Акустические методы
УДК 620.179.162: 534.87
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ PLANE WAVE IMAGING
В УЛЬТРАЗВУКОВОМ НЕРАЗРУШАЮЩЕМ КОНТРОЛЕ
© 2021 г. Е.Г. Базулин1,*, И.В. Евсеев2
1ООО «Научно-производственный центр «ЭХО+»,
Россия 123458 Москва, ул. Твардовского, 8, Технопарк «Строгино»
2Московский Энергетический Институт (НИУ),
Россия 111250 Москва, Красноказарменная ул., 14
Поступила в редакцию 30.11.2020; после доработки 22.03.2021
Принять к публикации 09.04.2021
Восстановление изображения отражателей методом цифровой фокусировка антенной (ЦФА) наряду с такими
достоинствами, как высокая разрешающая способность на всей области восстановления изображения отражателей,
возможностью получать изображения с учетом отражения и трансформации типа волны от границ объекта контроля,
имеет несколько недостатков: большой объем измеренных эхосигналов, большое время восстановления изображе-
ния и недостаточно высокая энергия ультразвуковых волн, вводимых в объект контроля. Метод Plane Wave Imaging
(PWI) позволяет совместить преимущества технологии фазированных антенных решеток (ФАР) и ЦФА-технологии.
В режиме PWI при излучении плоской волны работают все элементы антенной решетки (АР) (как в ФАР-режиме),
что позволяет увеличить вводимую в объект контроля энергию, а регистрируются эхосигналы всеми элементами АР
(как в режиме ЦФА). Изображения отражателей восстанавливаются методом комбинационного SAFT. Для получения
изображения можно использовать число излученных плоских волн меньше количества элементов антенной решетки,
что уменьшает объем измеренных эхосигналов. Перевод расчетов в область пространственных секторов позволяет
повысить скорость восстановления изложения отражателей. Модельные эксперименты показали положительные и
отрицательные стороны получения изображений отражателей методом PWI по сравнению с методом ЦФА как для
случая использования призмы, так и без призмы.
Ключевые слова: ультразвуковой неразрушающий контроль, двойное сканирование, тройное сканирование, цифро-
вая фокусировка антенной, Plane Wave Imaging.
DOI: 10.31857/S0130308221060014
1. ВВЕДЕНИЕ
Получение информации о внутренней структуре промышленных объектов является актуаль-
ной проблемой и относится к классу обратных задач рассеяния, которая состоит в определении
количественных характеристик несплошностей на основе наблюдения за рассеянным облучающем
полем. Для неразрушающего контроля важнейшей задачей является классификация обнаружен-
ных отражателей, определение их размеров и координат залегания. Полученная информация мо-
жет быть использована специалистами по прочностным расчетам для оценки эксплуатационного
ресурса объекта контроля.
В настоящее время широко используется технология ультразвукового контроля (УЗК) с при-
менением пьезоэлектрических антенных решеток (АР), излучающих и принимающих волны в ис-
следуемом объекте. Широкое применение в практике УЗК нашли две технологии восстановления
изображения отражателей с использованием АР: фазированные антенные решетки (ФАР) [1] и
цифровая фокусировка антенной решетки (ЦФА) [2]. В работе [3] обе технологии сравниваются, и
делается вывод о том, что ЦФА-технология более перспективна в плане применения разнообраз-
ных алгоритмов восстановления изображения отражателей.
Метод ЦФА позволяет восстановить изображения отражателей со сплошной фокусиров-
кой во всех точках области восстановления изображения (ОВИ). На первом этапе регистри-
руются эхосигналы для всех комбинаций излучатель—приемник элементов АР. Такой ре-
жим называется режим двойного сканирования (в зарубежной литературе Full Matrix Capture
(FMC) [4]). Набор эхосигналов при излучении одним элементом АР называется выстрел, а
набор эхосигналов по всем выстрелам будем называть залп. На втором этапе по измеренным
эхосигналам методом комбинационного SAFT (C-SAFT) [5] восстанавливается изображение
отражателей. Однако метод ЦФА имеет недостатки, а первый заключается в том, что реги-
стрируется большой объем эхосигналов, который растет квадратично количеству ее элементов
Ne. Для линейной 32-элементной АР количество измеренных эхосигналов (залп) равно Ne2 =
4
Е.Г. Базулин, И.В. Евсеев
= 1024, а для 64-элементной — уже 4096. Второй недостаток ЦФА — это небольшая акусти-
ческая энергия, которая вводится в объект контроля каждым элементом АР без фокусировки.
Третий недостаток — большое время обработки восстановления изображения по эхосигналам
методом C-SAFT во временной области. Отметим еще одно обстоятельство — для повышения
скорости сканирования при автоматизированном контроле очень важным параметром является
скорость регистрации эхосигналов, так как восстановить изображение отражателей можно на
этапе подготовке оператором протокола контроля. Предположим, что цикл измерения эхосиг-
налов в режиме FMC равен 600 мкс. Если нужно проводить измерения эхосигналов с шагом
2 мм, то скорость сканирования будет достаточно высокой — около 50 мм/мкс. Но есть еще
одна проблема — при непрерывном, а не шаговом, движении антенной решетки целесообраз-
но проводить регистрацию всех выстрелов в «точке», то есть на интервале, меньшим хотя бы
четверти длины волны. Если перемещать антенную решетку со скоростью 50 мм/мкс, то при
упомянутом времени одного такта измерение эхосигналов залпа «размажется» примерно на
1 мм, что соизмеримо с длиной продольной волны. Для измерения в «точке» скорость сканиро-
вания придется уменьшить в 4 раза, снизив ее до 13 мм/с. Это невысокая скорость проведения
контроля. Решить задачу учета измерений выстрелов не в одной точке можно и на этапе вос-
становления изображения, усложнив алгоритм расчета задержек, рассчитывая их для каждого
положения решетки при измерении эхосигналов выстрела. Поэтому задача уменьшения время
регистрации эхосигналов и повышение скорости восстановления качественного изображения
отражателей является актуальной проблемой.
В статье [6] приведен краткий обзор методов повышения скорости регистрации эхосигналов с
помощью АР, поэтому сразу перейдем к рассмотрению режима Plane Wave Imaging (PWI) [7—9],
который был разработан для регистрации эхосигналов АР с большим количеством элементов. В
объект контроля (ОК) (как и в ФАР-технологии) всеми элементами АР излучаются плоская волна
с заданным углом, а регистрация эхосигналов происходит (как в режиме FMC) всеми элементами
АР. По эхосигналам измеренного выстрела восстанавливается изображение отражателей. Для
повышения качества изображения в ОК последовательно излучается несколько плоских волн
Npw, и все парциальные изображения суммируются. Режим PWI обладает рядом достоинств. Так
как для регистрации можно использовать порядка 10 плоских волн (Npw = 10), то скорость реги-
страции эхосигналов повышается тем больше, в сравнении с режимом FMC, чем больше число
элементов в АР. Для режима FMC для Ne = 64 число измеренных эхосигналов равно Ne2 = 4096, а
для режима PWI — Ne Npw = 640, и скорость их регистрации возрастет в 6,4 раза. Для АР из 128
элементов выигрыш будет еще больше. Так как плоская волна формируется всеми элементами
АР, то акустическая энергия, передаваемая в среду, будет больше чем для режима FMC. Поэтому
режим PWI более помехозащищен при работе с ОК с большим поглощением.
Для восстановления изображения отражателей по эхосигналам, измеренным как в режиме FMC,
так и в режиме PWI, расчеты из временной области можно перенести в область пространственных
частот [9, 10]. Так как в этом случае основной операцией становится преобразование Фурье, кото-
рое можно выполнить по технологии быстрого преобразования Фурье, то скорость восстановления
изображения может быть значительно повышена.
2. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ЭХОСИГНАЛОВ
2.1. Режим FMC
Для простоты будем рассматривать задачу в двумерном случае. Для описания геометрии за-
дачи введем систему координат (x, z), в которой будут проводится расчеты, и систему координат
(xr, zr), связанную с АР и линией, по которой она может сканировать. Система координат (xr, zr)
удалена от центра (x, z) на расстояние R и может быть еще повернута на произвольный угол α.
Мы ограничимся случаем α = 0. Отражатели могут находится в области r∈S (рис. 1). АР на рис. 1
схематически показана с протектором. Отметим, что она может быть смещена по оси xr. Излуча-
ющей элемент АР описывается вектором rt, а принимающий элемент — rr. В режиме FMC пер-
вый элемент АР в точке rt,1 излучает зондирующий сигнал (показан полуокружностями красного
цвета), а все элементы антенной решетки принимают эхосигналы (полуокружностями зеленого
цвета). Набор измеренных эхосигналов называется первым выстрелом. Эта процедура повто-
ряется для всех элементов АР. Облучение отражателей, отмеченных на рис. 1 звездами разных
цветов, в целом равноправно, так как на них падает «цилиндрическая» волна, что учитывается в
алгоритме восстановления.
Дефектоскопия
№ 6
2021
Применение технологии Plane Wave Imaging в ультразвуковом неразрушающем контроле
5
z
xr
rt,1
rr
R
r
x
S
zr
Рис. 1. Описание режима FMC без призмы.
Как упоминалось ранее, измеренные Ne2 эхосигналов могут иметь очень большой объем (боль-
ше 5 Мбайт). Их передача между модулями ЦФА-дефектоскопа может потребовать значительного
времени, что уменьшит скорость сканирования АР и, следовательно, скорость проведения кон-
троля. А низкая скорость контроля может нести угрозу для оператора при контроле оборудования
атомных электростанций, где время нахождения в условиях повышенной радиации должно быть
минимизировано. Высокая скорость регистрации эхосигналов очень важна и в медицинской диа-
гностике, в которой используются АР с числом элементов 128 и более. Желательно провести из-
мерения эхосигналов пока внутренние органы не изменили своего положения в силу естественных
процессов, происходящих в живом организме.
2.2. Режим PWI
Описание геометрии измерений в режиме PWI совпадает с описанной в разделе 2.1. В объект
контроля (ОК) (как и в ФАР-технологии) всеми элементами АР излучается плоская волна с волно-
вым вектором kt, которая на рис. 2 показана прямыми линиями красного цвета [4, 8, 9]. Регистрация
эхосигналов (схематически показаны полуокружностями зеленого цвета) первого выстрела про-
исходит (как в режиме FMC) всеми элементами АР. Для повышения качества изображения в ОК
z
xr
kt
rr
R
r
x
S
zr
Рис. 2. Описание режима PWI без призмы.
Дефектоскопия
№ 6
2021
6
Е.Г. Базулин, И.В. Евсеев
последовательно излучаются несколько плоских волн Npw, то есть регистрируются Npw выстрелов.
Так как плоская волна формируется в ограниченом объеме пространства и происходит обязатель-
ное излучение краевых волн, то у режима PWI есть свои ограничения. Рассмотрим отражатели,
расположенные, как описано в разделе 2.1, в удаленных местах области S. Для данного угла ввода
только отражатель, отмеченный звездой зеленого цвета, будет освещен плоской волной, а отража-
тель, отмеченный звездой красного цвета с границей черного цвета, будет освещен «цилиндриче-
ской» краевой волной. Поэтому, в отличии от режима FMC, изображение этих двух отражателей
будет формироваться по-разному — отражатель справа будет восстановлен расфокусированным и
смещенным от своего истинного положения. По этой причине для режима PWI очень важным яв-
ляется выбор ОВИ, в которой могут находится отражатели, и набора углов плоских волн, который
не обязательно должен быть эквидистантным.
В заключении это раздела можно сделать вывод, что работа в режиме PWI объединяет в себе
лучшие стороны ФАР- и ЦФА-технологии. Излучение происходит всеми элементами АР (как в
ФАР-режиме), что обеспечивает ввод в объект контроля большой энергии. По зарегистрирован-
ным эхосигналам изображение отражателей восстанавливается методом C-SAFT, что позволяет
получать изображение с высоким разрешением в пределах всей ОВИ и без смещения бликов от их
истинных положений [3].
3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
3.1. Во временной области (корреляционный и DAS)
По измеренным эхосигналам p(rt, rr, t) изображение отражателей во временной области можно
восстановить методом C-SAFT [11]:
ε(r;as)
=
p(r
,t-t
(r
,
r r;as)+t
)dr
dr
,
(1)
i
∫∫
r
del
r
t
i
max
r
t
StSr
где tdel(rr, rt, ri; as) — время пробега импульса от излучателя до точки ri и к приемнику для заданной
акустической схемы as; tmax — время нарастания импульса; St и Sr — области излучения и при-
ема. Под акустической схемой, которую обозначим как as, будем подразумевать описание лучевой
траектории распространения импульса от излучателя до приемника при отражении от неровных
границ объекта контроля с учетом трансформации типа волны. Обычно эхосигналы p(rr, t) из дей-
ствительного формата с помощью предобразования Гильберта переводят в комплексный формат.
В зарубежной литераторе используются термины Delay And Sum (DAS) [12] или Total Focusing
Method (TFM) [4].
Для расчета времени пробега импульса по лучевой траектории можно воспользоваться вари-
ационным принципом Ферма [13] или методом трассировки [14]. Оба этих метода имеют свои
достоинства и недостатки. Отметим только, что расчет траекторий по принципу Ферма для случая
неровных границ ОК может привести к наличию нескольких максимумов целевой функции в виде
времени распространения импульса вдоль луча, то есть к нескольким траекториям, по которым
может распространятся импульс. А это, в свою очередь, сильно усложнит и замедлит программную
реализацию расчета времени задержки на основе принцип Ферма.
Если АР перемещается Nw раз по поверхности объекта контроля, регистрируя эхосигналы в
режиме двойного сканирования в каждой точке, то такой режим назовем режимом тройного скани-
рования. Когерентная сумма парциальных изображений, восстановленных для каждого положения
АР согласно (1), позволит получить объединенное (итоговое) изображение отражателей с более
высокой фронтальной разрешающей способностью, например, за счет когерентного сложения по
формуле:
Nw
I(r ;as)
=
ε
(r ,r
;as)
,
(2)
i
∑
i
w
w=1
где rw — вектор, определяющий положение АР на поверхности объекта контроля.
Расчет по формуле (1), даже в случае, если задержки tdel(rr, rt, ri; as) уже рассчитаны, требует
большого количества операций. Однако эти расчеты хорошо распараллеливаются и для их ускоре-
Дефектоскопия
№ 6
2021
Применение технологии Plane Wave Imaging в ультразвуковом неразрушающем контроле
7
ния можно воспользоваться технологией NVIDIA CUDA™ [15] или перевести расчеты на аппарат-
ный уровень с помощью технологии ПЛИС [16].
Расчет задержек для режима FMC и PWI для однородных изотропных сред с установкой АР на
призму достаточно простая задача и рассмотрена во множестве работ [9, 17] как для случая при-
менения принципа Ферма, так и для случая использования принципа трассировки.
3.2. В частотной области
Для случая изотропной среды, в которой звук распространяется со скоростью c, в гармониче-
ском варианте при работе на частоте f облучающее поле
p
(r-r ,
f
)
, рассеянное p(rr, f) поле и
i
t
коэффициент рассеяния ε(r) связаны уравнением Липмана—Швингера [18, 19], которое в прибли-
жении Борна
p r,
f
)
p r,
f
)
имеет вид:
i
p(r
,r
,
f
)
=∫G(r
−
r
,
f ε(r)p
(r
−
r
,
f
)dr
r
t
r
i
t
(3)
S
Так как двумерный спектр функции Грина отличен от нуля на окружности радиусом
2
2
k= k
+k
(окружность показана пунктирной линией на рис. 3) [18], где k = 2π/λ — волновое
x
z
число, λ = c/f — длина волны, то интегральное уравнение можно решить, переведя расчеты в
спектральную плоскость (kx, kz). Понятно, что от гармонического варианта расчета можно пере-
йти к импульсному и обратно с помощью преобразования Фурье.
Так как при расчетах в спектральном пространстве широко используется преобразования Фу-
рье, выполняемое по технологии быстрого преобразования Фурье, то эти методы могут существен-
но превосходить в скорости метод обработки во временной области (раздел 3.1).
3.2.1. Режим PWI
ℑ
xz
На рис. 3 спектр неизвестной функции ε(r) обозначен как
ε(
k
)
, гдеℑxz — двумерное пря-
мое преобразование Фурье. Если в формуле для случая изотропной среды будем считать, что
p
(r-r
,
f
)
=1
(случай пассивной локации), то получается формула двумерной свертки, которая,
i
t
с учетом свойств спектра функции Грина
G(
r-r
,
f
) , позволяет найти значение спектра функции
r
ε(r) на окружности радиуса k по спектру измеренного поля p(rr, kt, f). Учитывая, что падающее
поле имеет вид плоской волны с волновым вектором kt:
ik
t
(
r−r
t
)
p
(r
−r
,
f
)
=
e-
,
(4)
i
t
согласно теореме смещения для преобразования Фурье, область спектра в виде окружности (по-
казана на рис. 3 сплошной линией) сдвинется в спектральном пространстве на kt. Учитывая, что
kz
FMC
ℑ
xz
km
ax
ε(
k
)
kt
kx
PWI
km
ax
Рис. 3. Обработка в частотной области эхосигналов, измеренных в режиме PWI и FMC.
Дефектоскопия
№ 6
2021
8
Е.Г. Базулин, И.В. Евсеев
регистрация эхосигналов проводится по одной стороне объекта контроля, элемент АР обладает
диаграммой направленности и размеры АР ограничены, удается получить информацию только
ℑ
xz
о функции
ε(
k)
на части окружности, показанной на рис. 3 сплошной толстой линией. Используя
p(rr, kt, f) в диапазоне частот Δf, определяемым в первую очередь свойствами АР, можно восста-
новить спектр неизвестной функции ε(r) в пределах сектора (заштрихованная область на рис. 3).
И, наконец, если использовать несколько плоских волн с разными углами наклона, то, ис-
ℑ
xz
пользуя метод ПСП, можно получить информацию о
ε(
k)
в области, схематически показанной
на рис. 3 частью кольца красного цвета, с границей, показанной утолщенной линией. Применив
-1
к восстановленному спектру операцию обратного двумерного преобразования Фурье
ℑ
, можно
xz
получить оценку ε(r) искомой функции ε(r). Понятно, что чем больше область, в которой удастся
ℑ
xz
восстановить информацию о
(
)
ε
k
, тем точнее оценка изображения отражателя. Для этого нужно
пользоваться АР очень больших размеров, элементы которой излучают δ-подобные импульсы и
имеют равномерную диаграмму направленности. Но и в этом случае удастся восстановить только
спектр ε(r) только в нижнем полупространстве (kx, kz).
3.2.2. Режим FMC
Если в формулу (3) подставить падающее поле в виде:
p
(r-r
,
f
)
=G(r-r
,
f
),
(5)
i
t
t
-1
то выполнив двумерное преобразование Фурье
ℑ
по координатам rt и rt , можно свести задачу к
xz
задаче, решенной в разделе 3.2.1:
ℑ
−1
xz
−1
p(
k
,k
,
f
)
=
ℑ
(
p(r
,
r
,
f
)
)
(6)
r
t
xz
r
t
Из формулы видно, что мы получили информацию об амплитуде зарегистрированных пло-
ских волн с волновым вектором kt для набора падающих плоских волн kt. То есть в режиме PWI
мы излучаем плоскую волну под выбранным углом, а в режиме FMC с помощью формулы (6)
мы получаем подобный набор, но при излучении каждым элементом АР цилиндрической волны.
ℑ
xz
Поэтому область спектра
(
)
ε
k
, о котором мы получим информацию, будет примерно совпадать
с аналогичной областью при выборе нужного диапазона углов в режиме PWI. Для случая малого
уровня шума восстановленные изображения отражателей будут близки для регистрации эхосиг-
налов в режиме PWI и режиме FMC.
3.2.3. Проблема интерполяции
Так как спектр измеренной голограммы определяется на части окружности (см. рис. 3), то для
выполнения быстрого двумерного обратного преобразования Фурье нужно рассчитывать спектр в
узлах прямоугольной сетки. Интерполяция по ближайшему соседу может приводить к появлению
в изображении отражатели ложных бликов большой амплитуды. В статье [20] предложено исполь-
зовать интерполяцию по четырехточечному шаблону, что более чем на 12 дБ уменьшает уровень
интерполяционного шума.
Отметим важный момент! Так как для режима FMC информация по набору падающих пло-
ских волн получается в результате двумерного преобразования Фурье согласно (6), то при грубом
шаге между элементами АР (больше чем половина длины волны в ОК) из-за эффекта перекрытия
спектров шум интерполяции может иметь высокий уровень. В режиме PWI плоская волна под
заданным направлением формируется реально, поэтому максимальная пространственная частота
спектраkPWImax будет меньше, чемkFMCmax , что приведет к уменьшению уровня шума интерполяции из-
за уменьшения эффекта перекрытия спектров.
4. МОДЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Для регистрации эхосигналов использовался ЦФА-дефектоскоп «АВГУР АРТ», разработанный
и изготавливаемый «Научно-производственным центром неразрушающего контроля «ЭХО+» [21].
Дефектоскопия
№ 6
2021
Применение технологии Plane Wave Imaging в ультразвуковом неразрушающем контроле
9
4.1. Образец Т-Б-39-6О-Пл №19200
Образец представляет из себя плексигласовый параллелепипед толщиной 60 мм, в котором
сделано шесть боковых цилиндрических отверстий (БЦО) диаметром 1,5 мм, как показано на
рис. 4. Для регистрации эхосигналов использовалась АР (5 МГц, 64 элемента, размер пьезоэле-
мента 0,55×10 мм, зазор между пьезоэлементами 0,05 мм). Эхосигналы для уменьшения уровня
белого шума измерялись 25 раз для дальнейшего усреднения.
1
6
2
4
Рис. 4. Фотография образца и используемой АР.
4.1.1. Восстановление изображения во временной области
4.1.1.1. Режим FMC
Коэффициент усиления был равен 45 дБ. На рис. 5а показано ЦФА-изображение, восстанов-
ленное по эхосигналам без усреднений. На изображение линиями черного цвета наброшена маска
шести БЦО. Блики пяти БЦО уверено обнаруживаются. Блик 4-го отверстия еле различим, так
как он затенен другими БЦО. На изображении, из-за высокого затухания звука в плексигласе, за-
метен белый шум амплитудой около -20 дБ. Перерассеивание импульсов между БЦО приводит к
появлению ложных бликов, с амплитудой порядка -14 дБ. Восстановление ЦФА-изображение по
усредненным эхосигналам позволило уменьшить уровень белого шума изображения более, чем на
12 дБ (рис. 5б).
а
б
×107
22
22
4,5
4,5
1
4
4
24
24
3,5
3,5
26
26
3
3
3
28
2,5
28
Шум
5
перерассе-
2
ивания
30
30
1,5
1,5
32
32
1
1
0,5
0,5
34
34
Белый шум
–8
-6
2
4
6
8
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
x, мм
x, мм
Рис. 5. ЦФА-изображение:
а — без усреднений эхосигналов; б — с усреднением 25 эхосигналов.
Дефектоскопия
№ 6
2021
10
Е.Г. Базулин, И.В. Евсеев
4.1.1.2. Режим PWI
Так как режим PWI позволяет вводить больше энергии в объект контроля, то PWI-C-SAFT-
изображение, полученное по эхосигналам без усреднений (рис. 6а), практически не отличаются от
ЦФА-изображения, полученного с усреднением 25 залпов эхосигналов (см. рис. 5б). Коэффициент
усиления был уменьшен до 30 дБ. Это привело к тому, что изображение, восстановленное по 25
усредненным залпам (см. рис. 6а), неотличимо от изображения без усреднения эхосигналов. Для из-
мерения эхосигналов использовалась 21 плоская волна с углами от -20 до 20 град с шагом в 2 град.
Учитывая, что в режиме PWI использовалась 21 плоская волна для измерения одного залпа вместо
измерения 25 залпов из 64 выстрелов в режиме FMC, то суммарный выигрыш в скорости регистра-
ции эхосигналов для восстановления практически одинаковых изображений (рис. 5б и рис. 6а) до-
стигает значения 76!
а
б
22
22
×107
8
8
24
24
7
7
26
26
6
6
28
5
28
5
4
4
30
30
3
3
32
2
32
2
1
1
34
34
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
x, мм
x, мм
Рис. 6. PWI-C-SAFT-изображение:
а — без усреднений; б — с усреднениями по 25 измерениям.
Если использовать 13 плоских волн с углами падения от -24 до 24 град через 4 град, то время
регистрации эхосигналов, по которым было получено изображение на рис. 5б, уменьшится в 123
раза. Использование 7 плоских волн с углами падения от -24 до 24 град через 8 град позволит по-
высить скорость регистрации эхосигналов в 228 раз. Восстановленные PWI-C-SAFT-изображения
будут очень близки к ЦФА-изображению на рис. 5б. Так, возник лишь шум амплитудой -20 дБ и
-25дБ, а разрешающая способность и амплитуды бликов изменились несущественно.
4.1.2. Восстановление изображения методом ПСП
4.1.2.1. Режим FMC
На рис. 7а показано FMC-ПСП-изображение при интерполяции по ближайшему соседу (раздел
3.2.3). Амплитуда бликов шума интерполяции соизмерима с амплитудой бликов БЦО с номерами
4, 5 и 6. На рис. 7б показано FMC-ПСП-изображение при интерполяции по четырем взвешенным
точкам, что уменьшило амплитуду ложных бликов более, чем на 25 дБ. Изображение на рис. 7б
очень близко к изображению на рис. 5б или рис. 6а. Восстановления FMC-ПСП-изображения про-
исходило быстрее примерно в пять раз по сравнению с восстановлением ЦФА-изображения.
4.1.2.2. Режим PWI
На рис. 8а приведено PWI-ПСП-изображение при интерполяции по ближайшему соседу,
а рис. 8б — при интерполяции по четырем взвешенным точкам. Шум интерполяции практически
одинаков на этих изображениях по причине, рассмотренной в разделе 3.2.3. PWI-ПСП-изображения
близки к ЦФА-изображению при интерполяции по четырем точкам (см. рис. 7б).
4.2. Образец СО-1
Для восстановления изображения восьми пронумерованных боковых цилиндрических отвер-
стий в образце СО-1 (рис. 9) использовалась та же АР, что и в разделе 4.1. Эхосигналы для умень-
шения уровня белого шума измерялись 25 раз для дальнейшего усреднения.
Дефектоскопия
№ 6
2021
Применение технологии Plane Wave Imaging в ультразвуковом неразрушающем контроле
11
а
б
22
400
22
11 000
Шум
интерполя-
10 000
24
350
24
ции
9000
300
26
26
8000
6
250
7000
28
28
6000
200
5000
30
30
5
150
4000
100
3000
32
32
2000
50
4
34
34
1000
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
x, мм
x, мм
Рис. 7. FMC-ПСП-изображение с интерполяцией:
а — по ближайшему соседу; б — по четырем взвешенным точкам.
а
б
22
22
350
450
24
24
400
300
350
26
250
26
300
28
200
28
250
200
150
30
30
150
100
32
32
100
50
50
34
34
–8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
x, мм
x, мм
Рис. 8. PWI-ПСП-изображение с интерполяцией :
а — по ближайшему соседу; б — по четырем взвешенным точкам.
1
2
8
7
4
Рис. 9. Фотография образца СО-1 и используемой АР.
4.2.1. Восстановление изображения во времени
4.2.1.1. Режим FMC
На рис. 10а показано ЦФА-изображение, восстановленное по эхосигналам без усреднения. На
изображение линиями черного цвета наброшена маска БЦО на прямом луче и при отражении от дна.
Блики всех БЦО за исключение седьмого уверено обнаруживаются на прямом луче. Блик БЦО 7
Дефектоскопия
№ 6
2021
12
Е.Г. Базулин, И.В. Евсеев
а
б
×108
1
2
20
2
2
30
1,8
30
1,8
1,6
40
1,6
8
7
7
1,4
1,4
50
50
1,2
1,2
60
60
1
1
70
70
0,8
0,8
«Лунная
80
80
дорожка»
0,6
0,6
90
90
0,4
0,4
100
Шум из-за
0,2
поглощения
110
0
-50 -40 -30 -20 -10 0
10
20 30
40 50
60
-50 -40 -30 -20 -10
0
10
20 30
40
50
60
x, мм
x, мм
Рис. 10. ЦФА-изображение:
а — без усреднений; б — с усреднениями по 25 измерениям.
из-за его большого удаления от АР слабо различим, так как его амплитуда превышает уровень шума
примерно на 6 дБ. Усиление в 50 дБ увеличило амплитуду синфазной помехи между приемными
каналами дефектоскопа, в результате чего на изображении появился шум, названный «лунная до-
рожка». Уровень белого шума ЦФА-изображение, восстановленное по усредненным эхосигналам,
уменьшился более, чем на 12 дБ (рис. 10б), что позволило уверенно обнаружить БЦО номер 7.
Более того, стали заметны блики БЦО, сформированные на однократно отраженных от дна лучах.
4.2.1.2. Режим PWI
На рис. 11а показано изображение, восстановленное по эхосигналам без усреднений, а на
рис. 11б — с усреднением. Оба изображения непринципиально отличаются друг от друга, так как
режим PWI позволяет вводит больше энергии в объект контроля. А так как уровень усиления был
уменьшен на 15 дБ, то при сравнении с рис. 10а видно, что амплитуда «лунной дорожки» уменьши-
лась более, чем на 25 дБ. Так как PWI-C-SAFT-изображение восстановлено при излучении 21 пло-
ской волны с углом падения от -20 до 20 град с шагом 2 град, а FMC-изображение при излучении
64 выстрелов и 25 измерениях для усреднения, то это привело к ускорению регистрации эхосигна-
лов в режиме PWI в 76 раз, так же как и в разделе 4.1.1.2. Блики БЦО, сформированные эхосигна-
лами, однократно отраженными от дна (см. рис. 11а), не удается обнаружить, так как их амплитуда
сравнима с уровнем шума из-за поглощения, но после усреднения эхосигналов на изображении на
рис. 11б эти блики хорошо заметны из-за повышения отношения сигнал/шум.
7
а
б
×10
20
20
14
14
30
30
12
12
40
40
Блик дна
10
10
50
50
образца
СО-1
60
8
60
8
70
70
«Лунная
6
6
дорожка»
80
80
4
4
90
90
100
Блик при
Шум из-за
отражении
поглощения
110
от дна
–50 -40 -30 -20 -10 0
10
20 30
40 50
60
-50 -40 -30 -20 -10 0
10
20 30
40 50
60
x, мм
x, мм
Рис. 11. PWI-C-SAFT-изображение:
а — без усреднений; б — с усреднениями по 25 измерениям.
4.2.2. Восстановление изображения методом ПСП
В отличии от модельного эксперимента, описанного в разделе 4.1, когда все БЦО были в пределах
активной апертуры АР, в данном модельном эксперименте БЦО с номерами 1, 2, 7 и 8 находятся вне
пределов апертуры АР, показанной квадратом с полупрозрачной заливкой красного цвета (см. рис. 9).
Дефектоскопия
№ 6
2021
Применение технологии Plane Wave Imaging в ультразвуковом неразрушающем контроле
13
При восстановлении ПСП-изображения блики БЦО с номерами 1, 2, 8 и 7 будут зеркально отражены
относительно вертикальных линий границы апертуры. Для устранения этого эффекта можно увеличить
количество элементов АР до 192, добавив эхосигналы из нулей слева и справа 64 нуля. Увеличенная
апертура на рис. 9 показана двумя прямоугольниками с полупрозрачной заливкой зеленого цвета.
4.2.2.1. Режим FMC
На рис. 12а приведено FMC-ПСП-изображение при интерполяции по ближайшему соседу. На
изображении присутствуют многократно повторяющиеся по горизонтали ложные блики, появив-
шиеся из-за грубого шага элементов АР (см. раздел 3.2.3), которым было дано название «пунктир-
ный шум» (рис. 12). «Пунктирный шум» затрудняет определение количества несплошностей в ОК.
На рис. 12б приведено FMC-ПСП-изображение при интерполяции по четырем взвешенным точ-
кам. Однако из-за грубого шага элементов АР «пунктирный шум» подавить не удалось.
а
б
20
20
11 000
30
30
7000
10 000
40
9000
40
6000
8000
50
50
5000
«Пунктирный
60
шум»
4000
70
5000
3000
80
4000
80
3000
2000
90
90
2000
1000
100
1000
100
110
110
-50 -40 -30 -20 -10
0
10
20
30
40
50
60
-50 -40 -30 -20 -10
0
10
20
30
40
50
60
x, мм
x, мм
Рис. 12. FMC-ПСП-изображение с интерполяцией:
а — по ближайшему соседу; б — по четырем взвешенным точкам.
4.2.2.2. Режим PWI
На рис. 13а приведено PWI-ПСП-изображение при интерполяции по ближайшему соседу, а на
рис. 13б — при интерполяции по четырем точкам. Как видно, разница между шумом интерполяции
этих двух изображений мала (см. раздел 4.1.2.2). На обоих изображениях блики БЦО с номерами
6 и 8 имеют маленькую амплитуду, а блики БЦО с номерами 1 и 7 вообще не видны, так как нахо-
дятся вне области сканирования плоскими волнами с углами от -20 до 20 град. Для восстановления
бликов БЦО с номерами 1 и 7 нужно увеличить диапазон углов излучения плоских волн от -40 до
40 град, но это приведет к уменьшению скорости регистрации эхосигналов.
а
б
20
20
450
30
30
300
400
40
40
350
250
50
50
300
200
60
60
250
70
70
150
200
80
80
150
100
90
90
100
100
100
50
50
110
110
-50 -40 -30 -20 -10
0
10
20
30
40
50
60
-50 -40 -30 -20 -10
0
10
20
30
40
50
60
x, мм
x, мм
Рис. 13. PWI-ПСП-изображение с интерполяцией:
а — по ближайшему соседу; б — по четырем взвешенным точкам.
Дефектоскопия
№ 6
2021
14
Е.Г. Базулин, И.В. Евсеев
4.3. Образец СО-НК-036 №3 («кораблик»)
В образце из стали Ст20 толщиной 60 мм со стороны грани с углом наклона 30 град сдела-
но четыре пронумерованных плоскодонных цилиндрических отверстия (ПДО), диаметром 1 мм, с
глубиной залегания 2, 10, 20 и 40 мм (рис. 14). На рис. 14 все четыре ПДО схематически показаны
линиями желтого цвета. Для контроля использовалась АР с частотой 5 МГц и 32 элементами, раз-
мером 0,55 мм с зазором между краями элементов 0,05 мм, установленной на рексолитовую призму
с углом наклона 35 град. Сканирование по оси x проводилось 67 раз с шагом 1,14 мм. Призма в
начальном положении -96 мм показана на рис. 14.
1
2
3
4
Рис. 14. Фотография образца №3 СО-НК-036 (кораблик).
4.3.1. Восстановление изображения во временной области
На рис. 15 показаны изображения, восстановленные по эхосигналам, измеренным в режиме
тройного сканирования FMC и PWI. В режиме PWI плоские волны генерировались в диапазоне
от 30 до 80 град через 2 град. Оба изображения ПДО непринципиально отличаются друг от друга.
Однако блики ПДО на рис. 15a сфокусированы лучше по причине наличия краевой волны и огра-
ниченной области формирования плоской волны (см. раздел 2.2). Так как АР состоит из 32 элемен-
тов и усреднения эхосигналов не проводилось, то увеличение скорости регистрации эхосигналов в
режиме PWI по сравнению с FMC не так заметно, как в разделах 4.1.1.2 и 4.2.1.2.
а
б
2
2,5
1
10
10
1,8
2
2
1,6
20
20
1,4
3
1,5
1,2
30
30
Тень ПДО 2
4
Ревербераци-
1
онный шум
40
40
Тень ПДО 3
0,6
Ревербераци-
50
0,5
онный шум
0,4
Тень ПДО 4
60
60
Уголок образца
–40
-30
-20
-10
0
-40
-30
-20
-10
0
x, мм
x, мм
Рис. 15. Изображения, восстановленные по эхосигналам, измеренным в режиме тройного сканирования:
а — FMC; б — PWI.
Дефектоскопия
№ 6
2021
Применение технологии Plane Wave Imaging в ультразвуковом неразрушающем контроле
15
На рис. 16а приведено FMC-C-SAFT-изображение самого глубокого ПДО номер 4, для началь-
ного положения призмы на ОК, а на рис. 16б — PWI-C-SAFT-изображение. На каждый рисунок
линиями черного цвета наброшена маска ПДО. На рис. 16а отношение сигнал/шум около 2 дБ, а на
рис. 16б из-за свойства PWI вводить большее, по сравнению с режимом FMC, количество энергии в
ОК, отношение сигнал/шум около 6 дБ, что позволяет считать блик ПДО 4 обнаруженным.
а
б
30
30
120
700
32
32
4
34
34
100
600
36
36
500
80
38
38
400
40
40
60
42
42
300
44
40
44
200
46
46
20
100
48
48
50
50
-50
-45
-40
-35
-50
-45
-40
-35
x, мм
x, мм
Рис. 16. Изображения, восстановленные по эхосигналам, измеренным в положении -96 мм в режиме:
а — FMC; б — PWI.
Следует обратить внимание на то, что амплитуда блика ПДО на рис. 16б оказалась модулиро-
ванной. Это можно объяснить тем, что при увеличении глубины залегания отражателей в эту об-
ласть будет приходить всего нескольких плоских волн (см. рис. 2). Излучая плоские волны с шагом
по углу 1 или 0,5 град, можно получить блик ПДО без модуляции (как на рис. 16а). В этом случае
отношение сигнал/шум возрастет еще больше, но в два или четыре раза уменьшиться скорость
регистрации эхосигналов. По этой же причине блики ПДО на рис. 15б уменьшают амплитуду бы-
стрее, чем на рис. 15а при увеличении глубины залегания отражателя. Чем больше размер АР, тем
меньше будет сказываться этот эффект на качестве PWI-изображения. Эту особенность работы в
режиме PWI нужно учитывать при разработке методик.
5. ВЫВОДЫ
По результатам исследований, изложенных в данной статье, можно сделать несколько выводов.
1. При использовании 64-элементной АР без призмы для восстановления изображения БЦО в
образце Т-Б-39-6О-Пл №19200 можно ограничится восемью плоскими волнами, то есть повысить
скорость регистрации в восемь раз. Эффективность применения режима PWI для ускорения реги-
страции эхосигналов тем выше, чем больше элементов в АР.
2. Восстановление изображений БЦО в образце СО-1 в спектральном пространстве не такое
эффективное, как для образца Т-Б-39-6О-Пл №19200. Это связано с двумя причинами: нарушение
теоремы Котельникова и из-за того, что размеры ОВИ в два раза больше апертуры АР. В статьях
часто проводятся изображения отражателей в металле с использованием призмы с нулевым углом
наклона. Алгоритм (3) в этом случае легко модифицируется [9]. Так как использовалось 21 плоская
волна, то скорость регистрации возросла в три раза.
3. Применение технологии PWI не повысило отношение сигнал/шум при работе с образцом СО-
НК-036 №3 («кораблик») при регистрации эхосигналов 32-элементной АР на призме. При тройном
сканировании качество изображений, восстановленных по эхосигналам, измеренным в режиме PWI
и FMC, примерно одинаково. Только при обработке эхосигналов для положения 2 можно утверждать,
что PWI повысило примерно на 3 дБ отношение сигнал/шум (см. рис. 16). Использование 25 плоских
волн не позволило значительно увеличить скорость регистрации эхосигналов.
4. Эффективность применения технологии PWI снижается при уменьшении количества эле-
ментов АР и для области ОВИ, существенно превышающей размеры АР.
Дефектоскопия
№ 6
2021
16
Е.Г. Базулин, И.В. Евсеев
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Advances in Phased Array Ultrasonic Technology Applications // Publisher: Waltham, MA: Olympus
2. Воронков В.А., Воронков И.В., Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. О применимости
технологии антенных решеток в решении задач ультразвукового контроля опасных производственных
объектов // В мире неразрушающего контроля. 2011. № 1. С. 64—70.
3. Базулин Е.Г. Сравнение систем для ультразвукового неразрушающего контроля, использующих
антенные решетки или фазированные антенные решетки // Дефектоскопия. 2013. № 7. С. 51—75.
4. Hunter A.J., Drinkwater B.W., Wilcox P.D. The Wavenumber Algorithm for Full-Matrix Imaging Using
and Ultrasonic Array // NDT Int. 2006. V. 39. №. 7. P. 525— 541.
5. Парфенов В.И., Голованов Д.Ю. Обнаружение дискретных разреженных сигналов с частотой дис-
кретизации, не превышающей частоту Найквиста // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал].
6. Авагян В.К., Базулин Е.Г. Увеличение скорости регистрации эхосигналов ультразвуковой антен-
ной решёткой с применением технологии множественного доступа с кодовым разделением // Дефекто-
скопия. 2020. № 11. С. 3—16.
7. Montaldo G., Tanter M., Bercoff J., Benech N., Fink M. Coherent planewave compounding for very high
frame rate ultrasonography and transient elastography // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and
Frequency Control. 2009. V. 56. P. 489—506. DOI: 10.1109/TUFFC.2009.1067
8. Jeune L. Imagerie ultrasonore par emission d’ondes planes pour le contrôle de structures complexes en
immersion // Pour l’obtention du grade de Docteur de l’université Paris-Diderot. Paris. 2016. P. 119.
9. Merabet L., Robert S., Prada C. Comparative study of 2D ultrasound imaging methods in the f-k domain
and evaluation of their performances in a realistic NDT configuration // IEEE Transactions on ultrasonics,
ferroelectrics, and frequency control. 2019. V. 66. №. 4. P. 772—788. DOI: 10.1063/1.5031654
10. Dolmatov D.O., Sednev D.A., Bulavinov A.N. et al. Applying the Algorithm of Calculation in the
Frequency Domain to Ultrasonic Tomography of Layered Inhomogeneous Media Using Matrix Antenna Arrays
// Russian Journal of Nondestructive Testing. 2019. V. 55. No. 7. P. 499—506. [Долматов Д.О., Седнев Д.А.,
Булавинов А.Н., Пинчук Р.В. Применение алгоритма расчета в частотной области в ультразвуковой томо-
графии с использованием матричных фазированных антенных решеток и компенсацией непараллель-
ности поверхности объекта контроля относительно плоскости сканирования // Дефектоскопия. 2019.
№ 7. С. 12—19.]
11. Ковалев А.В., Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г., Яковлев Н.Н. Импульсный эхо-ме-
тод при контроле бетона. Помехи и пространственная селекция // Дефектоскопия. 1990. № 2. C. 29—41.
12. Taki H., Taki K., Sakamoto T., Yamakawa M., Shiina T., Kudo M., Sato T. High range resolution
ultrasonographic vascular imaging using frequency domain interferometry with the Capon method // IEEE
Trans. Med. Imaging. 2012. V. 31. №. 2. P. 417—429.
13. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 720 с.
14. Базулин Е.Г. Учет анизотропных свойств сварного соединения при восстановлении изображения
отражателей по эхосигналам, измеренным ультразвуковой антенной решеткой // Дефектоскопия. 2017.
№ 1. С. 11—25.
ращения: 21.11.2020).
16. Угрюмов Е.П. Программируемые логические матрицы, программируемая матричная логика, ба-
зовые матричные кристаллы. Гл. 7. / Цифровая схемотехника. Учеб. пособие для вузов. Изд. 2. БХВ-
Петербург, 2004. С. 357.
17. Базулин Е.Г. Контроль заварок Ду800 антенными решетками методом тройного сканирования //
Дефектоскопия. 2010. № 7. С. 30—41.
18. Горюнов А.А., Сасковец А.В. Обратные задачи рассеяния в акустике. М.: Издательство МГУ,
1989. 152 с.
19. Базулин Е.Г. О возможности использования в ультразвуковом контроле двойного сканирования
для повышения качества изображения рассеивателей // Акуст. Журн. 2001. Т. 47. № 6. С. 741—745.
20. Базулин А.Е., Базулин Е.Г., Коколев С.А. Применение линейной интерполяции для повышения
качества изображений дефектов, получаемых методом проекции в спектральном пространстве, при уль-
тразвуковом неразрушающем контроле // Дефектоскопия. 2009. № 12. С. 3—21.
Дефектоскопия
№ 6
2021
