说起相控阵全聚焦（ATFM）检测，大家可能并不陌生，而ATFM的“孪生兄弟”PTFM或许知之甚少。今天，让我们来走近他们……

如大家所知，幅度全聚焦ATFM是全聚焦成像技术，需要先对原始全矩阵（FMC）数据进行希尔伯特（Hilbert）变换处理，构造FMC复数解析信号，然后按照聚焦法则模型直接使用带幅度的FMC复数解析信号进行全聚焦图像重构。那么相位全聚焦（PTFM）呢？PTFM实质上也是全聚焦成像技术，它的图像计算过程与ATFM图像相似，需要先获取FMC全矩阵采集，然后按照相同聚焦法则模型使用幅度归一化的FMC复数解析信号进行全聚焦图像重构。

01 利用Hilbert变换构造复数解析信号

对实数信号图片做Hilbert变换，假设图片是实数信号图片的Hilbert变换结果，那么我们可以定义复数信号图片是实数信号图片的复数解析过程（信号）。

如图1所示，解析过程就是把一维的实数信号变成二维复平面上的复数信号，复数的模和幅角分别代表信号的幅度和相位。增加一个时间轴，把复数解析信号放到三维时空坐标系进行表述，可以看到复数解析信号图片才是对信号最完整的表述，原实数信号图片是图片在复平面实轴上的一个投影，而Hilbert变换结果图片是图片在复平面虚轴上的另一个投影。通过复数解析信号图片可以计算瞬时幅度（即包络）和瞬时相位，从物理意义角度来说，瞬时幅度在三维时空坐标系里面对应于黑色的线围成的立体图形的边界，在二维复平面上对应于螺旋线中每个向量的模值，从数值计算角度简单来说其实就是复数解析信号图片的实部图片和虚部图片的模值，即图片；而瞬时相位就是复数解析信号图片的虚部图片和实部图片在某一时间点的比值的反正切函数，即图片。

图1 实数信号的复数解析过程

02 ATFM和PTFM技术原理

原始FMC数据图片经过希尔伯特变换构造出复数解析信号

ATFM使用带幅度的FMC复数解析信号进行全聚焦图像重构。

PTFM使用幅度归一化后的FMC复数解析信号进行全聚焦图像重构。

其中，

表示声波从发射阵元到感兴趣区域（ROI）中的某个栅格，再从该栅格返回到接收阵元总的声程时间。

03 ATFM和PTFM图像强度和反射体类型

采用5L64-0.6×10相控阵探头检测内部埋藏垂直切槽的人工缺陷试块，ROI栅格数量设置为512×512，观察ATFM和PTFM图像，可以看到PTFM图像中底波几乎消失。

那么为什么PTFM图像中切槽强度很强而底波却很弱呢？我们以切槽上尖端强度最大的栅格A(180,270)和位于切槽下方的底波中部的栅格B(465,270)为研究对象。根据聚焦法则计算出A和B各自对应的4096个τkl( x, z)值，并分别以红“.”和黑“.”标记映射到FMC子图上，如图3所示（按照64次发射顺序将原始采样FMC的4096个子波画成64个子图序列）。

图3 原始FMC子图序列

从图中可以看出：FMC的4096个子波均采集到了切槽上尖端反射信号并根据聚焦法则同相累加到了栅格A，而只有较少量的子波采集到了切槽下方对应位置的试块底面反射信号并根据聚焦法则同相累加到了栅格B。由于ATFM是使用带幅度的FMC数据进行全聚焦图像重构，虽然只有较少量子波同相累加，但底面每个反射子波的幅度远高于切槽上尖端反射，所以ATFM图像中底波强度依然很大。而PTFM是使用幅度归一化后的FMC数据进行全聚焦图像重构，此时图像的强度仅取决于子波同相累加次数，所以PTFM图像中切槽强度很强而底波却很弱。

上述试验表明：全聚焦尤其是PTFM技术，对于裂纹尖端以及气孔、夹渣等体积型小缺陷更敏感，能够更有效检出焊缝内部裂纹尖端反射信号；而ATFM技术对于面积型缺陷的重构图像强度较高，更适合用于检测面积型分层缺陷，如复合材料的脱粘。

04 ATFM与PTFM声场校准

PTFM是一种不依赖于振幅变化的技术。它的声场声压不随声程的增加而衰减，因此不需要使用已知参考反射体进行TCG校准，但是随着检测角度的增加，缺陷反射信号逐渐减弱，因此大角度检测应用中，ACG校准仍是必要的。

声学响应分布图（图4.1以试块垂直方向分布的横孔获取）更直观显示了ATFM声场声压随着声程和角度的增加逐步减弱，而PTFM声场声压不受声程变化影响，却也受影响于角度！

图4.1 ATFM与PTFM声学响应分布图

采用CTS-PA322T型全聚焦3D超声成像系统，配合专用阵列探头，分别对试块斜向、垂向分布的横孔进行ATFM和PTFM检测，检测结果如图4.2和图4.3所示。

图4.2 斜向分布横孔ATFM与PTFM检测成像图

图4.3 垂向分布横孔ATFM与PTFM检测成像图

观察横孔ATFM与PTFM检测3D成像图及对应的A扫波形，不难发现：斜向分布横孔检测，ATFM缺陷信号幅值随着声程的增大而逐渐减弱，而PTFM缺陷信号强度基本一致；垂向分布横孔检测，ATFM与PTFM缺陷信号均随着角度的增大而有所衰减。

05 ATFM与PTFM应用案例

以检测螺栓线槽为例。螺栓，长100 mm，在螺纹处存在3条线槽缺陷，实物图如图5.1所示。采用CTS-PA322T型全聚焦3D超声成像系统，配合专用面阵探头，对螺栓线槽进行ATFM和PTFM检测。声学响应分布图如图5.2所示，检测结果如图5.3所示。

图5.1 螺栓实物图

图5.2 ATFM与PTFM声学响应分布图

图5.3 ATFM与PTFM检测成像图

ATFM图像直观地呈现了螺栓的三个线槽缺陷，但我们可以看出PTFM图像直观显示了三个线槽缺陷的同时，螺栓螺纹线也清晰地呈现出来，且信噪比更高！ 

如今ATFM技术已趋于成熟并得到广泛应用！如果说ATFM技术是相控阵超声检测的前沿技术，那么PTFM技术将会让超声检测技术更向前迈一步！汕头超声研发的CTS-PA322T型全聚焦3D超声成像系统中多个检测模块包含了ATFM和PTFM技术！轻松点击A/P即可实现ATFM或PTFM检测。结合AIM声学响应分布图，辅助你快速选择最理想的有效检测方式！读到这里，大家对ATFM和PTFM了解更深了吧！如果感到困惑，欢迎关注汕头超声！基于ATFM和PTFM的组合检测技术应用研究，汕头超声随后将推出关于高温氢腐蚀（HTHA）或类似损伤检测应用、应力腐蚀裂纹（SCC）检测应用、锻件和铸件（或粗晶材料）检测应用等，敬请期待！

本文来源：汕头超声仪器