中國科學(xué)院聲學(xué)所超聲全聚焦檢測取得重要進展
作為現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，無損檢測被譽為工業(yè)界的“質(zhì)量衛(wèi)士”。早在明朝時期，科學(xué)技術(shù)著作《天工開物》就記載了根據(jù)聲音頻率變化來判斷物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢驗方法。當(dāng)前，超聲檢測因檢測靈敏度高、聲束指向性好、對裂紋等危害性缺陷檢出率高、適用性廣泛等優(yōu)點，在無損檢測領(lǐng)域占有重要的地位。
近日，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲技術(shù)中心王沖等人研發(fā)了基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的全并行計算架構(gòu)，有效加速了超聲全聚焦檢測(Total Focusing Method，TFM)成像，實現(xiàn)實時成像的無損檢測，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域。
全聚焦檢測是基于超聲全數(shù)據(jù)采集的后處理成像方法，在每一個成像位置均利用完備的檢測信息進行聚焦成像，檢測分辨率和靈敏度顯著高于常規(guī)相控陣檢測技術(shù)，被稱為“黃金法則”。由于數(shù)據(jù)量和計算量巨大，長期以來全聚焦檢測無法實時成像，難以應(yīng)用于實際工業(yè)檢測。國內(nèi)外學(xué)者曾采用圖形處理器(Graphic Process Unit，GPU)等計算平臺對TFM算法加速，但受制于傳輸時間消耗和平臺并行化程度，實時TFM成像始終不能達(dá)到檢測要求。
據(jù)此，聲學(xué)所超聲技術(shù)中心檢測聲學(xué)和NDT課題組研發(fā)出相控陣檢測系統(tǒng)，采用現(xiàn)場可編程門陣列，針對TFM算法專門設(shè)計了并行計算架構(gòu)，利用FPGA芯片內(nèi)部的DSP資源對計算結(jié)果進行實時數(shù)字信號處理。該計算架構(gòu)可并行獨立合成多個TFM像素，極大地提高了成像計算效率，同時又能保證成像質(zhì)量。整個TFM算法可完全在該FPGA架構(gòu)內(nèi)完成計算，最后只需將成像結(jié)果傳輸至顯示軟件，即可進行圖像觀察、分析診斷等。在同樣的檢測條件下，相比國內(nèi)外現(xiàn)有的TFM計算方案，基于FPGA的并行計算平臺將TFM計算效率提高了4.3倍，同時大幅降低了TFM成像系統(tǒng)復(fù)雜度、軟件計算壓力以及對帶寬傳輸?shù)男枨?。驗證實驗以鋼內(nèi)橫通孔為模擬缺陷，實驗結(jié)果顯示，基于FPGA的TFM算法可對橫通孔實現(xiàn)良好成像，成像效率可達(dá)312.5Hz。在增加成像區(qū)域和提高成像像素數(shù)量時，計算效率維持穩(wěn)定，具有較好的魯棒性和實用性。
該研究成果改變了傳統(tǒng)成像計算方式，充分利用了目前高速發(fā)展的可編程集成電路優(yōu)勢，而不再需要處理器進行繁重的疊加運算，顯著提高了TFM成像計算效率，有利于促進超聲全聚焦檢測應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，滿足現(xiàn)代工業(yè)無損檢測的高分辨率、快速自動化檢測需求。
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