超声扫描检测的离线分析方法

连军莉

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

超声扫描检测的离线分析方法

连军莉

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

介绍了一种超声扫描检测的离线分析方法。首先，扫描器件，构建清晰图像；确认后，存储参数及原始数据；需要分析时，上载数据文件，读取参数和波形数据，可以重现各点波形，进行模拟扫描，构建内部图像。这种方法在被测器件拿走的情况下，仍然可以准确地分析器件的内部特征，方便快捷。

超声扫描；保存数据；离线分析

超声扫描检测系统广泛应用于无损检测领域，适用于检测物体表面、内部区域，可以产生高分辨率的特征图像。由于传递超声能量要求介质是连续的，所以如气孔、杂质、分层、裂纹等不连续界面都会干扰超声信号传播，致使超声信号发生反射，据此成像来判断此器件是否有缺陷。

一般情况下，超声扫描检测系统在扫描过程中需要移动探头，在被测工件上方往复运动，实时采集波形数据，并对其分析成像。一旦拿走工件，检测不能进行，这样就有了很大的制约性。

为了克服现有扫描模式的不足，本文提供了一种离线分析扫描方法。在探头不动、没有工件的情况下，也可以对虚拟工件进行重复离线模拟扫描，也可在任何时间、任何计算机上对数据进行分析。有了这个功能，仅进行一次扫描，可在短时间内存储器件的所有信息，在工件不再的情况下，分析存储上载数据，可以构建清晰图像。不仅能显示各点的波形，也可以进行多种扫描。在没有充分的时间对工件进行全面分析的情况下，这种方法就显得尤为重要。

1 超声扫描检测介绍

超声扫描检测系统的工作原理：超声波通过一个耦合介质传导到样品，通常是水或一种惰性液体。探头交替扮演着发射器和接收器，电开关在传送和接收模式之间转换。一个非常短的声音脉冲进入样品，并返回样品表面、在特定阻抗分层和样品内部的其他特征处产生的声音反射。如图1所示。

A波形或者“A扫描”是一个时间函数，以非常简单的形式显示出反射声波的振幅。A波形实际上包含了样品内部非常多的关于声学阻抗或特征的信息。如图1所示，右上角的波形中包含了表面、芯片表面和芯片底部的反射信号。

图1 超声扫描检测工作原理示意图

在C扫描中，在某一深度的断面设置门限，其中的峰值探测器会检测到门限内的幅值峰值，根据这些峰值最终形成该断面的横向聚焦图像。空洞、裂纹和其他的阻抗特征，与背景有较高的对比度，很容易区分。

2 离线分析方法

在传统的C模式扫描中，只保存了单点上的部分数据，比如捕获的用于显示和分析的数据就是数据门限内的幅度峰值，还有极性和TOF数据，其他所有数据都丢失了。我们从存储的X-Y-Z峰值数据集中不可能得到额外的信息；也不能进行离线操作，例如，调整门的位置，以便调整断面的深度；也不可能对丢失的声波信号信息使用信号处理分析学，来学习异常。

离线分析，就是脱离硬件设备，在任何计算机上对扫描数据进行分析、成像。使用一个高焦距比数镜头的探头，焦距可以横跨样品的整个高度。捕获声波反射信号（A扫描）后，并将其数字化，进而存储为数字数据，可以随时随地进行分析。

首先对器件进行一次C扫描，构建清晰图像；确认后存储需要的参数及各点原始数据。需要分析时，读取扫描参数和数据，可以重现各点波形，并进行模拟扫描，构建各断面图像。流程图如图2所示。

2.1 首次扫描

针对被测器件，设置扫描参数，聚焦位置，调整焦距，开始扫描。实时采集反射回波信号，并进行256级量化处理，据此构建清晰的断层灰度图像。

根据实际需要，添加数据门限。该门限可以添加在任何位置，呈现样品内与门限的位置和宽度相应的某一深度和厚度的反射特征；门限也可以和样品一样宽（或感兴趣的区域），这样就可以存储样品所有层的反射波。

图2 流程示意图

回波信号的采样个数随着数据门限的长度和采样频率而变化，数据门限越长，采样频率越高，采样个数就会越多，数据量越大。随着分辨率的增加，图像的像素总数（存储总数）快速增长。

所以在设置参数时，将采样频率、图像分辨率设置得尽量低，满足最低要求即可。这样可以避免存储大量数据，保证数据分析时有较高的速度。

2.2 保存参数和数据

首次扫描之后，确认扫描结果清晰，扫描参数合适后，保存各扫描参数和回波信号数据。将各扫描参数保存为一个参数文件，将回波数据保存为另一个数据文件，每点数据按照从上到下的顺序进行保存，如此逐点逐行保存所有数据。

在保存数据时，可以只保存用户需要的数据，即数据门限所在的时间段内的数据。这样可以节省空间，不保存多余的数据。

2.3 离线分析

（1）上载文件。打开并读取指定的参数文件和数据文件，显示首次扫描构建的图像；

（2）显示各点波形。点击图像上的任意点，可重新构建该点的波形。根据该点所在的像素位置，可以得到该点的数据。有了回波信息数据后，可重新绘制该点的波形。像素点f（i，j）数据的起始位置计算如下：

其中，i为点f所在的行数，j为点f所在的列数，s为图像的一行数据所占用的总字节数，l为一个像素点上的数据量，w为图像的宽度。

（3）模拟扫描。在待测工件不在的情况下，进行模拟扫描。聚焦在某一断面上，对于断面上的每一点，获取该点数据在文件中的位置和长度，取出数据后，进行灰度转换。逐行逐列，每点处理，最终生成该断面的灰度图像。

数据门放置在不同的位置，可以得到不同层的图像，结果见图3、图4、图5所示。

图3 表面波形与扫描结果

图4 分层波形与扫描结果（一）

图5 分层波形与扫描结果（二）

3 结论

离线分析方法捕获了全部声波的回波信号，并将其数字化，方便后来的波形查看和分析。没有丢掉有用的信息，为特定断面设置数据门限，可以得到样品内特定层的图像。

从图3、4、5的扫描结果可以看出，该方法可对虚拟工件进行模拟扫描，准确地描述待测工件的内部信息，解决了待测工件不在时的检测问题。它是超声扫描检测设备不可或缺的一种分析方法，是实时检测的有效补充。

[1] 杨立峰，王亚飞.激光在超声检测技术中的应用[J].激光与光电子学进展，2006，43(2)：29-32.

[2] 陈文革，魏劲松.超声无损检测的应用研究与进展[J].无损探伤，2001，25(4)：1-3.

[3] 张继静，连军莉.超声扫描技术及设备[J].电子工业专用设备，2011，39(5)：32-36.

An Offline-Analysis Method of Scanning Acoustic Inspect System

LIAN Junli

(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

An offline-analysis method of scanning acoustic inspect system is proposed in this paper. First the sample is scanned and the perfect image is built。Then parameters and original data are saved. We can load the data file，read parameters and data when needed.Then the system can display the waveform of each point again，and simulate scanning，and build the image.In the case of taking off the sample，this method still accurately analyses inner feature of sample very conveniently and quickly.

Scanning acoustic；Save data；Off-line analysis

TP391

A

1004-4507(2017)03-0031-04

2017-04-10

连军莉（1980-），高级工程师，现主要从事机器视觉技术和图像处理算法研究。