Визуализация фазовой когерентности, или PCI, представляет собой метод, предложенный в 2009 году для улучшения разрешения и контрастности изображений ультразвукового контроля.
Визуализация фазовой когерентности, или PCI, представляет собой метод, предложенный в 2009 году для улучшения разрешения и контрастности изображений ультразвукового контроля. Он основан на оценке когерентности между сигналами, регистрируемыми всеми элементами ультразвукового контрольно-измерительного преобразователя с фазированной решеткой. Интенсивность изображения PCI зависит от характера показаний. Всенаправленные источники, такие как пористость, дифракция на наконечнике и шлак, как правило, демонстрируют высокую интенсивность, поскольку многие пары излучатель-приемник в режиме полного матричного захвата (FMC) видят их примерно с одинаковой фазой. Рефлекторы, фаза которых имеет сильную зависимость от направления, например, передняя поверхность, задняя стенка, расслоения, отсутствие слияния (LOF) и т. д., производят PCI с низким значением. PCI облегчает обнаружение объемных дефектов (пористость и шлак) и идентификацию дифрагированных сигналов вершины трещины для лучшего определения размера.
Как рассчитать изображение PCI
Здесь мы объясним, как сначала рассчитать изображение методом полной фокусировки (TFM). FMC/TFM — это метод контроля, состоящий из двух этапов. Первый — это процесс сбора данных, называемый FMC, а второй — реконструкция данных: TFM. Весь процесс обычно выполняется в режиме реального времени на большинстве аппаратных средств, поэтому два шага прозрачны для пользователей.
FMC представляет собой матрицу, состоящую из комбинации N переданных сигналов и N принятых сигналов, причем каждая ячейка матрицы содержит сигнал временной области A-сканирования. Его получают, запуская N элементов датчика ультразвукового контроля с фазированной решеткой (PAUT) один за другим и каждый раз записывая на все приемники.
Алгоритм TFM состоит из когерентного суммирования амплитуд сигналов набора данных FMC для фокусировки на каждом пикселе интересующей области (ROI). Математически это можно выразить так:
где t ij (P) обозначает теоретическое время пролета, соответствующее времени распространения между излучателем E i и приемником R j через один из пикселей P.
На следующем рисунке показан процесс для одного пикселя и одного сигнала FMC.
- Процесс TFM вычисляет время прохождения t ij для перехода от излучателя E i к пикселю P и обратно к приему R j . Амплитуда A ij , соответствующая этому времени прохождения, затем извлекается для этого конкретного сигнала.
- Затем процесс повторяется для всех сигналов матрицы FMC.
- Все эти амплитуды суммируются, и результатом является амплитуда для этого пикселя в изображении TFM.
- Затем весь процесс повторяется для всех пикселей, чтобы получить изображение TFM.
Чтобы рассчитать изображение PCI, нам нужно преобразовать сигналы A-скана FMC в фазово-временной сигнал. Фазу можно получить, разделив сигналы на модуль их преобразования Гильберта (аналитический сигнал). Альтернативой является извлечение знака сигналов FMC. Он дает результаты, аналогичные вычислению истинной фазы, и имеет более простую аппаратную реализацию. Каждый сигнал матрицы FMC заменяется его функцией знака, поэтому каждая точка данных равна либо 1, либо -1.
Затем процесс вычисления образа PCI аналогичен процессу TFM. Мы вычисляем время прохождения t ij для перехода от излучателя E i к пикселю P и обратно для получения R j . Фаза ij , соответствующая этому времени прохождения, затем извлекается для этого конкретного сигнала. Затем процесс повторяется для всех сигналов (преобразованных в их знаковую версию) матрицы FMC. Все эти фазы суммируются, и результатом является фаза для этого пикселя в изображении PCI. Затем весь процесс повторяется для всех пикселей для получения изображения PCI.
Интенсивность PCI
Если мы сравним изображение PCI, полученное на макете, содержащем три боковых отверстия (SDH), с изображением TFM, мы увидим, что:
- PCI в значительной степени устраняет эхо-сигналы передней поверхности и задней стенки,
- Значение PCI для трех SDH идентично,
- Уровень шума в изображении PCI выше.
Почему мы получаем высокие значения для SDH и низкие значения для эхо-сигналов геометрии? Сначала давайте посмотрим на пиксель, расположенный в максимуме первой SDH. На изображении слева мы отображаем первый столбец матрицы FMC, т. е. 64 полученных сигнала после срабатывания первого элемента. Кроме того, мы накладываем время прохождения (красные крестики) для перехода от одного излучателя к SDH и обратно ко всем приемникам. Мы видим, что красные кресты идеально накладываются друг на друга для одной и той же фазы на всех приемниках, что означает, что все сигналы находятся в фазе. Суммируя все эти вклады, мы получаем высокое значение PCI.
С тем же соображением для пикселя, расположенного в середине задней стенки, мы отображаем B-скан, полученный после срабатывания первого элемента, и времена пролета от первого излучателя до середины задней стенки обратно ко всем приемникам ( красные кресты). Глядя на красные кресты, мы видим, что они наложены с одинаковой фазой только для последних приемников (обозначены красным прямоугольником).
При работе с эхо-сигналами геометрии, такими как передняя поверхность и задняя стенка, в образ PCI в основном вносят вклад симметричные пути. Все остальные пути приводят к некогерентной сумме, чем и объясняются низкие значения изображения PCI вдоль задней стенки и эха передней поверхности. Это может быть то же самое для других зеркальных отражателей, таких как расслоение или несплавление, в зависимости от их положения по отношению к преобразователю.
При работе с амплитудными сигналами отношение сигнал-шум (SNR) может быть относительно высоким в зависимости от характера показаний (задняя стенка, LOF и т. д.). Чем больше энергии мы посылаем в деталь, например, увеличивая напряжение аналогового усиления, тем лучше SNR для изображения TFM. Для фазовых сигналов шум варьируется от -1 до 1, как и фаза индикации, даже если в часть передается больше энергии. Если мы рассмотрим гауссов шум с нулевым средним, то чем больше пар излучатель-приемник, тем выше ОСШ. Таким образом, рекомендуется использовать больше источников (например, полный FMC по сравнению с разреженным FMC).
Теоретически можно оценить SNR изображения PCI, поскольку шум представляет собой сумму -1 и 1. Его можно описать биномиальным распределением с равной вероятностью 1 и -1.
Глядя на изображение PCI с разрешением 500 кпикселей, мы можем посмотреть на распределение уровней шума для всего изображения PCI для полного FMC (4096 сигналов) и разреженного FMC (1024 сигнала), используя биномиальное распределение. Практически нет шума выше 6% для FMC и 11% для разреженного с 16 выбросами. Это не означает, что шум выше этого невозможен, но это очень маловероятно. Эти значения могут использоваться операторами для установки нижнего порога своего динамического диапазона.
Результаты, полученные для обычного контроля инцидентности
В нашем первом примере мы рассматриваем образец толщиной 25 миллиметров с вырезом вдоль задней стенки. Мы используем датчик 64L5-G3 с 20-миллиметровым (0,787-дюймовым) призмой L0. Мы одновременно рассчитываем изображения TFM и PCI, показанные ниже. Мы можем видеть некоторые артефакты на изображении TFM, называемые изохронами. Когда мы вычисляем время прохождения для перехода к пикселям, покрытым этими артефактами, часть TOF в матрице FMC соответствует вкладу задней стенки; поэтому, когда мы суммируем эти вклады, мы получаем некоторый сигнал. Наличие этих артефактов зависит от толщины детали и шага. Глядя на изображение PCI, мы видим, что эти артефакты исчезли, так как они связаны с задней стенкой, а PCI имеет тенденцию удалять эхо геометрии. Мы можем очень четко видеть кончик выемки, что позволяет точно определить и определить размер.
PCI очень эффективен при обнаружении дефектов вблизи задней стенки. Мы можем видеть на следующем рисунке слева три SDH рядом с задней стенкой для TFM и PCI. PCI обнаруживает их при снятии бэкволла, что позволило бы обнаруживать гораздо ближе к нему. Это не обязательно лучше, чем TFM, когда речь идет о дефектах, близких к передней поверхности, несмотря на удаление эхосигнала от передней поверхности. Если мы посмотрим на изображение справа, мы можем различить две SDH на изображении TFM, другая находится в мертвой зоне. Для PCI мы видим самую глубокую SDH и выделяем среднюю. Это связано с тем, что многие пары излучатель-приемник вдали от дефекта не дают вклада по фазе.
Прекрасным приложением для PCI является Контроль сталей, работающих при повышенных температурах в водородных средахHTHA). HTHA-повреждение обычно отображает небольшие трещины, которые посылают энергию во всех направлениях. Eddyfi Technologies разработала 64-элементный датчик с частотой 10 МГц, который фокусируется вдоль пассивной плоскости для повышения чувствительности, поскольку трещины малы в обоих направлениях. Образец, который мы рассмотрели, имеет микротрещины размером от нескольких микрон до менее 100 микрон. На следующем изображении показан TFM с C-сканом слева и PCI справа. На изображении TFM видны те же артефакты, которые мы видели ранее, препятствующие обнаружению очень крошечных микротрещин. Изображение PCI удаляет артефакты и показывает крошечные отклики вдоль задней стенки, соответствующие повреждению HTHA. Глядя на С-скан, мы можем ясно видеть облако HTHA, которое не видно на изображении TFM.
FMC
PWI
Одним из недостатков PCI является необходимость использования полного FMC для получения хорошего SNR. Обычно это сказывается на производительности. EddyFI внедрили Plane Wave Imaging (PWI) в прошлом для повышения скорости сканирования для контроля TFM. Мы применили PWI в сочетании с PCI с использованием 16 углов в диапазоне от -20 до 20° к тому же образцу HTHA и получили те же результаты, несмотря на то, что использовали в четыре раза меньше источников. Теоретически уровень шума должен был увеличиться вдвое. Здесь происходит то, что некоторым из А-сканов FMC не хватало энергии, поскольку дефекты действительно крошечные, а их SNR было равно нулю. Невозможно извлечь фазу при отсутствии сигнала. PWI позволил направить больше энергии в деталь и получить достаточно энергии для выделения фазы, компенсирующей повышенный шум из-за того, что мы использовали только 16 источников. Это позволяет увеличить скорость сканирования почти в четыре раза.
Мы также рассмотрели картографирование коррозии и комбинированный контроль, оба из которых обычно выполняются при обычном контроле. Мы сравниваем его с TFM, используя тот же датчик, описанный ранее. Для коррозии TFM показывает эхосигнал передней поверхности и заднюю стенку, что позволяет измерить оставшуюся толщину стенки. Поскольку PCI удаляет отражения от передней поверхности и задней стенки и плохо обнаруживается вблизи передней поверхности, это не лучший метод для картографирования коррозии. Мы можем немного различить заднюю стенку с помощью PCI, но в основном он показывает области, где есть изменения наклона в виде дифракционных эхо-сигналов. Лицевая поверхность полностью исчезла.
Это аналогично комбинированному контролю, при котором эхосигналы от передней поверхности и задней стенки полностью исчезают, а также плоскодонное отверстие (FBH). При контроле композитных материалов ультразвуку трудно распространяться под углом, поскольку слои направляют энергию либо перпендикулярно, либо вдоль слоев. Для PCI в основном вклад вносят симметричные пути, т. е. те, которые имеют наибольший угол. Это объясняет, почему бэкволл и FBH полностью исчезли.
Картографирование коррозии - слева, Composite inspection - справа
Результаты, полученные при контроле наклонным лучом
Мы рассмотрели применение PCI для контроля сварных швов . Мы проконтролировали трубу из углеродистой стали, содержащую семь дефектов. Сканер представляет собой LYNCS™ в конфигурации для контроля сварных швов. Мы использовали два датчика 64L5-G3 с призмой SW55.
Мы провели несколько проверок в многогрупповой конфигурации, сравнивая TFM с PCI с использованием полного FMC, разреженного FMC и PWI.
На следующих рисунках мы отображаем различные дефекты, полученные с помощью PCI, с каждой стороны преобразователя (здесь нет TFM) для всех дефектов. Динамический диапазон регулируется между 6%, что является теоретическим значением шума при использовании полного FMC, и 30%, чтобы улучшить визуализацию более слабых значений PCI.
Объемные дефекты, такие как пористость, легко обнаруживаются при SNR 19 дБ. Трещина корня обнаруживается с обеих сторон и приводит к дифракции кончика для характеристики. При сравнении с обеих сторон появляются некоторые расхождения в размерах. Это может быть вызвано отражением от корня сварного шва. Точно так же мы можем видеть, что несплавление и трещина в боковой стенке приводят к дифракционным эхо-сигналам с обеих сторон. Размер снова показывает некоторые расхождения, если смотреть с обеих сторон. Это говорит о том, что контроль с обеих сторон является обязательной для точного определения размеров.
При выполнении контроля с PCI с несколькими группами и полным FMC основная проблема заключается в скорости сканирования. Мы оценили возможность использования PWI с PCI для контроля этого сварного шва, используя всего восемь углов, что обеспечивает улучшение скорости сканирования в восемь раз
Ниже показан LOF, полученный с полным FMC (слева) и PWI (справа). SNR падает с 22 дБ для FMC до 12 дБ для PWI. Хотя этого по-прежнему достаточно для обнаружения дифракционных эхо-сигналов от зонда и определения размера в данном случае, это может быть не всегда так. Операторы должны оценить необходимое количество углов для получения достаточного SNR на калибровочном образце, содержащем искусственные дефекты.
Важно
Мы рассмотрели другой образец, содержащий LOF, и провели контроль с использованием TFM и PCI. Изображение TFM показывает зеркальное отражение, и его размер можно определить с разницей в децибелах. Мы ожидали, что PCI покажет две дифракции кончика, но он показывает только одно эхо. Поскольку это метод визуализации, не основанный на амплитуде, нельзя использовать перепад децибел, и размер дефекта не может быть определен. Этот эффект может возникнуть, если LOF является относительно гладким, а датчик расположен таким образом, что угол, падающий на скос перпендикулярно (например, здесь 60 °), попадает на дефект в середине. Для этого положения LOF действует как геометрическое эхо с симметричными путями, вносящими вклад в середину дефекта.
Другим наблюдаемым несоответствием является разница в размерах при выполнении на первой и второй ножках. Например, на следующем изображении мы измеряем LOF, используя эхо-сигналы дифракции кончика на первой (правой) и второй (левой) ножках, позиционируя курсоры вдоль дифракции кончика. Мы измеряем высоту дефекта 5 и 3,9 миллиметра (0,197 и 0,154 дюйма) соответственно. Разница может быть связана с тем, что задняя стенка не идеально параллельна передней поверхности, эффектами УЗ-лучей и т. д. Для определения причины этого несоответствия требуются дополнительные исследования.
Плюсы и минусы фазово-когерентной визуализации
Плюсы методики:
- PCI — это дополнительный метод, который обеспечивает лучшие возможности для определения размеров несплавления и трещин вдоль поверхности сплавления, поскольку лучше разрешаются эхосигналы дифракции от наконечника.
- Визуализация фазовой когерентности обеспечивает лучшую визуализацию пористости без увеличения коэффициента усиления.
- PCI менее чувствителен к ориентации вдоль пассивной плоскости.
- Поскольку визуализация фазовой когерентности удаляет артефакты, возникающие из-за геометрии, она лучше подходит для обнаружения небольших дефектов вблизи задней стенки при выполнении контроля с L0, такой как HTHA.
- Как метод определения размера, PCI не требует калибровки, так как он основан на измерении дифракции кончика.
Минусы :
- Поскольку SNR зависит от количества пар излучатель-приемник, рекомендуется использовать полный FMC; это приводит к падению скорости сканирования, особенно при контроле с обеих сторон сварного шва. Можно использовать PWI, но количество углов необходимо отрегулировать, чтобы получить приличное отношение сигнал/шум.
- Некоторые гладкие дефекты, такие как LOF, могут не отображать дифракцию от кончика, и, следовательно, определение размера для этих случаев невозможно, и тогда может потребоваться изменить смещение индекса, пока не появится дифракция от кончика.
- Поскольку он устраняет эхо-сигналы геометрии, PCI не подходит для картографирования коррозии или проверки композитов.
- Дефекты, близкие к лицевой поверхности, обнаруживаются не очень хорошо.
Eddyfi Technologies предложит технологию PCI для линеек продуктов Mantis ™ , Gekko® и Topaz® . Можно будет использовать многогрупповые конфигурации для одновременного выполнения TFM и PCI и комбинировать их с PWI для более быстрого сбора данных. Это позволит пользователям решать все виды приложений и оценивать технологию для своих собственных приложений.
Использованная литература:
- Камачо, М. Паррилья, К. Фрич, «Изображение фазовой когерентности», IEEE Trans. Ультрасон. Ферроэлектр. Частота Контроль, 56, 5, стр. 958-974, 2009 г.
- Камачо, Д. Атехортуа, Дж. Ф. Круза, Дж. Бризуэла, К. Иало, «Ультразвуковая оценка трещин с помощью обработки фазовой когерентности и TFM и ее применение для онлайн-мониторинга при испытаниях на усталость», NDT & E International, том 93, страницы 164-174 , 2018
- Лесаж, М. Марвасти и О. Фарла, «Метод полной фокусировки с фазовой когерентностью для усиления малых всенаправленных рассеивателей и подавления геометрических отражателей: применение для определения размера приповерхностных трещин и обнаружения высокотемпературного водородного воздействия», NDT & E International , Том 123, 2021 г.
- Дюпон-Мариллия, Дж.; В. Крыницки, П. Беланже, «Раннее обнаружение высокотемпературной водородной атаки с использованием полноматричного ультразвукового захвата и передовых методов постобработки», NDT&E International 130 (2022)
