全矩阵捕获技术：最大限度提升便携式相控阵检测设备功能

全矩阵捕获技术：一种最大限度提升便携式相控阵超声检测设备功能的新技术

便携式相控阵超声检测系统进入市场已经将近20年了，如今随着科学技术的发展，最新一代的相控阵超声检测工具能够提供更好的振幅分辨率、更快的数据采集速率，而且还搭配了先进的数据分析软件包，其优秀的计算和数据分析能力也使无损检测人员能够进行更为复杂的检测，而这些新技术曾经一度都被认为是遥不可及的。

在众多新技术中，今天我们来着重谈谈全矩阵捕获（Full Matrix Capture，FMC）技术。这是一种数据采集策略，对于给定的超声相控阵换能器，FMC能够利用相控阵超声捕获到每个可能的发射-接收信号组合。这种技术可以有效提高检测的可靠性，有效减少重复扫描的次数，要知道的是，多次重复扫描会浪费大量的成本和时间。

工作原理

相控阵超声检测系统一般会使用具有多个元件（通常为16~64个）的探针，这些探针由计算机通过特定的延迟定律以高度受控的方式进行激发，在信号接收之后，将每个元件的贡献相加产生一个A扫描。

相控阵超声检测仪器可以产生聚焦的超声波束，而且还可以使其具有不同的转向角，这能够有效简化和改进对具有复杂几何形状的零部件及不同材料的检测，这类零部件通常都比较难检测，因为不同部位或材料的声学特性各不相同。

需要注意的是，使用相控阵超声检测技术，一个发射脉冲和一个接收信号就可以产生一个A扫描。而对于FMC，探针中的每个阵列元件是依次被用作单个发射器，但所有阵列原件可以同时用作接收器。通过捕获和存储阵列中每个收发组A扫描信号，可以为任何给定的聚焦/光束（光圈、折射/倾斜角度、聚焦位置）生成超声波图像，再应用最新的后处理算法就可以为检测人员呈现出最佳的检测结果。而且，FMC数据集可以多次处理，利用不同的重构参数得到不同的结果。

举一个关于总聚焦法(TFM)的例子，这是一种高级的处理算法，它使用FMC技术收集数据来生成像素帧，其中每个像素都使用专用的聚焦法则进行计算，这导致每个像素都有一个焦点（从理论上讲，每个像素都是完美聚焦的）。通过硬件和软件的正确组合，FMC和TFM联合成为了处理和重建数据进行缺陷表征的强大工具。

数据存储量

为了更好的理解FMC期间获取的数据量，可以参考以下示例：

假设一个探针具有n个元件，那么，它会形成脉冲n次（每个元件一次），这意味着超声脉冲的声学传播时间会发生n次。由于对每个脉冲进行一次基本A扫描都是数字化的，所以在整个发射周期后收集的基本A扫描的总数为n2。

图1

当n值为16，32和64时，数据采集量将以如下规模扩展：

• 16元件探针：探针脉冲16次，收集了256个基本A扫描。
• 32元件探针：探针脉冲32次，收集了1024个基本A扫描。
• 64元件探针：探针脉冲64次，收集了4096个基本A扫描。

收集的扫描数决定了数据存储能力，并影响着稍后重新生成图像的能力。所以，即使您不了解所有的技术细节，这里的解释也应该说明了为什么文件大小对FMC来说是一个挑战。

FMC的典型配置采用了当今的很多先进技术。为了提高孔径大小（aperture size）、波束形成能力和聚焦能力，FMC采用了64单元探针；典型的基本A扫描长度大约是80μs，并且每个扫描都必须具有足够的时间基础。对于通常具有8192个样本的A扫描，其中每个样本2个字节，所以，单个FMC探针位置所需的存储空间为64 MB：4096×8192×2（基本A扫描×样本计数×字节计数），此存储大小适用于沿扫描线的每个探针位置。

FMC所需的存储量（64元件探针最多需要64MB数据存储量）还取决于进一步进行的比例分解。为了获得足够的数据采集速度，仪器数据的吞吐量也必须非常高。例如，要达到30Hz，就需要1.8GB/秒（64MB×30Hz）的数据吞吐量。因此，扫描具有典型分辨率的12英寸管道将为无损检测应用程序生成一个非常大的存储文件：（12英寸×3.1416/0.039英寸扫描分辨率）×64MB=60GB。

巧妙的缩减方式

虽然用于FMC数据采集的硬件和软件需要能够处理大量的A扫描数据，但从管理角度来说，文件大小和数据的积累还是需要尽量的被有效压缩。

考虑FMC发射和接收信号的基础模式，元件组合可以用矩阵表示，行表示触发元件，列表示接收元件。

在图1所示的发射矩阵中，存在具有等效超声路径和特征的一对组合，如A21在路径和信号中等效于A12，而A41在路径和信号中等效于A14。

半矩阵捕获（HMC）是一种旨在分解这些相同路径的技术。通过应用HMC，所需的A扫描数量就会从n2下降到n(n+1)/2。对于每个等效对，只需保留一个元素组合即可，这将减少近一半的数据量，如图2所示。

图2

FMC数据的处理和再利用

由于每秒会产生大量的数据，目前通常有两种方法来处理FMC数据：

1.使用和丢弃：一些仪器使用FMC数据作为仪器内的单个探头定位，并使用专用高速硬件进行处理。FMC数据被处理并发送到软件以供查看，然后丢弃设备内的数据，以保留可用的空间和速度。

2.传输、保留和再利用：还有一些仪器支持存储FMC数据。但是将数据从仪器传输到计算机上需要高效的数据传输器。FMC数据非常消耗硬盘空间，不过存储了原始A扫描信号，就意味着您可以随时使用不同的重建参数集对其再次进行分析。

FMC技术仍然在不断发展，随着软件和硬件系统的不断进步，未来的FMC技术将能够提供更高的数据传输速率，处理更大的数据文件，并产生更高的信号质量。总之，这是一种非常先进的技术，是相关人员应该详细了解的一门技术。

作者：Daniel Richard
译者：Vince
译自：qualitymag