作為現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，無損檢測被譽(yù)為工業(yè)界的“質(zhì)量衛(wèi)士”。早在明朝時(shí)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(yàn)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(diǎn)，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(jì)算架構(gòu)，有效加速了超聲全聚焦檢測(Total Focusing Method，TFM)成像，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(gè)成像位置均利用完備的檢測信息進(jìn)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(jì)算量巨大，長期以來全聚焦檢測無法實(shí)時(shí)成像，難以應(yīng)用于實(shí)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(jì)算平臺對TFM算法加速，但受制于傳輸時(shí)間消耗和平臺并行化程度，實(shí)時(shí)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(jì)了并行計(jì)算架構(gòu)，利用FPGA芯片內(nèi)部的DSP資源對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理。該計(jì)算架構(gòu)可并行獨(dú)立合成多個(gè)TFM像素，極大地提高了成像計(jì)算效率，同時(shí)又能保證成像質(zhì)量。整個(gè)TFM算法可完全在該FPGA架構(gòu)內(nèi)完成計(jì)算，最后只需將成像結(jié)果傳輸至顯示軟件，即可進(jìn)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(jì)算方案，基于FPGA的并行計(jì)算平臺將TFM計(jì)算效率提高了4.3倍，同時(shí)大幅降低了TFM成像系統(tǒng)復(fù)雜度、軟件計(jì)算壓力以及對帶寬傳輸?shù)男枨蟆ｒ?yàn)證實(shí)驗(yàn)以鋼內(nèi)橫通孔為模擬缺陷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于FPGA的TFM算法可對橫通孔實(shí)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?cái)?shù)量時(shí)，計(jì)算效率維持穩(wěn)定，具有較好的魯棒性和實(shí)用性。
該研究成果改變了傳統(tǒng)成像計(jì)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(jìn)行繁重的疊加運(yùn)算，顯著提高了TFM成像計(jì)算效率，有利于促進(jìn)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。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《國際聲學(xué)與振動》上，并已申請相關(guān)專利。
