数模转换和数字采样

超声波检测的模拟系统优点是速度快，队列探头的激发、回波的峰值检测，以及信号的放大和滤波都是在模拟模式下进行的。然而，由于需要存储所有的检测数据并对数据进行进一步的分析和处理，模拟信号必须进行数字化。
模拟信号数字化的主要原理是，对模拟波形用相同的时间间隔来进行取样，每个样本的信息包括幅度、位置和相位，然后由计算机保存起来。这样保存在计算机中的信息就不是波形，而是由一连串包含足够特征量，能够重建该A扫显示的数字信号。
模拟信号的数字化必须遵循采样定理。采样的意思就是将一个模拟信号转换成一个数值序列。采样定理指出：要使信号采样后能够不失真还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。采样定理是数字电子技术和信息技术中的重要定理之一，最早由美国物理学家奈奎斯特（Harry Nyquist）于1928年提出。1933年苏联工程师科杰利尼科夫（V.A.Kotelnikov）用公式严格的表述这一定理，因此有时这一定理也被称为奈奎斯特-科杰利尼科夫采样定理。1948年信息论的创始人香农（Claude Shannon）对这一定理加以明确说明并正式作为定理引用，因此许多文献中又称之为香农定理。采样定理在信息处理、数字通信和采样控制理论等领域有广泛的应用。
前面采样定理指出采样频率必须大于信号最高频率的两倍，因为只有这样才可以保证正弦波的每个半周期内至少有一个样点，这被称为Nyquist极限。如果采用低于信号最高频率两倍的采样频率来进行采样，则采样点不足以使每个半周期内都有一个样本，那么当进行信号重建时，将不能重建正确的频率，那么计算机也不能得到正确的数据。因此采用正确的采样频率是很有必要的。
例如某探头频率是5MHz，数字化频率是25MHz。该A扫波形以每1/25=0.04μs的时间间隔进行样本采集，那么在回波信号的一个周期内（1/5=0.2μs）内将有5个样本。
模拟/数字转换器以选定的采样率对A扫信号进行取样。采样点的位置相对于超声波信号的任何位置是随机的，因此一个样本能否取在正半周期波峰或者负半周期波峰都是有一定几率的，这样的话最大振幅的测量有可能不正确。数字化频率越高，样本采集到峰值的几率就越大，数字信号对于模拟信号失真的程度就越小。
实际情况下，采样数量越多，重构的波形越精确。要得到理想的波形，可以提出高的要求，例如每周期采样10个样本或者更多，那么对于上述例子来说采样频率就要采用50MHz或者更高。但是采样频率越高，也意味着TOFD的A扫的采样点数量越大，仪器所需要的存储空间也就越大，扫查的速度也会降低。
当检测厚度很大的焊缝时，TOFD的 A扫的持续时间会很长，如果仍选取很高的数字化频率，那么样本的数量会很大。因此要寻找一个折中的方案：要获得一个合适的数字化峰值信号（平均误差在10%以内），每个信号周期至少需要5个样本。需要指出的是，对于常规的脉冲回波检测，因为任何尺寸估计都依靠猜测信号振幅的最大值，所以数字化采样取到波峰很重要。而对于TOFD检测技术来说，峰值的测量并不十分重要，因为衍射点的深度与信号到达时间有关，并不取决于信号的幅度。总之，要想保证检测的准确性，必须要减小信号失真，这就意味着要有足够的采样点数量。典型的探头频率如2MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz，则所使用的数字化采样频率至少应该达到10 MHz，25 MHz，50 MHz，75 MHz。目前很多数字超声波系统的最大数字化采样频率已经超过了60 MHz。
总之，对模拟信号进行采样时，使用的数字化频率至少是该信号频率的两倍，工业检测应用的数字化频率应该至少是探头中心频率的5倍。