科學家研發出相控陣檢測系統實現實時成像的無損檢測

作為現代工業的基礎技術之一，無損檢測被譽為工業界的“質量衛士”。早在明朝時期，科學技術著作《天工開物》就記載了根據聲音頻率變化來判斷物體內部結構的檢驗方法。當前，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、適用性廣泛等優點，在無損檢測領域占有重要的地位。

近日，中國科學院聲學研究所超聲技術中心王沖等人研發了基于現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的全并行計算架構，有效加速了超聲全聚焦檢測（Total Focusing Method，TFM）成像，實現實時成像的無損檢測，可廣泛應用于工業檢測領域。

全聚焦檢測是基于超聲全數據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相控陣檢測技術，被稱為“黃金法則”。由于數據量和計算量巨大，長期以來全聚焦檢測無法實時成像，難以應用于實際工業檢測。國內外學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成像始終不能達到檢測要求。

據此，聲學所超聲技術中心檢測聲學和NDT課題組研發出相控陣檢測系統，采用現場可編程門陣列，針對TFM算法專門設計了并行計算架構，利用FPGA芯片內部的DSP資源對計算結果進行實時數字信號處理。該計算架構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量。整個TFM算法可完全在該FPGA架構內完成計算，最后只需將成像結果傳輸至顯示軟件，即可進行圖像觀察、分析診斷等。在同樣的檢測條件下，相比國內外現有的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成像系統復雜度、軟件計算壓力以及對帶寬傳輸的需求。驗證實驗以鋼內橫通孔為模擬缺陷，實驗結果顯示，基于FPGA的TFM算法可對橫通孔實現良好成像，成像效率可達312.5Hz。在增加成像區域和提高成像像素數量時，計算效率維持穩定，具有較好的魯棒性和實用性。

該研究成果改變了傳統成像計算方式，充分利用了目前高速發展的可編程集成電路優勢，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用于工業現場，滿足現代工業無損檢測的高分辨率、快速自動化檢測需求。

相關研究成果發表在《國際聲學與振動》上，并已申請相關ZL。