相位相干成像或 PCI 是 2009 年提出的一项技术，用于提高超声检测图像的分辨率和对比度。它是基于评价相控阵超声探伤探头所有元件检测到的信号之间的相干性。PCI 图像的强度取决于适应症的性质。孔隙度、尖端衍射和炉渣等全向源往往显示出高强度，因为全矩阵捕获 (FMC) 的许多发射器-接收器对看到它们具有大致相同的相位。相位具有很强方向依赖性的反射器，例如前表面、后壁、分层、未融合 (LOF) 等，会产生低价值的 PCI。PCI 有助于检测体积缺陷（孔隙和熔渣）和识别裂纹尖端衍射信号以更好地确定尺寸。

如何计算 PCI 映像

在这里，我们将首先说明如何计算全聚焦法 (TFM) 图像。FMC/TFM 是一种包含两个步骤的检查技术。第一个是称为FMC的数据采集过程，第二个是数据重建：TFM。整个过程通常在大多数硬件上实时完成，因此这两个步骤对用户来说是透明的。

FMC 是由N个发射信号和N个接收信号组合而成的矩阵，每个矩阵单元包含一个 A 扫描时域信号。它是通过一次一次发射 PAUT 探头的N个元件并每次记录在所有接收器上获得的。

TFM 算法包括对 FMC 数据集信号的振幅相干求和，以聚焦感兴趣区域 (ROI) 的每个像素。在数学上，这可以表示为：

其中 t ij (P) 表示对应于发射器 E i和接收器 R j之间通过像素 P 之一的传播时间的理论飞行时间。

下图解释了FMC的一个像素和一个信号的过程。

1. TFM 过程计算从发射器 E i到像素 P 并返回接收 R j的飞行时间 t ij。然后针对该特定信号提取对应于该飞行时间的振幅A ij 。

2. 然后对 FMC 矩阵的所有信号重复该过程。

3. 所有这些振幅相加，结果就是 TFM 图像中该像素的振幅。

4. 然后对所有像素重复整个过程以获得 TFM 图像。

为了计算 PCI 图像，我们需要将 FMC 的 A 扫描信号转换为相位随时间变化的信号。可以通过将信号除以它们的希尔伯特变换（分析信号）的模数来获得相位。另一种方法是提取 FMC 信号的符号。它提供与计算真实相位相似的结果，并且在硬件上具有更简单的实现。FMC 矩阵的每个信号都被其符号函数替换，因此每个数据点为 1 或 -1。

计算 PCI 图像的过程类似于 TFM 图像。我们计算从发射器 E i到像素 P 并返回接收 R j的飞行时间 t ij。然后针对该特定信号提取对应于该飞行时间的相位Ø ij 。然后对 FMC 矩阵的所有信号（转换为它们的符号版本）重复该过程。所有这些相位相加，结果就是 PCI 图像中该像素的相位。然后对所有像素重复整个过程以获得 PCI 图像。

PCI强度解释

如果我们将在包含三个侧钻孔 (SDH) 的模型上获得的 PCI 图像与 TFM 图像进行比较，我们可以观察到：

• PCI 几乎消除了前表面和后壁回声，

• 三个SDH的PCI值是一样的，

• PCI 图像中的噪声水平较高。

为什么我们获得 SDH 的高值和几何回波的低值？首先让我们看一下位于第一个SDH 最大值处的像素。在左图中，我们显示了 FMC 矩阵的第一列，即发射第一个元素后的 64 接收信号。最重要的是，我们叠加了从发射器一到 SDH 再到所有接收器的飞行时间（红色十字）。我们可以看到，红色十字完美地叠加在所有接收器上的相同相位上，这意味着所有信号都是同相的。通过总结所有这些贡献，我们获得了很高的 PCI 值。

出于对位于后墙中间的像素的相同推理，我们显示了发射第一个元素后获得的 B 扫描和从发射器 1 到后墙中间返回到所有接收器的飞行时间（红十字）。查看红色十字，我们可以看到它们仅针对最后一个接收器（由红色矩形表示）以相同的相位叠加。

在处理前表面和后壁等几何回波时，主要是对称路径对 PCI 图像有贡献。所有其他路径导致不一致的和，这解释了沿后壁和前表面回波的 PCI 图像的低值。这对于其他镜面反射器可能是相同的，例如分层或未融合，具体取决于它们相对于探头的位置。

在处理幅度信号时，SNR 可能相对较高，具体取决于指示的性质（后壁、LOF 等）。我们向部件发送的能量越多，例如通过增加模拟增益的电压，TFM 图像的 SNR 就越好。对于相位信号，噪声在 -1 和 1 之间变化，就像指示的相位一样，即使更多的能量被发送到部件中也是如此。如果我们考虑具有零均值的高斯噪声，则发射器-接收器对越多，SNR 越高。因此建议使用更多来源（例如，完整 FMC 与稀疏 FMC）。

理论上可以估计 PCI 图像的信噪比，因为噪声是 -1 和 1 的总和。它可以用 1 和 -1 的概率相等的二项分布来描述。

查看 500 kpixels 的 PCI 图像，我们可以使用二项分布查看完整 FMC（4096 个信号）和稀疏 FMC（1024 个信号）的整个 PCI 图像的噪声水平分布。FMC 几乎没有超过 6% 的噪声，16 个发射的稀疏噪声几乎没有超过 11%。这并不意味着不可能有比这更高的噪音，但这种可能性很小。操作员可以使用这些值来设置其动态范围的下限阈值。

正常入射检查获得的结果

在我们的第一个示例中，我们查看了一个 25 毫米厚的模型，其后壁有一个凹口。我们使用带有 20 毫米（0.787 英寸）L0 楔块的 64L5-G3 探头。我们同时计算下面显示的 TFM 和 PCI 图像。我们可以在 TFM 图像中看到一些伪影，称为等时线。当我们计算到达被这些伪影覆盖的像素的飞行时间时，FMC 矩阵中的一些 TOF 对应于来自后壁的贡献；因此，当我们对这些贡献求和时，我们会得到一些信号。这些伪影的存在取决于零件的厚度和间距。查看 PCI 图像，我们发现这些伪像已经消失，因为它们是后壁的贡献，并且 PCI 倾向于消除几何回声。我们可以非常清楚地看到凹口的尖端，从而实现完美的检测和尺寸测量。

PCI 在发现靠近后壁的缺陷方面非常有效。我们可以看到在下图中左边的三个SDH靠近后墙用于TFM和PCI。PCI 在移除后壁时检测到它们，这将使检测更接近它。尽管去除了前表面回波，但对于靠近前表面的缺陷，它不一定比 TFM 好。如果我们看右边的图像，我们可以区分 TFM 图像中的两个 SDH，另一个在死区。对于PCI，我们看到最深的SDH，区分中间的。这是因为许多远离缺陷的发射器-接收器对没有同相贡献。

PCI 的一个完美应用是检查高温氢腐蚀 (HTHA)。HTHA 损坏通常会出现小裂缝，这些裂缝会向各个方向传送能量。Eddyfi Technologies 开发了一种 64 元件、10 MHz 探头，该探头沿无源平面聚焦以提高灵敏度，因为裂纹在两个方向上都很小。我们查看的样品具有从几微米到小于 100 微米的微裂纹。下图显示了 TFM，左侧是 C 扫描，右侧是 PCI。TFM 图像显示了与我们在阻止检测非常微小的微裂纹之前看到的相同的伪影。PCI 图像去除了伪影并显示了与 HTHA 损坏相对应的沿着后壁的微小响应。查看 C 扫描，我们可以清楚地看到 HTHA 云，这在 TFM 图像上是看不到的。

FMC

PWI

PCI 的一个缺点是需要使用完整的 FMC 才能获得良好的 SNR。这通常会影响生产力。我们过去实施了平面波成像 (PWI) 来提高 TFM 检查的扫描速度。我们将 PWI 与 PCI 相结合，使用范围从 -20 到 20° 的 16 个角度应用于相同的 HTHA 模型，尽管我们使用的源少了四倍，但我们获得了相同的结果。理论上，我们的噪音水平应该增加一倍。这里发生的事情是一些 FMC A 扫描没有足够的能量，因为缺陷非常小，而且它们的 SNR 为零。没有信号时无法提取相位。由于我们只使用了 16 个源，PWI 允许向部件发送更多能量并获得足够的能量来提取相位补偿增加的噪声。

我们还研究了腐蚀测绘和复合检查，这两种检查通常都是通过法向入射检查进行的。我们使用之前描述的相同探头将其与 TFM 进行比较。对于腐蚀，TFM 显示前表面回波和后壁，允许测量剩余壁厚。由于 PCI 去除了前表面和后壁回波并且靠近前表面没有良好的可检测性，因此它不是腐蚀映射的最佳技术。我们可以用 PCI 稍微区分一下后壁，但它主要显示了作为衍射回波的斜率变化的区域。前表面完全消失了。

对于前表面和后壁回波完全消失的复合检测以及平底孔也是类似的。在复合材料检测中，超声波很难以一定角度传播，因为层会垂直或沿层引导能量。对于 PCI，主要是对称路径有贡献，即具有最大角度的路径。这就解释了为什么后墙和 FBH 完全消失了。

倾斜光束检测获得的结果

我们着眼于将 PCI 应用于焊接检测。我们检查了一根含有七个缺陷的碳钢管。扫描仪在其焊缝检测配置中是LYNCS™ 。我们使用了两个带有 SW55 楔块的 64L5-G3 探头。

我们使用完整 FMC、稀疏 FMC 和 PWI 在多组配置中执行多项检查，比较 TFM 和 PCI。

在下图中，我们显示了在探头的每一侧使用 PCI 获得的各种缺陷，这里没有 TFM，用于所有缺陷。动态范围在 6% 和 30% 之间调整，这是使用完整 FMC 时噪声的理论值，以增加较弱 PCI 值的可视化。

使用 19 dB 的 SNR 可以轻松检测到孔隙等体积缺陷。从两侧检测根部和趾部裂纹，并导致尖端衍射以进行表征。从两侧比较时，在尺寸方面会出现一些差异。这可能是由于焊缝根部回弹造成的。同理可知，未熔合和侧壁裂纹导致两侧出现尖端衍射回波。从两侧看时，尺寸再次显示出一些差异。这表明必须从两侧进行检查才能准确确定尺寸。

在进行多组和全 FMC 的 PCI 检查时，主要困难是扫描速度。我们评估了使用带有 PCI 的 PWI 仅使用八个角度来检查此焊缝的可能性，这将扫描速度提高了八倍。

下面显示了使用完整 FMC（左）和 PWI（右）获得的 LOF。SNR 从 FMC 的 22 dB 下降到 PWI 的 12 dB。虽然这仍然足以检测尖端衍射回波并在这种情况下执行尺寸测量，但情况可能并非总是如此。由操作员评估必要的角度数量，以便在包含人为缺陷的校准块上获得足够的 SNR。

警告

我们查看了另一个包含 LOF 的样本，并使用 TFM 和 PCI 进行了检查。TFM 图像显示镜面反射，并且可以通过分贝下降来调整尺寸。我们希望 PCI 显示两个尖端衍射，但它只显示一个回波。由于它是一种非基于振幅的成像技术，因此无法使用分贝降，也无法确定缺陷的大小。如果 LOF 相对平滑并且探头的定位方式使得垂直撞击斜面的角度（例如，此处为 60°）撞击中间的缺陷，则会发生这种效果。对于这个位置，LOF 就像几何回波一样，对称路径在缺陷中间起作用。

观察到的另一个差异是在第一条腿和第二条腿上执行时的尺寸差异。例如，在下图中，我们通过沿尖端衍射定位光标，使用第一（右）和第二（左）腿上的尖端衍射回波来确定 LOF 的大小。我们测量的缺陷高度分别为 5 毫米和 3.9 毫米（0.197 英寸和 0.154 英寸）。差异可能是由于后壁与前表面不完全平行、UT 光束效应等造成的。需要更多调查来确定这种差异的起源。

相位相干成像的优缺点

该技术的优点：

• PCI 是一种补充技术，随着尖端衍射回波得到更好的解决，它可以针对融合面的缺乏和裂纹提供更好的尺寸测量能力

• 相位相干成像提供更好的孔隙度可视化，而无需增加增益

• PCI 对沿无源平面的方向不太敏感

• 由于相位相干成像消除了来自几何形状的伪影，因此在执行 L0 检测时更适合检测靠近后壁的小缺陷，例如 HTHA

• 作为一种尺寸测量方法，PCI 不需要校准，因为它基于针尖衍射测量。

缺点：

• 由于 SNR 取决于发射器-接收器对的数量，因此建议使用完整的 FMC；这会导致扫描速度下降，尤其是在从焊缝两侧进行检查时。可以使用 PWI，但必须调整角度数量以获得良好的 SNR

• 一些光滑缺陷（如 LOF）可能不显示尖端衍射，因此在这些情况下无法进行尺寸测量，然后可能需要更改折射率偏移，直到出现尖端衍射

• 由于它消除了几何回波，因此 PCI 不适用于腐蚀测绘或复合材料检查

• 不能很好地检测到靠近前表面的缺陷。

Eddyfi Technologies 将为Mantis ™、Gekko ®和Topaz ®产品线提出 PCI 技术。将有可能使用多组配置同时执行 TFM 和 PCI，并将其与 PWI 结合以加快采集速度。这将使用户能够处理各种应用程序并针对他们自己的应用程序评估该技术。

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