優秀的計算和數據分析能力也使無損檢測人員能夠進行更為復雜的檢測，而這些新技術曾經一度都被認為是遙不可及的。

在眾多新技術中，今天我們來著重談談全矩陣捕獲（Full Matrix Capture，FMC）技術。這是一種數據采集策略，對于給定的超聲相控陣換能器，FMC能夠利用相控陣超聲捕獲到每個可能的發射-接收信號組合。這種技術可以有效提高檢測的可靠性，有效減少重復掃描的次數，要知道的是，多次重復掃描會浪費大量的成本和時間。

工作原理

相控陣超聲檢測系統一般會使用具有多個元件（通常為16~64個）的探針，這些探針由計算機通過特定的延遲定律以高度受控的方式進行激發，在信號接收之后，將每個元件的貢獻相加產生一個A掃描。

相控陣超聲檢測儀器可以產生聚焦的超聲波束，而且還可以使其具有不同的轉向角，這能夠有效簡化和改進對具有復雜幾何形狀的零部件及不同材料的檢測，這類零部件通常都比較難檢測，因為不同部位或材料的聲學特性各不相同。

需要注意的是，使用相控陣超聲檢測技術，一個發射脈沖和一個接收信號就可以產生一個A掃描。而對于FMC，探針中的每個陣列元件是依次被用作單個發射器，但所有陣列原件可以同時用作接收器。通過捕獲和存儲陣列中每個收發組A掃描信號，可以為任何給定的聚焦/光束（光圈、折射/傾斜角度、聚焦位置）生成超聲波圖像，再應用最新的后處理算法就可以為檢測人員呈現出最佳的檢測結果。而且，FMC數據集可以多次處理，利用不同的重構參數得到不同的結果。

舉一個關于總聚焦法(TFM)的例子，這是一種高級的處理算法，它使用FMC技術收集數據來生成像素幀，其中每個像素都使用專用的聚焦法則進行計算，這導致每個像素都有一個焦點（從理論上講，每個像素都是完美聚焦的）。通過硬件和軟件的正確組合，FMC和TFM聯合成為了處理和重建數據進行缺陷表征的強大工具。

數據存儲量

為了更好的理解FMC期間獲取的數據量，可以參考以下示例：

假設一個探針具有n個元件，那么，它會形成脈沖n次（每個元件一次），這意味著超聲脈沖的聲學傳播時間會發生n次。由于對每個脈沖進行一次基本A掃描都是數字化的，所以在整個發射周期后收集的基本A掃描的總數為n2。

圖1

當n值為16，32和64時，數據采集量將以如下規模擴展：

? 16元件探針：探針脈沖16次，收集了256個基本A掃描。
? 32元件探針：探針脈沖32次，收集了1024個基本A掃描。
? 64元件探針：探針脈沖64次，收集了4096個基本A掃描。

收集的掃描數決定了數據存儲能力，并影響著稍后重新生成圖像的能力。所以，即使您不了解所有的技術細節，這里的解釋也應該說明了為什么文件大小對FMC來說是一個挑戰。

FMC的典型配置采用了當今的很多先進技術。為了提高孔徑大小（aperture size）、波束形成能力和聚焦能力，FMC采用了64單元探針；典型的基本A掃描長度大約是80μs，并且每個掃描都必須具有足夠的時間基礎。對于通常具有8192個樣本的A掃描，其中每個樣本2個字節，所以，單個FMC探針位置所需的存儲空間為64 MB：4096×8192×2（基本A掃描×樣本計數×字節計數），此存儲大小適用于沿掃描線的每個探針位置。

FMC所需的存儲量（64元件探針最多需要64MB數據存儲量）還取決于進一步進行的比例分解。為了獲得足夠的數據采集速度，儀器數據的吞吐量也必須非常高。例如，要達到30Hz，就需要1.8GB/秒（64MB×30Hz）的數據吞吐量。因此，掃描具有典型分辨率的12英寸管道將為無損檢測應用程序生成一個非常大的存儲文件：（12英寸×3.1416/0.039英寸掃描分辨率）×64MB=60GB。

巧妙的縮減方式

雖然用于FMC數據采集的硬件和軟件需要能夠處理大量的A掃描數據，但從管理角度來說，文件大小和數據的積累還是需要盡量的被有效壓縮。

考慮FMC發射和接收信號的基礎模式，元件組合可以用矩陣表示，行表示觸發元件，列表示接收元件。

在圖1所示的發射矩陣中，存在具有等效超聲路徑和特征的一對組合，如A21在路徑和信號中等效于A12，而A41在路徑和信號中等效于A14。

半矩陣捕獲（HMC）是一種旨在分解這些相同路徑的技術。通過應用HMC，所需的A掃描數量就會從n2下降到n(n+1)/2。對于每個等效對，只需保留一個元素組合即可，這將減少近一半的數據量，如圖2所示。

圖2

FMC數據的處理和再利用

由于每秒會產生大量的數據，目前通常有兩種方法來處理FMC數據：

1.使用和丟棄：一些儀器使用FMC數據作為儀器內的單個探頭定位，并使用專用高速硬件進行處理。FMC數據被處理并發送到軟件以供查看，然后丟棄設備內的數據，以保留可用的空間和速度。

2.傳輸、保留和再利用：還有一些儀器支持存儲FMC數據。但是將數據從儀器傳輸到計算機上需要高效的數據傳輸器。FMC數據非常消耗硬盤空間，不過存儲了原始A掃描信號，就意味著您可以隨時使用不同的重建參數集對其再次進行分析。

FMC技術仍然在不斷發展，隨著軟件和硬件系統的不斷進步，未來的FMC技術將能夠提供更高的數據傳輸速率，處理更大的數據文件，并產生更高的信號質量。總之，這是一種非常先進的技術，是相關人員應該詳細了解的一門技術。

作者：Daniel Richard
譯者：Vince
譯自：qualitymag