合成聚焦法簡介

合成聚焦技術 SAFT (synthetic aperture focusing technique)為超音

波檢測與成像常用方法之ㄧ。而超音波之顯示模式大致可分為B 模 式(亮度模式，brightness mode)及 D 模式(都卜勒模式，Doppler mode)。B 模式即為二維超音波，它是將超音波回波信號強度轉成影 像亮度或灰階來顯示的成像方式，振幅愈大則亮度愈高。所以利用適 當孔徑內各個探頭所量測之超音波反射訊號的振幅及相位，重建不同 深度位置下反射體的影像。此技術不僅考慮反射訊號的振幅，並且考 慮到訊號的相位，以增強訊號的訊雜比(S/N ratio)。在反射物體的影 像重建過程中，各個可能的反射位置深度有如一處虛擬的聚焦，而且 聚焦的長度可以在計算過程中自行調整，大幅地提昇超音波掃描的空 間解析度。

合成聚焦成像之分析方法可以分為時域(time domain)與頻率域 (frequency domain)兩種。時域分析法又稱為「延遲加成法」，頻域分 析法則稱為「角頻譜法」。本文中所使用的合成聚焦成像演算法為時 域的延遲加成法。傳統的合成聚焦演算法是以單點發收的超音波探頭 對於待測物體進行掃描，將探頭至孔徑內射點之波程歷時對應的各組 掃描訊號值累加之後平均，可以有效地提高待測物體內部缺陷之超音 波反射訊號的訊雜比，提升超音波的橫向解析力。

然合成聚焦法於傳統超音波進行混凝土檢測中，所使用的陣列式

壓電元件以及後續處理儀器配備等，製作成本過於昂貴。並且超音波 的波源因能量過小，以致波傳距離的無法到達較深層的底部。現今利 用點發點收之敲擊回音檢測，單一波源與接收器，無後續處理配備，

故攜帶方便。之後，將所檢測之多比數據帶回做後續處理，由電腦程 式進行合成聚焦掃描，將缺陷顯像出來。並且也克服波源能量不足的 情況，使我們可以得知試體內部情況，以下即介紹此方法之原理。

首先將待測斷面劃分為數個元素。因元素間之位置與深度各不相 同，由波源出發至元素再反射回接收點之波旅距離皆不同，故波旅時 間或稱延遲時間（time delay）亦不同。利用混凝土試體之波速可反 求出對應於上述波旅距離之波旅時間，如圖2.2 所示。

圖2.2 單發-單收之反射訊號延遲加成法的示意圖

本研究因為敲擊源與接收器分屬不同位置，所以為達聚焦的效 果，改採取每次試驗時均固定兩者之間距，利用上述之觀念，假設

I(m,n)為第(m,n)個元素經數值疊加後成像的影像強度，其計算公式如

N i

i

i

t

N T n

m I

1

) 1 (

) ,

(

其中，t_i為敲擊源至特定元素再至接收器之波旅時間。

N 為數據總筆數 T_i為表面擾動訊號

E( nm, )為第( nm, )個元素

P

i n m n

m i

i V

R E

E

t S ^{( , ) ( , )} ……….（2.6）

此處

V

實驗時即依上述之原理，針對實驗混凝土試體進行一系列之點發 -點收之檢測掃描。此時從每筆敲擊反應所得之位移數據中，依推算 而得各個元素相對應之波旅時間下之振幅，再將所有數據下相同元素 之振幅疊加，即可得此塊元素之成像數值。最後依元素之成像數值大 小給予不同深淺之色彩顯示，即可清楚地將內含之異質缺陷（如孔洞 等）顯示出來。對應於無缺陷反射的元素部份，則會因相互抵消而成 為暗點，而這也正是合成聚焦掃描之精神所在。