Page 257 - 《应用声学》2025年第3期

第 44 卷 第 3 期 汪翔等： 奥氏体不锈钢焊缝的优化相位相干加权因子全聚焦成像实验分析 791

其中：c 为超声波在介质中的传播速度；x i 为发射阵 σ 2 [16,24] ，用于调整信号的幅度特性，强调信号的有
元中心的横坐标；x j 为接收阵元的中心坐标。 用部分，抑制噪声和干扰。加入可变指数后的相位

1.2 增益处理 相干加权因子计算公式如下：
( )
√ σ 2
增益系数M 计算如下 [22] ： CCF = 1 − var (cos φ) + var (sin φ) . (9)
M = (I MATFM (x, z)/I ATFM (x, z)) σ 1 , (3) CCF 在计算过程中会产生一些幅度损失 [16] ，
这和相位大小无关。当0 6 σ 2 < 1 时，CCF 的影响
其中：I MATFM (x, z) 为幅值 I TFM (x, z) 的绝对值的
减弱，直到 σ 2 为0，CCF的影响完全消失；当σ 2 > 1
平均值，I ATFM (x, z) 为幅值 I TFM (x, z) 的绝对值，
时，情况则完全相反。本文 σ 2 取值为 1.7 较为合适。
σ 1 为增益指数，它是一个控制权重因子灵敏度的可
此时相位低的信号将被抑制，而高相位的信号将
变参数。通过对幅值 I TFM (x, z) 进行增益控制，增
被保留，但是图像中存在的非线性效应的模糊区域
大信号的强度并对幅值 I TFM (x, z) 进行加权处理，
依旧影响缺陷识别。通过在计算相位相干加权因
使结构噪声和近场盲区的幅值较为相近，为后续降
子时引入一定的非线性特性，在加权过程中将幅值
噪提供有利条件。加权表达式为
I TFMZ (x, z) 的特性保持一致，就能够在图像中的模
I TFMZ (x, z) = I TFM (x, z) ∗ M. (4)
糊区域进行有效的成像。var (cos φ)和var (sin φ)是
1.3 PCI方法 cos φ和sin φ的方差，将方差公式进行修改，对cos φ
PCI 是一种用于超声成像的信号处理技术，旨 和 sin φ 进行 a 次幂运算改变其敏感度，var (cos φ)
在提高图像质量和分辨率。它基于超声波的相位 和var (sin φ)改进的计算公式如下：
信息，通过对多个接收信号进行相位校正和叠加， N N
1 ∑ ∑ a
实现对目标区域的高分辨率成像。PCI算法中的圆 var (cos φ) = N 2 (cos φ)
相位相干因子 (Circular coherence factor, CCF) 是 i=1 j=1
( N N ) 2
利用欧拉公式提取超声信号的相位信息并对幅值 1 ∑ ∑
− 2 (cos φ) , (10)
I TFM (x, z) 进行加权处理 [23] ，TFM 算法处理后缺 N i=1 j=1
陷处信号相位分布较一致，而近场盲区呈非线性效 1 ∑ ∑ a
N
N
var (sin φ) = (sin φ)
应，相位信息未得到有效利用，利用相位相干因子对 N 2
i=1 j=1
幅值 I TFM (x, z) 进行加权处理，通过抑制相位低的 ( N N ) 2
1 ∑ ∑
信号可以有效抑制结构噪声并提升信噪比，加权表 − (sin φ) , (11)
N 2
达式为 i=1 j=1
其中：指数 a 是控制 cos φ 和 sin φ 的可变指数，本文
I PCI-TFM (x, z) = CCF ∗ I TFMZ (x, z). (5)
a取值为0.8。
CCF表达式为 优化相位相干加权因子的全聚焦成像算法的
√
CCF = 1 − var (cos φ) + var (sin φ). (6) 加权表达式为
var (cos φ)和var (sin φ)的计算公式如下： I OPCF-TFM (x, z) = CCF ∗ I TFMZ (x, z). (12)
var (cos φ) =
2 实验设备与实验对象
N N ( N N ) 2
1 ∑∑ 2 1 ∑ ∑
(cos φ) − (cos φ) , (7)
N 2 N 2 2.1 实验设备
i=1j=1 i=1 j=1
本文使用超声相控阵成像探伤仪和全聚焦超
var (sin φ) =
声成像系统对奥氏体不锈钢试块进行检测分析，如
N N ( N N ) 2
1 ∑∑ 2 1 ∑ ∑ 图 1 所示。本次全聚焦超声成像系统设备检测参
(sin φ) − (sin φ) , (8)
N 2 N 2
i=1j=1 i=1 j=1 数设置为纵波检测，采样频率为 62.5 MHz，纵波
其中：φ为信号相角，N 为阵元个数。 声速为 5900 m/s，增益为 45 dB。使用中心频率为
但是，仅靠相位相干因子无法完全消除非线 2.25 MHz、64 阵元的相控阵探头。超声相控阵成像
性效应，如近场的盲区会影响成像效果。为了进一 探伤仪使用相同中心频率、相同探头数目的超声换
步抑制其他不需要的噪声，本文引入了可变指数 能器。