Визуализация фазовой когерентности (Phase Coherence Imaging, PCI) — это метод ультразвукового контроля, предложенный в 2009 году для улучшения разрешения и контрастности изображений. Он основан на оценке когерентности (согласованности) фазы между сигналами, регистрируемыми всеми элементами фазированной решётки. Интенсивность изображения PCI зависит от характера отражателя: всенаправленные источники (поры, шлак, дифракция на вершинах трещин) дают высокий сигнал, так как многие пары излучатель-приёмник видят их примерно с одинаковой фазой. Зеркальные отражатели (передняя и задняя стенки, расслоения, несплавления) производят низкое значение PCI. Это облегчает обнаружение объёмных дефектов и идентификацию дифрагированных сигналов для точного определения размеров.
В данной статье мы подробно рассмотрим принципы работы PCI, сравним её с традиционными методами (TFM), покажем результаты на реальных образцах и обсудим преимущества и ограничения технологии. Особое внимание уделим реализации PCI в оборудовании Eddyfi Technologies: Cypher®, Mantis™, Gekko® и Topaz®.
Что такое визуализация фазовой когерентности (PCI)?
PCI — это метод обработки данных, полученных методом полного матричного захвата (FMC). В отличие от метода полной фокусировки (TFM), который суммирует амплитуды сигналов, PCI суммирует фазы (или знаки) сигналов. Для этого каждый А-скан заменяется его знаковой функцией (+1 или -1). Затем, аналогично TFM, для каждого пикселя изображения вычисляется сумма вкладов от всех пар излучатель-приёмник с учётом времени пролёта. Результирующее значение пикселя показывает степень фазовой когерентности: высокое значение (близкое к количеству пар) означает, что большинство сигналов пришли в фазе, низкое — разброс фаз.
Ключевая идея
PCI чувствителен к типу отражателя: объёмные дефекты и дифракционные сигналы (вершины трещин) дают высокий отклик, а зеркальные отражения от геометрических элементов (стенки, расслоения) подавляются. Это делает PCI мощным инструментом для обнаружения мелких дефектов вблизи задней стенки и для определения высоты трещин по дифракции на вершине.
Рисунок 1: Сравнение изображений TFM (слева) и PCI (справа) для трёх боковых отверстий (SDH). PCI подавляет эхо передней и задней стенок.
Решение: PCI с использованием оборудования Eddyfi Technologies
Компания Eddyfi Technologies внедрила технологию PCI в свои передовые дефектоскопы на фазированных решётках: Cypher®, Mantis™, Gekko® и Topaz®. Это позволяет выполнять контроль в многогрупповых конфигурациях, одновременно получая изображения TFM и PCI, а также комбинировать PCI с методом визуализации плоскими волнами (PWI) для значительного увеличения скорости сканирования.
- Одновременное получение TFM и PCI: позволяет сопоставлять амплитудную и фазовую информацию для более надёжной интерпретации.
- Комбинация с PWI: использование плоских волн вместо полного FMC сокращает время сбора данных в несколько раз при сохранении приемлемого отношения сигнал/шум.
- Автоматическое распознавание датчиков: программное обеспечение Capture и UltraVision автоматически настраивает параметры для PCI.
- Поддержка многогрупповых конфигураций: возможность контроля с обеих сторон сварного шва с различными углами ввода.
Почему именно PCI?
Благодаря подавлению геометрических эхо-сигналов, PCI позволяет обнаруживать дефекты, которые могут быть замаскированы задней стенкой в традиционных методах. Это особенно актуально при контроле на наличие высокотемпературной водородной атаки (HTHA), коррозионного растрескивания под напряжением (SCC) и других мелких дефектов.
Рисунок 2: Универсальный дефектоскоп Cypher® поддерживает PCI, PWI, TFM и другие передовые методы.
Технические характеристики Cypher® (поддержка PCI и других методов)
Основные возможности
Аппаратная часть
Программное обеспечение
Интеграция и управление
Как рассчитать изображение PCI?
Изображение PCI получается из набора данных FMC (полная матрица захвата). Сначала все А-сканы преобразуются в знаковые функции (1 или -1), что эквивалентно извлечению фазы. Затем, для каждого пикселя感兴趣 области, вычисляется теоретическое время пролёта от каждого излучателя до пикселя и обратно к каждому приёмнику. Значение пикселя равно сумме знаков сигналов в соответствующие моменты времени. Математически это можно записать как:
Где sign(sij(tij(P))) — знак сигнала от i-го излучателя к j-му приёмнику в момент времени, соответствующий пикселю P. Суммирование ведётся по всем парам.
Высокие значения PCI получаются, когда большинство пар излучатель-приёмник дают одинаковую фазу. Это характерно для всенаправленных отражателей, таких как поры, шлак, дифракция на вершинах трещин. Низкие значения соответствуют зеркальным отражателям (задняя стенка, несплавления под оптимальным углом), где только симметричные пути дают вклад.
Шум в изображении PCI подчиняется биномиальному распределению. Для полного FMC (64 элемента, 4096 пар) уровень шума редко превышает 6%, для разреженного FMC (1024 пары) — 11%. Это позволяет операторам устанавливать пороги отображения.
Рисунок 3: Распределение уровня шума в изображении PCI для полного FMC (4096 сигналов) и разреженного FMC (1024 сигнала).
Результаты, полученные для нормального падения
На образце толщиной 25 мм с вырезом вдоль задней стенки (имитация трещины) были получены изображения TFM и PCI. На TFM видны артефакты (изохроны) из-за отражений от задней стенки. PCI полностью подавляет эти артефакты и чётко показывает вершину выреза, что позволяет точно определить его размер.
Рисунок 4: Слева — TFM с изохронами, справа — PCI, подавляющий артефакты и показывающий вершину выреза.
PCI позволяет обнаруживать дефекты в непосредственной близости от задней стенки, которые на TFM могут маскироваться её эхом. На рисунке ниже TFM показывает три отверстия, но два из них сливаются с задней стенкой; PCI чётко их разделяет.
Рисунок 5: TFM (слева) и PCI (справа). PCI лучше разделяет отверстия, близкие к задней стенке.
HTHA — серьёзное повреждение, проявляющееся в виде микротрещин. На образце с микротрещинами размером менее 100 мкм TFM (слева) показывает артефакты, маскирующие дефекты. PCI (справа) удаляет артефакты и отчётливо показывает скопление микротрещин вдоль задней стенки.
Рисунок 6: Сверху — FMC+TFM (слева) и FMC+PCI (справа). Снизу — PWI+PCI с 16 углами. PCI с PWI даёт тот же результат в 4 раза быстрее.
Использование PWI (16 углов) совместно с PCI позволяет увеличить скорость сканирования в 4 раза без потери чувствительности к микротрещинам HTHA, так как плоские волны посылают больше энергии в образец, компенсируя уменьшение числа источников.
Результаты, полученные для наклонного падения (контроль сварных швов)
Исследовалась труба из углеродистой стали с различными дефектами: пористость, трещина корня и валика, несплавление (LOF), трещина в боковой стенке. Контроль выполнялся с двух сторон сварного шва с помощью сканера LYNCS™ и двух датчиков 64L5-G3 с призмой SW55. Сравнивались TFM и PCI для полного FMC, разреженного FMC и PWI.
Ниже приведены изображения PCI для различных дефектов (динамический диапазон установлен от 6% до 30% для лучшей визуализации).
Рисунок 7: Пористость (SNR 19 дБ).
Рисунок 8: Трещина корня (слева) и трещина валика (справа) с дифракцией на вершинах.
Рисунок 9: Несплавление (слева) и трещина в боковой стенке (справа). Видны дифракционные эхо-сигналы.
Использование PWI с восемью углами вместо полного FMC снижает SNR с 22 дБ до 12 дБ, но этого достаточно для обнаружения дифракции от вершины. Оператор должен подбирать количество углов на калибровочном образце.
Рисунок 10: LOF, полученный с полным FMC (слева) и PWI (справа). SNR падает, но дифракция видна.
Важное предупреждение
Не все дефекты типа несплавления дают дифракционные эхо-сигналы в PCI. Если LOF гладкий и ориентирован перпендикулярно лучу, он может вести себя как зеркальный отражатель, и тогда определение размера по дифракции становится невозможным. В таких случаях требуется изменение положения сканера или использование других методов (например, TFM с падением амплитуды).
Рисунок 11: Пример LOF, который не даёт дифракции в PCI (справа), хотя TFM показывает зеркальное отражение.
Плюсы и минусы визуализации фазовой когерентности
- Улучшенное определение размеров: дифракционные эхо-сигналы от вершин трещин и несплавлений часто лучше видны, чем в TFM.
- Лучшая визуализация объёмных дефектов: поры и шлак выделяются без увеличения усиления.
- Меньшая чувствительность к ориентации вдоль пассивной плоскости.
- Подавление артефактов от геометрии: позволяет обнаруживать мелкие дефекты вблизи задней стенки (например, HTHA).
- Не требует амплитудной калибровки для измерения размеров по дифракции.
- Зависимость SNR от количества источников: для стабильной работы рекомендуется полный FMC, что снижает скорость. PWI помогает, но требует подбора углов.
- Не все гладкие дефекты дают дифракцию: в некоторых случаях LOF не отображает вершины, и определение размера невозможно.
- Не подходит для картографирования коррозии и контроля композитов: подавление передней и задней стенок делает невозможным измерение толщины.
- Плохая чувствительность вблизи передней поверхности: дефекты в мёртвой зоне могут быть не видны.
Сравнение методов: PCI, TFM, PWI, традиционная PAUT
| Метод | Что суммирует | Чувствительность к объёмным дефектам | Чувствительность к плоскостным дефектам | Подавление геометрии | Скорость |
|---|---|---|---|---|---|
| PCI | Фазу (знак) | Высокая | Дифракция вершин видна хорошо, зеркальное отражение подавляется | Сильное | Зависит от числа источников (FMC медленно, PWI быстро) |
| TFM | Амплитуду | Хорошая | Зеркальное отражение видно, дифракция слабее | Нет | Зависит от числа виртуальных источников |
| PWI | Амплитуду (после компаундирования) | Хорошая | Умеренная | Нет | Очень высокая |
| PAUT (секториальное) | Амплитуду (последовательные лучи) | Хорошая | Зависит от угла | Нет | Средняя |
Выбор метода зависит от конкретной задачи. PCI рекомендуется для поиска мелких объёмных дефектов и точного определения высоты трещин по дифракции, особенно вблизи задней стенки. TFM даёт привычную амплитудную картину. PWI позволяет быстро получать TFM-подобные изображения.
Практическое внедрение и доступность
Технология PCI будет доступна на приборах Cypher®, Mantis™, Gekko® и Topaz® от Eddyfi Technologies. Пользователи смогут использовать многогрупповые конфигурации для одновременного получения TFM и PCI, а также комбинировать с PWI для ускорения сбора данных. Это позволит решать широкий круг задач — от контроля сварных швов до обнаружения HTHA.
Для успешного применения PCI рекомендуется:
- Проводить валидацию на калибровочных образцах с искусственными дефектами.
- При использовании PWI подбирать количество углов, обеспечивающее достаточное SNR.
- Интерпретировать PCI и TFM совместно для получения полной картины.
- Учитывать, что некоторые гладкие дефекты могут не давать дифракции.
Освойте передовые методы УЗК вместе с академией Eddyfi Academy. Узнайте больше о возможностях PCI на вебинарах и курсах.
Итоговые преимущества PCI + оборудование Eddyfi
- Высокая чувствительность к мелким объёмным дефектам и вершинам трещин
- Подавление мешающих геометрических эхо-сигналов
- Возможность работы в многогрупповом режиме с PWI для высокой скорости
- Интуитивное программное обеспечение с автоматической настройкой
- Надёжная альтернатива радиографии для многих задач
Видео: Применение PCI для контроля сварных швов с использованием оборудования Eddyfi Technologies.
Использованная литература
- Camacho, M. Parrilla, C. Fritsch, “Phase Coherence Imaging”, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 56, 5, pp. 958-974, 2009.
- Camacho, D. Atehortua, J.F. Cruza, J. Brizuela, K. Ealo, “Ultrasonic crack evaluation by phase coherence processing and TFM and its application to online monitoring in fatigue tests”, NDT & E International, Volume 93, pp. 164-174, 2018.
- Lesage, M. Marvasti, O. Farla, “Phase coherence total focusing method for enhancement of small omni-directional scatterers and suppression of geometric reflectors: Application to near-surface crack sizing and detection of high temperature hydrogen attack”, NDT & E International, Volume 123, 2021.
- Dupont-Marillia, J., W. Krynicki, P. Belanger, “Early detection of high temperature hydrogen attack using the ultrasonic full matrix capture and advanced post-processing methods”, NDT&E International 130, 2022.
