201113_PSpaw.pdf 29Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Marcin Lewandowski Ziemowit Klimonda obrazowanie ultradźwiękowe wad za pomocą metod syntetycznej apertury Ultrasonic flaw imaging using synthetic aperture methods   Marcin Lewandowski, Ziemowit Klimonda – Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN. Streszczenie Ultradźwiękowe metody badań nieniszczących prze- chodzą obecnie metamorfozę od systemów z głowica- mi jednoelementowymi do systemów wielokanałowych z głowicami fazowymi (PA Phased Array). Prowadzony obecnie w Zakładzie Ultradźwięków IPPT PAN projekt ma na celu opracowanie uniwersalnej wielokanałowej platformy ultradźwiękowej oraz metod rekonstrukcji ob- razów mogących znaleźć zastosowanie zarówno w me- dycynie, jak i w badaniach nieniszczących. Przeprowadzono wstępne badania mające na celu porównanie różnych metod rekonstrukcji obrazów wad w trybie B-mode. W tym celu dokonano akwizycji ech ul- tradźwiękowych od wad w szynie kolejowej i monoblo- ku przypomocy ultrasonografu badawczego wyposa- żonego w 128-elementową głowicą fazową o częstotli- wości 4 MHz. Uzyskane sygnały ech wysokiej częstotli- wości poddano następnie obróbce cyfrowej w celu uzy- skania obrazu B-mode. Zastosowano i porównano róż- ne metody rekonstrukcji obrazu: klasyczny beamforming oraz metodę syntetycznej apertury. Wstępne wyniki wskazują na wysoką jakość rekon- strukcji metodą syntetycznej apertury, która zapewnia równomierną rozdzielczość poprzeczną w całej głębo- kości obrazowania. Zastosowanie alternatywnych sche- matów nadawczo-odbiorczych w metodzie syntetycznej apertury umożliwia dodatkowo optymalizację metody pod względem prędkości badania lub jakości obrazowa- nia. Wyniki te potwierdzają przydatność i konkurencyj- ność metody syntetycznej apertury do stosowanej obec- nie metody beamformingu. Abstract Nowadays ultrasonic methods of non-destructive te- sting have undergone transformation from systems with single-element probes into multichannel systems with Phase Arrays probes (PA). The aim of the project curren- tly conducted in Department of Ultrasound in IPPT PAN is to develop a versatile multichannel ultrasonic platform and image reconstruction methods in order to apply both in medicine and in non-destructive testing. Preliminary studies on comparison of different me- thods of the B-mode image reconstruction for flaw visu- alization have been done. The acquisition of ultrasonic echoes of defects in railway rail and monoblock, using the research medical ultrasound scanner equipped with 128-element phase array with 4 MHz frequency, has been performed. Then the resulting radio frequency si- gnals of echoes were digitally processed in order to obta- in B-mode image. Different methods of image reconstruction – the clas- sic beamforming and the synthetic aperture algorithm – have been applied and compared. The experimental re- sults indicate that the image reconstruction by synthetic aperture method has higher quality then classical beam- forming. It provides a uniform lateral resolution througho- ut the whole imaging depth. The application of alternative transmitting-receiving schemes for the synthetic aperture method additionally allows to optimize it in terms of spe- ed of the testing as well as quality of the imaging. The re- sults confirm usefulness the method and competitiveness of the synthetic aperture to the method of classical beam- forming being applied at present. Wstęp Ultradźwiękowe badania nieniszczące do dnia dzi- siejszego kojarzą się z klasyczną prezentacją amplitu- dy ech (zobrazowanie typu A) na ekranie defektosko- pu. Z drugiej strony rozwój i miniaturyzacje elektroniki spowodowała pojawienie się, a następnie populary- zację systemów wielokanałowych PA (Phased Arrays – głowic fazowych), które dają zupełnie nową jakość badań oraz wizualizacji wad. Podstawowe zalety systemów głowic fazowych ta- kie jak: znacznie większa prędkość badań, nowe moż- liwości sterownia wiązką oraz obrazowania wad są szeroko znane. Natomiast poza świadomością wy- sokich kosztów aparatury inne ograniczenia i wyma- gania stosowania tych systemów nie są powszech- nie znane. Niektóre z ograniczeń fizycznych głowic PA 30 Przegląd sPawalnictwa 13/2011 przedstawiono w [1]. Osobnym zagadnieniem są alter- natywne metody rekonstrukcji obrazów, które umożli- wiają uzyskanie optymalnej jakości obrazu (m.in. rów- nomiernej rozdzielczość wgłębnej) dla zadanych para- metrów głowicy oraz prędkości badania i one są tema- tem tego artykułu. W Zakładzie Ultradźwięków IPPT PAN obecnie prowadzone są prace mające na celu praktyczną re- alizację metod SA (ang. Synthetic Aperture – syntety- cza apertura) w obrazowaniu ultradźwiękowym. W ra- mach tych prac opracowywana jest nowoczesna apa- ratura umożliwiająca jednoczesną akwizycję i równole- głe przetwarzanie 32÷128 kanałów ultradźwiękowych oraz algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów i re- konstrukcji obrazów działające w czasie rzeczywistym. Prowadzone obecnie badania modelowe mają na celu określenie optymalnych schematów nadawczo-odbior- czych oraz parametrów rekonstrukcji dla różnych za- stosowań medycznych oraz przemysłowych. Systemy Phased Array W systemach PA główną formą prezentacji wyni- ków są dwuwymiarowe (2D) obrazy wad w wybranej prezentacji (zobrazowanie typu B, C, D, S). Prezenta- cja 2D umożliwia obrazowanie wad oraz określanie ich położenia, wielkości i kierunkowości, co znacząco roz- szerza jakość badań w stosunku do klasycznej prezen- tacji typu A. Nieocenione znaczenie ma także możli- wość zapisu danych surowych w systemach PA, któ- ra pozwala na dokładniejszą analizę wyników badań w późniejszym okresie oraz zapewnia dokumentację do celów audytowych. Rekonstrukcja obrazu 2D odbywa się w systemach głowic fazowych na podstawie odebranych sygnałów ech wysokiej częstotliwości (w.cze.) z wybranych prze- tworników z uwzględnieniem ustawionych parame- trów nadawczo-odbiorczych oraz wprowadzonych ta- blic opóźnień. Tablice opóźnień (zwane także prawa- mi opóźnień lub ogniskowania) określają opóźnienia, które muszą zostać zastosowane dla sygnałów z każ- dego przetwornika odbiorczego w procesie rekonstruk- cji obrazu. Parametry nadawczo-odbiorcze oraz pra- wa opóźnień są wyznaczane w programowaniu użyt- kowym służącym do projektowania badań. Standardową metodą rekonstrukcji obrazów w sys- temach PA jest klasyczny beamforming (stosowany także w ultrasonografii medycznej), który polega na tworzeniu pojedynczej linii obrazu wynikowego (tzw. scanline) z zestawu sygnałów w.cz. pochodzących od sąsiednich przetworników głowicy (tzw. apertura od- biorcza). Sygnały w.cz. z poszczególnych przetworni- ków są opóźnianie zgodnie z zadaną tablicą opóźnień i sumowane koherentnie. Powstająca w ten sposób li- nia obrazowa jest odpowiednikiem sygnału echa z gło- wicy jednoprzetwornikowej o odpowiadających para- metrach. Metoda syntetycznej apertury Metoda SA także opiera się na opóźnianiu i kohe- rentnym sumowaniu przyczynków od ech w.cz. pocho- dzących od różnych przetworników, ale tutaj dla każ- dego nadania rekonstruowany jest cały obraz 2D, a nie pojedyncza linia obrazu. Skutkiem tego są bardzo wy- sokie wymagania na prędkość transmisji i przetwarza- nia danych. Obrazy uzyskiwane z pojedynczego nada- nia są nazywane obrazami niskiej rozdzielczość, gdyż nie zapewniają odpowiedniej jakości obrazowania. Stosując jeden ze schematów nadawczo-odbiorczych cała apertura przetwornika jest skanowana, a powsta- jące obrazy niskiej rozdzielczości są sumowane two- rząc obraz wynikowy wysokiej rozdzielczości. Ważnym wyróżnikiem metody SA jest uzyskiwanie jednoczesne- go ogniskowania po stronie nadawczej i odbiorczej, co zapewnia równomierną wgłębną rozdzielczość po- przeczną. Dla klasycznego beamformingu ogniskowa- nie nadawcze jest realizowane przez nadawanie zogni- skowanej wiązki na określonej głębokości. Chcąc uzy- skać równomierną rozdzielczość w całym zakresie głę- bokości konieczne jest wielokrotne nadawanie z ogni- skami na różnych głębokościach, co powoduje wydłu- żenie czasu badania. Istnieje bardzo wiele różnych schematów nadaw- czo-odbiorczych różniących się wykorzystywaną licz- bą przetworników nadawczych i odbiorczych w jednym nadaniu oraz sposobem skanowania. Dzięki temu mo- żemy optymalizować schemat i algorytm rekonstrukcji do konkretnego zastosowania. Zastosowania Badania systemami PA są dzisiaj stosowane w ca- łym spektrum zastosowań ultradźwiękowych badań nieniszczących. W pracy [2] przedstawiono zalety systemów PA w ba- daniach spoin rurociągów. Poza uzyskaniem znacznie większej wydajności badań (do 5 razy) wskazano lep- sze wykrycie wad oraz zapis pełnych danych umożli- wiający późniejszą weryfikację i śledzenie zmian. Badania szyn kolejowych [3], obręczy kół [4] i osi [5] są szczególnie ciekawe ze względu na skalę prowadzo- nych badań zarówno przy produkcji, jak i eksploatacji. Zainteresowanie PA wkracza także na krajowym ry- nek, co jest widoczne zwiększającą się ilością refera- tów podejmujących tę problematykę na corocznym za- kopiańskim Seminarium Nieniszczących Badań Mate- riałów [6÷9]. Badania Przeprowadzono badania laboratoryjne mające na celu porównanie jakości oraz efektywności badania wad za pomocą metody SA oraz metody klasycznego beamformingu. 31Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Rys. 1. Widok układu pomiarowego Fig. 1. View of the measuring sys- tem Podsumowanie Systemy PA umożliwiają wizualizację w czasie rzeczywistym dając całościowy obraz wad i pozwala- jąc na określanie ich położenia i rozmiarów. Możliwo- ści, szybkość i efektywność badań systemami głowic fazowych stanowi nową jakość w stosunku do ciągle powszechnie stosowanej aparatury jednokanałowej i prezentacji typu A. Zaprezentowano wstępne wyniki rekonstrukcji ob- razów wad za pomocą algorytmów syntetycznej aper- tury oraz klasycznego beamformingu. Wszystkie re- rekonstrukcje uzyskano z jednego zestawu danych Dane pomiarowe zostały zebrane przy pomocy ul- trasonografu badawczego Ultrasonix SonixTOUCH (Kanada). Aparat ten dzięki specjalnemu oprogramo- waniu badawczemu umożliwia zaprogramowanie se- kwencji nadawczo-odbiorczych oraz akwizycję suro- wych danych w.cz. z każdego przetwornika. Sygnał ech był próbkowany z częstotliwością 40 MHz i rozdzielczo- ścią 12-bit. Zastosowano liniową głowicę ultradźwięko- wa o 128 elementach i odległości między przetwornika- mi (pitch) równej 0,3048 mm. Użyto głowicy o często- tliwości 4,2 MHz, a napięcie nadawcze wynosiło 94 V. Akwizycja danych została przeprowadzona w ukła- dzie laboratoryjnym z nieruchomą głowicą na fragmencie szyny kolejowej z poprzecznie nawierconym otworem o średnicy 2 mm znajdującym się na głębokości 28 mm. pomiarowych otrzymanych za pomocą badawcze- go ultrasonografu medycznego. Metoda SA zapew- nia wyższą jakość obrazowania wad niż stosowana obecnie w komercyjnych systemach PA metoda kla- sycznego beamformingu. Dodatkowo możliwość mo- dyfikacji schematu nadawczo-odbiorczego w meto- dzie SA w celu optymalizacji jakości obrazowania lub prędkości badania zwiększa jej uniwersalność. Budowana w ZU IPPT PAN aparatura umożliwi re- alizację tego typu obrazowania w czasie rzeczywi- stym dając nowe narzędzie dla praktyków zajmują- cych się badaniami nieniszczącymi. Rys. 2. Obraz wad w monobloku uzyskany metodą beamformingu oraz syntetycznej apertury Fig. 2. The view of defects in the monoblock obtained with the beam- forming and synthetic aperture methods Wyniki Zebrane sygnały w.cz. dla schematu nadawczo-od- biorczego STA (Synthetic Transmit Aperture) zosta- ły poddane obróbce w celu rekonstrukcji obrazu me- todą SA oraz klasycznego beamformingu. W schema- cie apertura nadawcza składała się z 2 przetworników, a odbiorcza ze 128. Do rekonstrukcji przyjęto pręd- kość podłużnej fal ultradźwięków równą 5883 m/s. Po- niżej przedstawiono obrazy wad w prezentacji typu B uzyskane metodą klasycznego beamformingu (rys. 2) i metodą syntetycznej apertury (rys. 2). Prezentacje typu B pokazane są w zakresie dyna- miki wynoszącym 60 dB. Widoczna jest lepsza detek- cja wady w przypadku obrazu SA. 32 Przegląd sPawalnictwa 13/2011 Literatura [1] Lewandowski M.: Systemy głowic wieloprzetwornikowych pod- stawy fizyczne, XVII Seminarium Nieniszczące Badania Mate- riałów, Zakopane, 8-11 marca 2011. [2] Moles M.: Phased Arrays For General Weld Inspections, OLYMPUS NDT, 2010. [3] U.S. Department of Transportation, Application Of Ultrasonic Phased Arrays For Rail Flaw Inspection, DOT/FRA/ORD-06/17 July 2006. [4] Lonsdale C., Wagner R., Traxler J., Meyer P.: Phased Array Ultrasonic Inspection Of New Wrought Railroad Wheel Rims, www.standardsteel.com/rdpapers/phasedarray.pdf, 2001. [5] Hansenm W., Hintze H., Schubert H.: Ultrasonic testing of ra- ilway axles with phased array technique, 8th European Confe- rence on Nondestructive Testing Proceedings, Barcelona (Spa- in), June 17-21, 2002. [6] Kopeć A., Bobrowski P.: Doświadczenia z wykorzystania ul- tradźwiękowej techniki phased array w diagnostyce urządzeń energetycznych, XV Seminarium Nieniszczące Badania Mate- riałów, Zakopane, 10-13 marca 2009. [7] Ignaszak Z., Bobrowski P., Ciesiółka J.: Phased Array w odlew- nictwie nowe możliwości identyfikacji nieciągłości, XVI Semina- rium Nieniszczące Badania Materiałów Zakopane, 9-12 marca 2010. [8] Lipnicki M.K., Mroczek K., OstrowskiB. , Wójcik M. J.: Zaawan- sowane badania diagnostyczne wirników turbin energetycz- nych techniką Phased Array na przykładzie badania kształto- wych elementów mocowania łopatek, XVII Seminarium Nie- niszczące Badania Materiałów, Zakopane, 9-11 marca 2011. [9] Dragan K.: Zastosowanie głowic Phased Array w diagnostyce konstrukcji lotniczych, XVII Seminarium Nieniszczące Badania Materiałów, Zakopane, 9-11 marca 2011. Badania współfinansowane ze środków Europej- skiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, nr projektu: POIG.01.03.01-14-012/08-00. przeglad Welding Technology Review Redakcja Przegląd spawalnictwa, ul. Świętokrzyska 14a, 00-050 warszawa,  tel.: 22 827 25 42, fax: 22 336 14 79; e-mail: pspaw@ps.pl, www.pspaw.ps.pl