XXII Seminarium NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW Zakopane, 16-18 marca 2016 NOWE METODY SYNTETYCZNEJ APERTURY DLA SYSTEMÓW PHASED-ARRAY Marcin LEWANDOWSKI IPPT PAN, Warszawa, mlew@ippt.pan.pl 1. WSTĘP Systemy UT z głowicami wieloelementowymi Phased-Array (PA) zapewniają wyższą jakość inspekcji i prędkość badania oraz różne mody skanowania i wizualizacji wad. Dostępne na rynku przenośne systemy PA zapewniają skanowanie i rekonstrukcję obrazów 2D w czasie rzeczywistym w oparciu o wyliczone i zaprogramowane prawa ogniskowania (ang. focal laws) [1]. Ta klasyczna metoda rekonstrukcji linii A-scan, z których następnie tworzony jest obraz 2D, nosi nazwę beamformingu [2]. Metoda beamformingu podlega tym samym zasadom i ograniczeniom co badanie za pomocą równoważnej głowicy jednoelementowej (tj. o tej same aperturze, kącie i ogniskowaniu). Alternatywną techniką zbierania sygnałów ech i rekonstrukcji obrazów z głowic Phased-Array są metody syntetycznej apertury (SA). Umożliwiają one uzyskanie wyższej i jednorodnej w całym badanym obszarze rozdzielczości poprzecznej, dzięki wykorzystaniu pełnej apertury głowicy ultradźwiękowej. Niestety, zastosowanie technik SA wymaga innego sposobu sterowania głowicą oraz bardzo wydajnego przetwarzania sygnałów, co wiąże się z koniecznością opracowania nowej dedykowanej aparatury. Zaawansowane algorytmy przetwarzania sygnałów bazujące na metodzie SA otwierają także drogę do zupełnie nowych aplikacji i badania obiektów trudnych, w których metoda PA była nieskuteczna. W referacie tym postaram się przedstawić zasadę działania metod syntetycznej apertury w sposób intuicyjny oraz zaprezentuję przykłady nowych aplikacji tej metody. Zainteresowanych odsyłam także do moich prezentacji zakopiańskich z lat ubiegłych, które dotyczyły podstaw fizycznych i metod rekonstrukcji w technice Phased-Array [1,2,3]. Należy podkreślić, że prezentowane techniki SA znajdują się obecnie w centrum zainteresowania wielu wiodących ośrodków naukowych i należy się spodziewać ich wejścia do praktyki przemysłowych badań nieniszczących w ciągu najbliższych lat. W IPPT PAN od kilku lat prowadzone są badania metod SA w zastosowaniach biomedycznych, a ostatnio także w badaniach nieniszczących. Opracowana przez nas Uniwersalna Badawcza Platforma Ultradźwiękowa umożliwia badanie, testowanie i wdrażanie dowolnych metod nadawania/odbioru oraz przetwarzania surowych sygnałów ech z głowic wieloelementowych. 83
2. METODA SYNTETYCZNEJ APERTURY W tej sekcji przedstawię ideę i podstawy metody syntetycznej apertury, odwołując się jedynie do znanych praktykom podstaw UT. 2.1. Zależność pomiędzy aperturą a rozdzielczością W klasyczne metodzie UT echo oceniany jest jedynie czas i wysokość echa wady. Określenie rozmiaru wady w kierunku poprzecznym jest związane i ograniczone przez rozdzielczość poprzeczną, czyli szerokość wiązki ultradźwiękowej. Jak dobrze wiadomo z podstawowego kursu UT [4], szerokość wiązki na danej głębokości można przybliżyć wzorem (na podstawie kryterium Rayleigha): x λ z, (1) L gdzie: λ długość fali, L wielkość przetwornika (apertura), z głębokość. Apertura przetwornika ma tutaj podwójne znaczenie: po pierwsze, jej wielkość determinuje rozdzielczość przestrzenną; po drugie, echa od dużych reflektorów położonych pod kątem do wiązki będą widoczne jedynie wtedy, gdy odbita od nich wiązka będzie mieścić się w stożku wiązki przetwornika. Klasyczną metodą zwiększania rozdzielczości jest ogniskowanie wiązki (za pomocą soczewki dla głowic jednoelementowych oraz w sposób elektroniczny dla głowic PA). Należy pamiętać, że ogniskowanie jest skuteczne jedynie w polu bliskim: F max = L 2 /4λ, (2) co oznacza, że ogniskowanie na większych głębokościach wymaga zwiększania apertury przetwornika (L). Zależności (1) i (2) to dwie strony tego samego medalu, które wiążą ze sobą wielkość apertury przetwornika oraz możliwą do uzyskania rozdzielczość. W przypadku głowic Phased-Array możliwe jest ogniskowanie nadawcze kolejno na kilku głębokościach z jednoczesnym zwiększaniem apertury (do max apertury odpowiadającej liczbie kanałów nadawczych stosowanej apertury) i uzyskanie optymalnej rozdzielczości w kolejnych warstwach badanej próbki 1. Jednak w takim wypadku maksymalna prędkość skanowania spada tyle razy, ile zaprogramowano ognisk nadawczych. 2.2. Aktywne ogniskowanie vs. ogniskowanie syntetyczne Mając na uwadze to, co zostało powiedziane o zależności apertury i rozdzielczości, rodzi się myśl wykorzystania pełnej dostępnej apertury (wielkości) głowicy. Na rys. 1 pokazano koncepcję klasycznego aktywnego ogniskowania oraz ogniskowania syntetycznego (na razie bez wyjaśniania sposobu jego realizacji). W ogniskowaniu aktywnym, stosowanym w klasycznym obrazowaniu PA, wiązka jest ogniskowana w nadawaniu i odbiorze przez układ elektroniczny (odpowiednie sterowanie opóźnieniami do/z poszczególnych elementów). W ogniskowaniu syntetycznym nie jest stosowane żadne ogniskowanie nadawcze, wręcz przeciwnie zależy nam na możliwie najbardziej rozbieżnej wiązce. Całość procesu syntezy apertury i ogniskowania jest realizowana w sposób numeryczny po stronie odbiorczej. 1 Ta technika jest standardowo dostępna w medycznych aparatach USG, w których można regulować skokowo liczbę ognisk nadawczych od 1 do kilku, co powoduje spadek liczby wyświetlanych klatek/sek., ale poprawia rozdzielczość wgłębną. 84
Rys. 1. Koncepcje ogniskowania dla głowic Phased-Array. 2.3. Metoda syntetycznej apertury Technika syntetycznej apertury (ang. SAFT - Synthetic Aperture Focusing Technique) polega na składaniu małych apertur w celu utworzenia większej (syntetycznej) apertury zapewniającej wyższą rozdzielczość. SA może być zastosowana do różnych rodzajów i układów głowic także ruchomych jednoelementowych (!) a nie tylko głowic PA. Na rys. 2 przedstawiono ideę techniki SA. Dla ustalenia uwagi przyjmijmy, że mamy głowicę Phased-Array za pomocą której nadajemy po kolei jednym elementem i odbieramy echa ze wszystkich elementów. Na rysunku oznaczono schematyczne stożek wiązki ultradźwiękowej dla kolejnych elementów głowicy. Przy założeniu stałej prędkości fali w ośrodku można wyliczyć czas przejścia fali ultradźwiękowej od elementu nadawczego do wady i z powrotem do każdego elementu odbiorczego. Dla każdej pary elementów i ustalonego czasu przejścia (np. odpowiadającemu położeniu wady) można wyznaczyć krzywą, na której ten czas przejścia jest stały krzywe te są hiperbolami, co wynika z prostych zależności geometrycznych. Widzimy, że dla kolejnych przetworników krzywe te przecinają się w jednym punkcie odpowiadającym położeniu wady. Rys. 2. Idea techniki syntetycznej apertury (opis w tekście). 85
Z rysunku poglądowego przejdźmy do symulacji (rys. 3). Dla pojedynczego nadania elementem centralnym i odbiorem wszystkimi elementami uzyskujemy jedną krzywą (skrajny lewy obraz), która odpowiada możliwym położeniom reflektora/wady. Zrozumiałe jest, że dla jednego położenia źródła nadawczego nie jesteśmy w stanie określić położenia wady w azymucie, a jedynie odległość od niego (analogicznie jak za pomocą jednoelementowej głowicy na podstawie czasu przejścia). Przesuwając element nadawczy symetrycznie w prawo i w lewo od położenia centralnego, otrzymujemy trzy krzywe, które przecinają się w jednym punkcie odpowiadającym położeniu reflektora (obraz środkowy). Dalsze zwiększanie liczby położeń elementu nadawczego powoduje zwiększenie liczby krzywych, które po zsumowaniu dają coraz silniejszy sygnał w miejscu wady. Rys. 3. Rekonstrukcja obrazu wady dla zwiększającej się liczby położeń głowicy nadawczej (źródło [5]). W zastosowaniach, aby móc wykorzystać do procesu syntezy całą wielkość przetwornika, konieczne jest odebranie sygnałów ech ze wszystkich jego elementów 2. Odbiór i zapamiętanie sygnałów ech ze wszystkich elementów głowicy dla każdego nadania nazywany jest akwizycją pełnej macierzy FMC (ang. Full Matrix Capture) i wymaga znacznych zasobów pamięci. W dostępnych na rynku defektoskopach Phased-Array ograniczona liczba aktywnych kanałów elektronicznych determinuje maksymalną liczbę obsługiwanych w danej chwili elementów przetwornika, czyli maksymalną aktywną aperturę. Przykładowo, system w konfiguracji 32:128 3 obsługuje na raz max 32 elementy z głowicy o max 128 elementach tj. max aperturę równą ¼ (=32/128) całkowitej długości głowicy 128-elementowej. Oznacza to, że tym urządzeniem nie jesteśmy w stanie wykorzystać apertury przetwornika większego niż 32 elementy. Dedykowane systemy ultradźwiękowe do FMC mają zwykle odpowiednio większą liczbę kanałów elektronicznych, tak żeby obsłużyć wszystkie elementy głowicy Phased-Array. 2.4. Numeryczna rekonstrukcja obrazu w metodzie SA Powiedzieliśmy, że w metodzie SA korzystamy z czasu przejścia od głowicy nadawczej do wady i z powrotem do głowicy odbiorczej. Proces rekonstrukcji obrazu B-mode polega na sumowaniu sygnałów ech po zastosowaniu odpowiednich opóźnień. Na początek przyjmijmy, że mamy jednorodny ośrodek z wadą znajdującą się dokładnie na centralnej osi głowicy PA. Dla nadania środkowym elementem N elementowej głowicy PA i odebraniu ech ze wszystkich elementów otrzymujemy zestaw surowych sygnałów A-scan. Jasne jest, że na sygnale A-scan dla elementu centralnego będzie widoczne echo wady w pozycji czasowej wynikającej z głębokości wady i prędkości fali w materiale. W odebranych 2 Do metody SA można także wykorzystać dane ze skanowania przetwornikiem jednoelementowym (1 kanał elektroniczny), ale nie jest to technika stosowana dla systemów PA. 3 Maksymalna dostępna konfiguracja Phased-Array aparatu Olympus OmniScan MX2. 86
sygnałach ech dla elementów na prawo i lewo od elementu centralnego położenie echa wady będzie się nieco odsuwać w czasie, ponieważ droga fali od centralnego elementu nadawczego będzie się zwiększać. Dla siatki punktów (pikseli) obrazu wyznaczymy ich położenia (x,y) w przestrzeni. Możemy teraz wyznaczyć czas przelotu impulsu fali od elementu centralnego (nadawczego) do każdego punktu (x,y) i powrotu do każdego elementu odbiorczego. Następnie stosujemy numeryczny algorytm rekonstrukcji obrazu (B-mode), który polega na sumowaniu w każdym pikselu obrazu wartości wszystkich odebranych A-scan w miejscu wyznaczonym przez obliczony czas przelotu dla danego przebiegu. Innymi słowy, dla każdego możliwego położenia wady (piksela obrazu) obliczamy czas przelotu dla każdego elementu odbiorczego, a następnie odczytujemy i sumujemy wartość echa w tym miejscu ze wszystkich A-scanów. Jeśli faktycznie w jakimś punkcie występuje wada, to wartości ech w tych wyznaczonych miejscach sygnałów A-scan będą niezerowe i pojawi się świecący punkt. Natomiast jeśli dla danego piksela wartość wszystkich opóźnionych będzie 0, to w zrekonstruowanym obrazie będziemy mieli czarny punkt. Powyższy proces sumowania A-scanów można przeprowadzić dla kolejnych nadań z różnych elementów głowicy (a nie tylko z jednego nadania). W ten sposób uzyskujemy pełne ogniskowanie nadawczo-odbiorcze określane terminem TFM (ang. Total-Focusing Method). W procesie TFM potrzebna jest akwizycja pełnej macierzy danych (FMC) tj. dla każdego elementu nadawczego rejestrujemy echa ze wszystkich elementów. Przykładowo dla 128- elementowej głowicy PA mamy 128 nadań i dla każdego nadania otrzymujemy 128 A-scanów, co daje łącznie 128*128=16384 A-scany, stanowiące dane wejściowe do algorytmu rekonstrukcji. 3. NOWE MOŻLIWOŚCI SYNTETYCZNEJ APERTURY W dalszej części zostaną przedstawione wybrane własności i nowe możliwości metod syntetycznej apertury. 3.1. Funkcja rozmycia punktu Funkcja rozmycia punktu tzw. PSF (ang. Point Spread Function) służy do charakteryzacji i oceny układów obrazujących. Funkcja ta pokazuje jak wygląda obraz, gdy na wejściu układu mamy pojedynczy punkt (np. małą wadę). W systemach Phased-Array PSF może przybierać różne kształty i rozmiary w zależności od długości fali, sposobu skanowania oraz odległości punktu od głowicy. Porównanie jakości obrazowania klasycznych metod rekonstrukcji PA oraz metody SA działającej na danych FMC przeprowadził Holmes i wsp. [6]. Przebadał on symulacyjnie oraz doświadczalnie obrazowanie B-scan metodą PA (nieogniskowaną, ogniskowaną i sektorową) oraz metodą SA. Dla 64-elementowej głowicy o częstotliwość 5MHz i zasymulowanej wady punktowej określono wskaźnik jakości w oparciu o kształt funkcji PSF (Point Spread Function). Wskaźnik ten określał pole powierzchni funkcji PSF na poziomie -6dB, unormowane do kwadratu długości fali tj. im mniejsza wartość, tym mniejszy (bardziej skupiony) obraz na ekranie. Jego wartość wynosiła: 2,35 dla nieogniskowanego B-scan, 1,71 dla ogniskowanego B-scan, 2,33 dla sektorowego B-scan i tylko 0,46 dla SA. 87
Na rys. 4 przedstawiono porównanie funkcji rozmycia dla klasycznych metod PA (a c) oraz metody SA (d). Szerokość PSF jest związana bezpośrednio z rozdzielczością poprzeczną wiązki ultradźwiękowej. Widać że dla danych uzyskanych przy tych samych warunkach badania możliwa do uzyskania rozdzielczość dla metody SA jest znacząco lepsza niż dla wszystkich metod PA (bez ogniskowania i z ogniskowaniem). Rys. 4. Porównanie PSF dla różnych metod rekonstrukcji obrazu: (a) metoda B-scan bez ogniskowania nadawczego, (b) metoda B-scan z ogniskowaniem nadawczym, (c) metoda B-scan sektorowy, (d) metoda SA TFM (źródło [6]). 3.2. Obrazowanie ośrodków niejednorodnych W badaniach zanurzeniowych UT metodami PA, ze względu na różną prędkość fali ultradźwiękowej w cieczy i ciele stałym, pojawia się problem poprawnej rekonstrukcji geometrii obrazu B-mode. Dla płaskiej granicy wejścia do próbki istnieje możliwość odpowiedniej korekcji praw ogniskowania PA, tak, żeby uzyskać dobrą rekonstrukcję obrazu. Niestety, nie ma takiej możliwości dla krzywoliniowej granicy między ośrodkami. Zastosowanie metod FMC/SA umożliwia nowe podejście do tego problemu. Camacho i wsp. [8] przedstawił algorytm automatycznego ogniskowania w badaniach zanurzeniowych obiektów o zakrzywionej granicy wejścia. Badanie zanurzeniowe polegało na obrazowaniu wad sztucznych (SDH) w krążku aluminiowym za pomocą 128-elementowej głowicy PA o częstotliwość 5MHz. Zaproponowany algorytm nie znał geometrii układu, lecz stosował automatyczne wykrywanie krawędzi powierzchni wejścia do automatycznej adaptacji parametrów rekonstrukcji. W drugim etapie na podstawie znajomości prędkości w obu ośrodkach i kształtu granicy były wyliczane czasy przelotu fali, które służyły do zastosowania 88
metody SA do rekonstrukcji obrazu B-mode. Na rys. 5 pokazano wyniki zastosowania algorytmu widać na nim poprawną rekonstrukcję układu wad w krążku. Rys. 5. Badanie zanurzeniowe obrazowanie wad (3 pary otworów) w pierścieniu aluminiowym metodą automatycznego ogniskowania (źródło [7]). 4. APARATURA DLA APLIKACJI FMC i SA Obecnie na rynku dostępne są przenośne i stacjonarne systemy UT Phased-Array (m.in. Olympus, Zetec), które działają w oparciu o klasyczne algorytmy rekonstrukcji obrazów. Systemy przenośne posiadają ograniczoną, zwykle do 32, liczbę obsługiwanych jednocześnie kanałów elektronicznych. Dostępne systemy stacjonarne wspierają nawet do 256 kanałów, ale ich architektura nakłada duże ograniczenia na prędkość akwizycji i transferu danych. Ograniczenia dostępnych systemów powodują, że w laboratoriach naukowych do realizacji badań nad metodami FMC stosuje się przetwarzanie off-line, co utrudnia testowanie i walidację tych metod. Z w/w powodów w IPPT PAN opracowaliśmy własną Uniwersalną Badawczą Platformę Ultradźwiękową (rys. 6) opartą na wysokowydajnej architekturze transferu danych i przetwarzania danych na procesorach graficznych (GPU) [8]. Platforma zapewnia realizację akwizycji danych metodą FMC oraz ich przetwarzania w czasie rzeczywistym metodami SA. Opracowany system posłużył już do realizacji badań złożonych algorytmów przetwarzania i rekonstrukcji obrazów w zastosowaniach biomedycznych. Platforma obsługuje do 192 kanałów elektronicznych w zakresie częstotliwości do 15MHz, co pozwala na użycie wszystkich typowych głowic PA. Zastosowanie adaptera (rys. 6) pozwala na bezpośrednie podłączenie głowic firmy Olympus kompatybilnych z aparatami z rodziny OmniScan/Epoch. Otwiera to drogę do realizacji badań porównawczych i walidacji nowych metod z urządzeniami uznawanymi za standard przemysłowy. Uniwersalna Platforma jest programowalna przy pomocy standardowych narzędzi deweloperskich (C/C++), środowisk programowania GPU (Nvidia CUDA, OpenCL) oraz oprogramowania naukowego (Matlab, Python, LabView w planach). 89
Rys. 6. Widok Uniwersalnej Badawczej Platformy Ultradźwiękowej ze standardową 128-elementową głowicą Phased-Array firmy Olympus. 5. PODSUMOWANIE Systemy Phased-Array są dzisiaj najnowocześniejszym rozwiązaniem w zakresie ultradźwiękowych metod NDT wdrożonym do praktyki przemysłowej. Przedstawione w referacie nowe metody akwizycji i przetwarzania danych pokazują dalsze możliwości udoskonalania tej techniki. Metody akwizycji pełnej macierzy danych pozwalają na zastosowanie TFM oraz adaptację ogniskowania dla struktur o różnej prędkości. Implementacja i wdrożenie zaprezentowanych metod wiąże się z koniecznością dostosowania aparatury zarówno do akwizycji sygnałów, jak i do realizacji złożonych obliczeniowo algorytmów. Wydaje się, że opracowane w IPPT systemy ultradźwiękowe mogą przyczynić się do rozwoju badań nowych technik UT oraz wdrożenia ich w aplikacjach przemysłowych. Metody rekonstrukcji bazujące na pełnej macierzy danych pozwalają nie tylko na zwiększenie rozdzielczości oraz poprawę oceny wielkości/kształtu wad, ale także na zastosowanie obrazowania do zupełnie nowych materiałów i obiektów niejednorodnych, które dotychczas były trudne lub niemożliwe do badania. Planujemy dalszy rozwój tych systemów w kierunku aplikacji przemysłowych i liczymy na zainteresowanie ze strony jednostek badawczych oraz partnerów komercyjnych. 90
LITERATURA [1] M.Lewandowski, Nowe metody i zastosowania ultradźwiękowych systemów Phased- Array, XXI Seminarium NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW Zakopane, 18 20 marca 2015. [2] M.Lewandowski, Metody rekonstrukcji obrazu z głowic Phased-Array, XVIII Seminarium NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW Zakopane, 13 16 marca 2012. [3] M.Lewandowski, Systemy głowic wieloprzetwornikowych podstawy fizyczne, XVII Seminarium NIENISZCZĄCE BADANIA MATERIAŁÓW Zakopane, 8 11 marca 2011. [4] J.Deputat, Badania ultradźwiękowe: podstawy, Gliwice, Chorzów: Inst. Metal. Żelaza im. S. Staszica Ośrodek Doskonalenia Kadr Kierowniczych i Specjal. MH, 1979. [5] R.Boehm, D.Brackrock, J.Kitze, G.Brekow, M.Kreutzbruck, SAFT for crack surface analysis comparison of modeling and phased array measurements, NDT in Progress, 5th International Workshop of NDT Experts, 12 14 Oct 2009, Prague. [6] C.Holmes, B.W.Drinkwater, P.D.Wilcox, Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit-receive array data for non-destructive evaluation, NDT&E International 38:701 711, 2005. [7] J.Camacho, J.F.Cruza, J.Brizuela, C.Fritsch, Automatic Dynamic Depth Focusing for NDT, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 61(4):673 684, 2014. [8] M.Lewandowski, M.Walczak, B.Witek, P.Kulesza, K.Sielewicz, Modular & Scalable Ultrasound Platform with GPU Processing, IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Dresden, Germany, 2012. 91
92