張碧星，張 萍，閻守國，黃 娟

(1 中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所 聲場聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100190)

超聲成像檢測是一種利用超聲波在介質(zhì)內(nèi)的傳播特性并以反射或透射聲波作為信息載體的可視化圖像檢測方法。近年來，超聲成像檢測技術(shù)取得了長足的發(fā)展，與其他成像方法相比，例如：電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography，CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)、紅外熱成像(infrared thermal imaging，ITI)等，超聲成像檢測具有安全性高、速度快、成本低等優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)無損檢測(nondestructive testing，NDT)[1-2]和醫(yī)學(xué)診斷[3]等領(lǐng)域。

在工業(yè)無損檢測中，對(duì)于各種設(shè)備材料，其內(nèi)部經(jīng)常存在多種缺陷，有的缺陷在使用前就已經(jīng)存在，有的缺陷是在材料服役過程中由于周圍環(huán)境的影響和作用(如腐蝕和疲勞)而產(chǎn)生。這些缺陷對(duì)設(shè)備材料的安全使用至關(guān)重要，不同類型的缺陷對(duì)材料的危害程度也有所不同[4]，故對(duì)設(shè)備材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測和安全評(píng)估是一項(xiàng)非常重要的工作[5]。然而，由于缺陷往往存在于材料內(nèi)部，無法通過視覺方式直接觀察，必須利用特殊方法進(jìn)行檢測[6]，超聲成像檢測是一種重要的無損檢測方法。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)超聲成像檢測的要求越來越高，希望觀察到更加細(xì)微的缺陷及其結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)工業(yè)無損檢測領(lǐng)域，對(duì)幾種重要的超聲成像檢測方法及其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行回顧和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)超聲多波成像檢測方法的研究和發(fā)展趨勢進(jìn)行分析和展望。

1 基于自適應(yīng)和動(dòng)態(tài)聚焦的成像檢測

本節(jié)主要分析聲波時(shí)間反轉(zhuǎn)、超聲相控陣、合成孔徑和全聚焦等成像檢測方法的發(fā)展現(xiàn)狀。聲波時(shí)間反轉(zhuǎn)法是一種自適應(yīng)聚焦的成像方法，超聲相控陣、合成孔徑和全聚焦方法則屬于動(dòng)態(tài)聚焦的成像檢測方法。

1.1 時(shí)間反轉(zhuǎn)成像

聲波時(shí)間反轉(zhuǎn)(time reverse, TR)是一種自適應(yīng)聚焦技術(shù)，它不需要介質(zhì)和換能器陣列性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的先驗(yàn)知識(shí)就可以實(shí)現(xiàn)聲波自適應(yīng)聚焦。該方法是法國科學(xué)家Fink最早將光學(xué)中連續(xù)波的相位共軛法引入到聲學(xué)領(lǐng)域并推廣到脈沖波的時(shí)間反轉(zhuǎn)法，實(shí)現(xiàn)了聲波的自適應(yīng)聚焦與成像檢測，在超聲無損檢測等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。

在沒有耗散的聲傳播介質(zhì)中，波動(dòng)方程具有時(shí)間反演不變性，如果聲波位移場u(r,t)是波動(dòng)方程的解，那么u(r,-t)也是波動(dòng)方程的解，u(r, -t)就是時(shí)間反轉(zhuǎn)聲場。在實(shí)際情況中，要構(gòu)建完整的時(shí)間反轉(zhuǎn)聲場是很困難的，也是不可能的，大多都是采用時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡(time reversal mirror, TRM)進(jìn)行近似處理。假如一個(gè)聲源S向外發(fā)射聲波并在介質(zhì)中傳播，在不同位置用換能器或陣列進(jìn)行接收，不同陣元接收到的波形具有不同的到時(shí)和波形結(jié)構(gòu)。將換能器各陣元記錄到的信號(hào)按時(shí)間先后進(jìn)行反序處理，將反序后的信號(hào)重新加載到對(duì)應(yīng)的各陣元上進(jìn)行激勵(lì)，這時(shí)各陣元發(fā)出的聲波經(jīng)過介質(zhì)后將自動(dòng)地在原聲源位置處實(shí)現(xiàn)聚焦。這時(shí)，每一個(gè)換能器陣元就是一個(gè)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡，類似于光學(xué)中的平面鏡，使聲波按原路返回。但由于換能器陣元的個(gè)數(shù)有限，不能在空間每一點(diǎn)上進(jìn)行采樣，且每一陣元記錄聲波的時(shí)間點(diǎn)數(shù)也有限，因而時(shí)間反轉(zhuǎn)聲場在原聲源處存在空間和時(shí)間上的旁瓣。陣元數(shù)越多，各陣元記錄的時(shí)間點(diǎn)越多，則時(shí)間反轉(zhuǎn)聲場的空間和時(shí)間旁瓣就越小。

Fink研究組在聲波時(shí)間反轉(zhuǎn)研究上做出了杰出的工作，取得了大量研究成果，不僅在原理和方法上對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)自適應(yīng)聚焦進(jìn)行了研究和論證[7-11]，而且還針對(duì)固體介質(zhì)[12]、分層介質(zhì)[13]、波導(dǎo)介質(zhì)[14]、非均勻介質(zhì)[15]等開展了大量的時(shí)間反轉(zhuǎn)理論和實(shí)驗(yàn)研究，并將時(shí)間反轉(zhuǎn)法應(yīng)用到航空航天用鈦合金材料檢測[16]和醫(yī)學(xué)上腎結(jié)石及膽結(jié)石粉碎[17]研究中。這些研究表明，時(shí)間反轉(zhuǎn)法在各種復(fù)雜介質(zhì)和結(jié)構(gòu)中都能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)聚焦，在不規(guī)則界面和強(qiáng)噪聲介質(zhì)中具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。之后，F(xiàn)ink研究組還發(fā)展了TR循環(huán)迭代方法[18]，可選擇具體目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行TR循環(huán)迭代處理，使目標(biāo)信號(hào)不斷聚焦和加強(qiáng)，而其他信號(hào)相對(duì)減弱，該方法在弱信號(hào)檢測中特別有效。并在此基礎(chǔ)上提出了DORT方法[19-20]，通過TR算子本征值和本征矢量，得到了與每個(gè)本征值對(duì)應(yīng)的目標(biāo)信號(hào)，將DORT方法和TR循環(huán)迭代相結(jié)合，就可對(duì)所有目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和檢測，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)的檢測與區(qū)分。

TR是自適應(yīng)的聚焦方法，能使來自不同路徑的波[21-22]以及不同類型的波[14, 23]實(shí)現(xiàn)同時(shí)聚焦。聲波時(shí)間反轉(zhuǎn)法是聲學(xué)互易原理的結(jié)果，其自適應(yīng)聚焦特性具有重要的科學(xué)意義。時(shí)間反轉(zhuǎn)法雖然能自適應(yīng)地實(shí)現(xiàn)聲波聚焦，但時(shí)間反轉(zhuǎn)法本身不能對(duì)缺陷實(shí)現(xiàn)定位，必須借助其他方法或者介質(zhì)的先驗(yàn)知識(shí)等才能對(duì)缺陷實(shí)現(xiàn)定位。早期的時(shí)間反轉(zhuǎn)法不能用于定位，后來采用虛擬TR過程并結(jié)合介質(zhì)先驗(yàn)知識(shí)形成了虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)法[24]，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的檢測和定位。

近年來，人們對(duì)TR法進(jìn)行了不斷改進(jìn)，如TR-MUSIC法[25]，該方法是基于多重信號(hào)分類(multiple signal classification, MUSIC)的TR算法，可得到散射體的超分辨率圖像，還可應(yīng)用于對(duì)點(diǎn)散射體密度和相關(guān)參數(shù)的有效估計(jì)[26]。研究表明，TR-MUSIC方法能分辨出距離瑞利極限更近的橫向目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)超分辨成像，還可在強(qiáng)噪聲情況下，抑制偽影并得到穩(wěn)定的圖像[27]。另一個(gè)典型的改進(jìn)是ACU-TR法[28]，該方法是結(jié)合了空氣耦合超聲(air-coupled ultrasound)的TR算法，它可以補(bǔ)償衍射效應(yīng)，從而進(jìn)行復(fù)合材料板材的無損檢測，極大提高了空氣耦合超聲無損檢測圖像的橫向分辨率。另外，將TR與逆時(shí)偏移相結(jié)合可區(qū)分界面和界面附近的缺陷目標(biāo)[29]。雖然近年關(guān)于TR研究的文獻(xiàn)較多，但大多都是將TR應(yīng)用于具體介質(zhì)和目標(biāo)對(duì)象的自適應(yīng)聚焦與成像研究。

TR聚焦方法不適用于非線性和耗散介質(zhì)，但經(jīng)過適當(dāng)改進(jìn)后也能在非線性和耗散介質(zhì)中較好地實(shí)現(xiàn)聚焦和成像檢測[30-31]。例如:Dauson等[32]采用時(shí)間反轉(zhuǎn)非線性彈性波譜法可以將聲能聚焦到材料中所需位置，可以檢測到實(shí)驗(yàn)室井筒的早期損壞跡象。

1.2 超聲相控陣成像

超聲相控陣技術(shù)是源于電磁波相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的原理，超聲相控陣初期主要在醫(yī)學(xué)診斷和醫(yī)學(xué)治療[33]上使用，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于工業(yè)無損檢測中。

超聲相控陣由多個(gè)獨(dú)立的陣元組成換能器陣列，通過電子系統(tǒng)控制每個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)的延時(shí)和幅度形成相控陣聚焦聲束，通過不斷控制和改變聚焦聲束的形狀和方向，在不需要移動(dòng)或少移動(dòng)相控陣換能器探頭位置情況下，實(shí)現(xiàn)較大范圍的掃描與成像檢測。隨著聲束偏轉(zhuǎn)方向和焦點(diǎn)位置的不斷變化，聲束對(duì)介質(zhì)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全方位的掃查，這是聚焦發(fā)射過程。隨后對(duì)換能器各陣元接收到的信號(hào)根據(jù)焦點(diǎn)位置不同施加相應(yīng)的時(shí)間延遲進(jìn)行虛擬聚焦，以實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)聲束掃描區(qū)域的成像，這是聚焦接收過程。相對(duì)于傳統(tǒng)的單探頭換能器成像方法，超聲相控陣?yán)酶麝囋撵`活性對(duì)信號(hào)的聚焦發(fā)射和聚焦接收兩個(gè)過程均進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚焦，從而可提高回波信號(hào)的信噪比和成像分辨率，并達(dá)到實(shí)時(shí)成像的效果。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和換能器陣列制作工藝的不斷提高，超聲相控陣檢測作為一種新型超聲成像檢測技術(shù)，最近二三十年來在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展。1992 年，美國通用電氣公司成功研制了數(shù)字式超聲相控陣實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)；之后，Hatfield等[34]提出了高集成度超聲相控陣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了手持式操作，加拿大R/D Tech公司較早地推出了便攜式相控陣成像設(shè)備，以及相關(guān)的相控陣產(chǎn)品[35]，在超聲相控陣產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面占據(jù)領(lǐng)先地位。隨后，國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和公司在超聲相控陣研究上也取得了很大進(jìn)步，相繼推出了越來越成熟的商業(yè)儀器和設(shè)備[36-37]。

對(duì)于外形復(fù)雜、具有不規(guī)則界面的被檢對(duì)象，傳統(tǒng)的超聲檢測非常困難，常常在遇到復(fù)雜界面時(shí)，需要改變探頭的位置和方向，檢測效果差。而超聲相控陣檢測技術(shù)具有聲束靈活可控、覆蓋面積大、檢測精度高等優(yōu)勢，因而在各種復(fù)雜情況下都取得了成功的應(yīng)用，例如：在汽輪機(jī)葉片和渦輪圓盤檢測[38-40]、管道焊縫檢測[41]、火車輪軸檢測[42]、核電站[43]和航空材料檢測[44]、大型鍛造鋼件檢測[45]、復(fù)合材料檢測[46]、井壁成像檢測[47-48]等應(yīng)用領(lǐng)域，超聲相控陣技術(shù)發(fā)揮了極為重要的作用。

相對(duì)超聲相控陣的成功應(yīng)用，超聲相控陣換能器輻射聲場的研究與分析相對(duì)較晚。陳啟敏等[49]對(duì)相控陣超聲換能器聲場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析；Wooh等[50]較為系統(tǒng)地研究了一維線性相控陣聲場的聚焦特性，詳細(xì)分析了相控陣換能器參數(shù)對(duì)旁瓣和柵瓣的影響。對(duì)于環(huán)形相控陣聲場，Dupenloup等[51]和Zhang等[52]研究了超聲聚焦特性及其與陣列參數(shù)的關(guān)系。對(duì)于柱面凹形相控陣聲場，F(xiàn)leury等[53]和Zhang等[54]分析了超聲聚焦過程并對(duì)套管井壁進(jìn)行了成像研究，董晗[55]將柱面凹形相控陣探頭應(yīng)用于井壁成像檢測系統(tǒng)，克服了常規(guī)技術(shù)中探頭旋轉(zhuǎn)帶來的困難。對(duì)于柱面凹形相控陣，王文龍等[56]、張碧星等[57]和Wang等[58]深入研究了聚焦聲場特性及柵瓣控制方法。對(duì)于二維相控陣列，Mckee等[59]對(duì)水浸狀態(tài)下具有雙曲面輪廓的試件進(jìn)行三維成像研究，龍絨蓉等[60]發(fā)現(xiàn)二維圓形陣列比二維矩形陣列具有更窄的主瓣寬度和更低的第一級(jí)旁瓣。對(duì)于柔性相控陣，Jocelyn等[61]和Casula等[62]研究了在不規(guī)則表面檢測時(shí)的聲聚焦過程，這些研究為復(fù)雜條件下超聲相控陣列探頭的設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)參數(shù)。

此外，在超聲相控陣聲場仿真分析中，高斯聲束法[63-64]可以快速有效地模擬相控陣輻射聲場，相比于波動(dòng)方程的精確求解能降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)的計(jì)算量。Newberry等[65]將高斯函數(shù)展開法應(yīng)用于圓形活塞聲源輻射聲場的計(jì)算；Spies等[66-67]利用多元高斯聲束模型計(jì)算了非均勻多層介質(zhì)內(nèi)的超聲傳播；Huang等[68-69]將多元高斯聲束模型擴(kuò)展到各向異性奧氏體不銹鋼介質(zhì)中；趙新玉等[70]利用多高斯聲束模型進(jìn)一步模擬計(jì)算了超聲相控陣聲場的聚焦特性；Ye等[71]提出了一種基于相控陣的線性相位多高斯波束模型，成功預(yù)測了異種金屬焊縫中的相控陣聚焦聲場。高斯聲束法為相控陣聲場仿真提供了較好的計(jì)算基礎(chǔ)。

常規(guī)超聲相控陣成像檢測技術(shù)基于信號(hào)延時(shí)和幅度來控制聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)不同角度的實(shí)時(shí)掃描成像。但是為了確保成像實(shí)時(shí)性，超聲相控陣列發(fā)射聲束的數(shù)量和聚焦點(diǎn)數(shù)相對(duì)受限，導(dǎo)致檢測精度和分辨率相對(duì)一般，這使得成像精度更高的超聲相控陣后處理成像研究得到了越來越多的重視。

1.3 合成孔徑成像

20世紀(jì)60年代，F(xiàn)laherty等[72]在超聲成像領(lǐng)域提出了合成孔徑的概念。此后，合成孔徑聚焦技術(shù)(synthetic aperture focusing technique, SAFT)廣泛地應(yīng)用于超聲檢測領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)聚焦技術(shù)，SAFT作為一種超聲后處理方法，能夠?qū)⑿】讖綋Q能器陣列合成為一個(gè)大孔徑陣列，以提高縱向檢測深度和圖像分辨率，在使用同樣換能器陣列探頭的情況下，可得到更高分辨率的重建圖像，為缺陷的成像和定性分析提供更好的技術(shù)基礎(chǔ)。

SAFT成像方法采用孔徑較小的換能器陣列(單陣元或陣元數(shù)較少的陣列)在某位置發(fā)射并接收來自反射體的回波信號(hào)，之后該陣列移動(dòng)到另一位置再發(fā)射并接收回波信號(hào)，以后以相同的掃描步距依次在不同位置處發(fā)射并接收反射回波信號(hào)[73]；最后，將不同位置處該陣列接收到的回波信號(hào)按照特定的時(shí)間延時(shí)和幅度規(guī)則進(jìn)行疊加形成波束形成算法[74]，從而得到目標(biāo)點(diǎn)的聚焦和成像信號(hào)。此過程相當(dāng)于把小孔徑在不同位置的信號(hào)看為一個(gè)位置固定不動(dòng)的大孔徑中不同陣元接收到的信號(hào)，是將一個(gè)小孔徑合成為大孔徑的過程。

合成孔徑效果主要是由波束合成和成像方法所決定，國內(nèi)外工作者開展了大量的研究。近年來，國外學(xué)者主要對(duì)SAFT成像算法進(jìn)行了多種改進(jìn)，Chang等[75]提出用平面波代替球面波的合成孔徑聚焦方法以減小超聲衍射擴(kuò)展效應(yīng)的影響，其橫向輻射波束寬度小于傳統(tǒng)SAFT的波束寬度；Skjelvareid等[76]提出了圓柱形掃描的SAFT算法，對(duì)于寬波束換能器可產(chǎn)生更低的旁瓣和更高的分辨率；針對(duì)超聲成像的具體對(duì)象，將SAFT和其他方法相結(jié)合會(huì)取得更好的效果。Skjelvareid等[77]將合成孔徑聚焦與虛擬源相結(jié)合擴(kuò)大了換能器的掃描范圍，可應(yīng)用于管道表面的腐蝕檢測并獲得較高的橫向分辨率。針對(duì)工業(yè)大型鍛件中小缺陷的檢測問題，F(xiàn)endt等[78]將SAFT和迭代反演方法相結(jié)合，可對(duì)多種小缺陷進(jìn)行檢測和定位；Castano等[79]研制出適用于SAFT檢測的水射流耦合系統(tǒng)，可應(yīng)用于鋼軌的在線SAFT成像檢測;Lin等[80]進(jìn)一步將SAFT應(yīng)用到多層混凝土的檢測與成像，提高了混凝土成像檢測的準(zhǔn)確性。

國內(nèi)對(duì)超聲合成孔徑的研究相對(duì)落后。孫寶申等[81-83]較早研究了合成孔徑超聲成像及相關(guān)算法。近年來，國內(nèi)針對(duì)SAFT的研究也逐漸增多，但大多是跟蹤國外的研究并稍做拓展。朱新杰等[84]研制出合成孔徑超聲SH導(dǎo)波成像檢測系統(tǒng)，并應(yīng)用于鋼板的合成孔徑SH導(dǎo)波成像檢測。王東亞等[85]將FPGA應(yīng)用于合成孔徑均勻采樣的波束合成算法，可實(shí)現(xiàn)SAFT的實(shí)時(shí)成像。杜英華等[86]發(fā)現(xiàn)多陣元非聚焦的聲場更適合于合成孔徑聚焦超聲成像，并根據(jù)這個(gè)原則進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明多陣元合成孔徑聚焦超聲成像可以獲得比單陣元合成孔徑聚焦成像更高的成像質(zhì)量和分辨能力。謝雪等[87]將SAFT應(yīng)用于超聲衍射時(shí)差(time of fight diffraction, TOFD)檢測，有效降低了干擾衍射信號(hào)的影響。周正干等[88]將頻域合成孔徑聚焦技術(shù)和半波高法結(jié)合進(jìn)行缺陷定量評(píng)價(jià)，該方法可提高缺陷檢測精度且受檢測深度的影響不明顯。富志凱等[89]提出基于幅度補(bǔ)償?shù)某昐AFT成像方法，與傳統(tǒng)SAFT相比其具有更高的信噪比和成像分辨率。為實(shí)現(xiàn)雙層介質(zhì)的快速超聲成像，陳堯等[90]等將虛擬源與頻域SAFT相結(jié)合得到了合成孔徑檢測圖像，可直觀顯示非規(guī)則界面形狀及內(nèi)部缺陷位置。張棣等[91]采用超聲合成孔徑技術(shù)，將輪廓線轉(zhuǎn)換為云數(shù)據(jù)，并根據(jù)探頭移動(dòng)方向與輪廓線的位置關(guān)系可以對(duì)物體實(shí)現(xiàn)三維成像。

1.4 全聚焦成像

2005年，Holmes等[92]首次提出了超聲全聚焦算法(total focusing method, TFM)的概念，該方法采用超聲相控陣換能器上的所有陣元對(duì)成像區(qū)域內(nèi)的每個(gè)擬定焦點(diǎn)進(jìn)行聚焦[93]。首先，利用超聲換能器陣列進(jìn)行全矩陣數(shù)據(jù)采集，具體方法是第一個(gè)陣元發(fā)射激勵(lì)信號(hào)所有陣元接收反射回波；然后，第二個(gè)陣元發(fā)射激勵(lì)信號(hào)所有陣元接收回波；以此類推，所有陣元依次發(fā)射激勵(lì)信號(hào)然后所有陣元接收回波信號(hào)。對(duì)于特定的焦點(diǎn)，計(jì)算換能器所有陣元關(guān)于該點(diǎn)的時(shí)間延遲，再將全矩陣回波數(shù)據(jù)按照這個(gè)延時(shí)規(guī)則進(jìn)行疊加得到關(guān)于該焦點(diǎn)的聚焦及成像信號(hào)，當(dāng)這個(gè)特定焦點(diǎn)遍布掃描區(qū)域時(shí)，就得到了整個(gè)掃描區(qū)域的圖像。

與常規(guī)相控陣超聲成像方法相比，TFM可以使各陣元聲束在檢測范圍內(nèi)的每一個(gè)虛擬焦點(diǎn)處聚焦，具有很高的檢測精度和信噪比。但是，TFM要求每個(gè)陣元依次發(fā)射所有陣元接收，存在巨大的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，對(duì)實(shí)時(shí)成像提出了巨大挑戰(zhàn)。近年來，國內(nèi)外研究者在硬件和軟件上開展了大量研究工作，使TFM成像越來越成熟，越來越實(shí)用。Wilcox和Holmes等[94-95]在TFM基礎(chǔ)上提出了向量全聚焦成像算法(vector total focusing method, VTFM)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷類型和幾何特征的區(qū)分?？紤]到固體中的波型轉(zhuǎn)換，Zhang等[96]和Budyn等[97]提出了對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行多方位多視圖的全聚焦方法(multi-view total focusing method, MTFM)，MTFM可對(duì)缺陷進(jìn)行分類，能區(qū)分波長尺度的體積型缺陷和裂縫型缺陷。Saini等[98]研究和測試了縱波傳播模式下TFM對(duì)表面裂紋的表征能力，通過數(shù)值計(jì)算確定了該方法測量裂紋的尺寸范圍，優(yōu)化了成像算法的可控參數(shù)。Villaverde等[99-100]將TFM與時(shí)間反轉(zhuǎn)及空間編碼相結(jié)合，提高了TFM在復(fù)合材料和粗晶等強(qiáng)噪聲材料中的檢測效果，較大程度地提高了信噪比。對(duì)于焊縫檢測，Sumana等[101]提出了可增加特定方向傳輸能量的角波束虛擬全聚焦方法(angle beam virtual source full matrix capture-total focusing method, ABVSFMC-TFM)，該方法在鎳基合金鍛件檢測中取得了良好的應(yīng)用效果。

國內(nèi)研究者也對(duì)TFM成像方法展開了深入研究。周正干等[102]對(duì)TFM在楔塊中的能量衰減進(jìn)行了校準(zhǔn)，改善了TFM圖像中的能量均勻性，降低了缺陷的漏檢率和檢測誤差。胡宏偉等[103]研究了兩層介質(zhì)全聚焦成像時(shí)的稀疏矩陣算法，提高了傳統(tǒng)TFM的計(jì)算效率。李文濤等[104]提出了基于環(huán)形超聲陣列換能器的全聚焦方法，實(shí)現(xiàn)了鈦合金試樣中平底孔和橫孔缺陷的高精度檢測。張昊等[105]研究了斷層掃描的TFM三維成像檢測方法，得到了缺陷的三維圖像及缺陷分布情況。焦敬品等[106]采用相位特征參數(shù)對(duì)TFM成像進(jìn)行幅值加權(quán)處理，發(fā)現(xiàn)相位加權(quán)的TFM成像效果明顯優(yōu)于常規(guī)TFM，在裂紋方向識(shí)別和長度測量上更加準(zhǔn)確。楊敬等[107]提出了一種各向異性焊縫檢測的TFM，可明顯降低奧氏體鋼焊縫區(qū)域內(nèi)缺陷定位的誤差。吳斌等[108]將多模式TFM成功應(yīng)用于奧氏體鋼小徑管的焊縫檢測，提高了信噪比，實(shí)現(xiàn)了小徑管的多模式TFM檢測。

超聲相控陣、合成孔徑和全聚焦都是關(guān)于超聲陣列的成像方法，能實(shí)現(xiàn)聲束可調(diào)，將各陣元信號(hào)按照一定的延時(shí)和幅度規(guī)則進(jìn)行疊加處理。近年來，人們又將超聲相控陣成像與合成孔徑及全聚焦方法結(jié)合起來，在提高圖像分辨率等方面取得長足進(jìn)展。Sinclair等[109]利用合成孔徑算法改善了超聲相控陣超聲檢測圖像分辨率；施克仁等[110]在提高超聲相控陣三維成像分辨率方面提出了相位畸變修正方法；Quaegebeur等[111]使用一種基于相關(guān)性的全聚焦方法，實(shí)現(xiàn)了超聲相控陣發(fā)射接收檢測數(shù)據(jù)的成像。這些研究對(duì)超聲成像技術(shù)的發(fā)展起到了推進(jìn)作用，隨著電子硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，超聲陣列成像將朝著三維實(shí)時(shí)成像方向發(fā)展。

2 基于頻散導(dǎo)波和多波聚焦的成像檢測

本節(jié)主要分析寬帶頻散導(dǎo)波和多波的聚焦與成像。寬帶導(dǎo)波具有頻散效應(yīng)，而多波是指介質(zhì)中存在縱波、橫波和導(dǎo)波等多種波型的傳播。寬帶頻散導(dǎo)波成像和多波成像具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，目前的研究還處在理論和實(shí)驗(yàn)研究階段，有待進(jìn)一步發(fā)展。

2.1 寬帶導(dǎo)波的聚焦與成像

寬帶導(dǎo)波聚焦是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的研究課題。目前，超聲導(dǎo)波的聚焦與成像在超聲檢測中越來越重要，已有不少的理論與應(yīng)用研究報(bào)道，但基本都局限于常速度或窄帶導(dǎo)波的聚焦與檢測，將導(dǎo)波的傳播速度作為常數(shù)來處理。然而，導(dǎo)波的頻散效應(yīng)在實(shí)際檢測中不可避免，研究寬帶頻散導(dǎo)波的聚焦與成像具有重要的意義。

導(dǎo)波具有多模和頻散特性。針對(duì)導(dǎo)波多模的復(fù)雜性，通常策略是有選擇性地激發(fā)單一模式，然而不同模式適用的目標(biāo)不同，因此單一模式的選擇與缺陷的識(shí)別存在矛盾。單一模式導(dǎo)波的選擇與控制，通常需要采用準(zhǔn)單頻激發(fā)信號(hào)，而不是脈沖信號(hào)，還需要考慮分辨率與所需模式的特征等[112-118]。

為了避免導(dǎo)波的頻散效應(yīng)，一般選擇具有常速度或準(zhǔn)常速度的模式來進(jìn)行檢測[119]，已有大量工作將超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用于常速度的導(dǎo)波進(jìn)行檢測[112, 115-116,118,120]。然而將導(dǎo)波控制在常速度范圍內(nèi)并不容易，為克服導(dǎo)波的頻散特性，可通過先驗(yàn)頻散曲線進(jìn)行補(bǔ)償來消除導(dǎo)波的頻散效應(yīng)[121]，實(shí)現(xiàn)頻散導(dǎo)波的聚焦與成像[122-123]。

近年來，本課題組一直致力于寬帶導(dǎo)波的聚焦與成像檢測研究。張碧星等[124]提出了寬帶導(dǎo)波相控陣的聚焦方法，實(shí)現(xiàn)了寬帶導(dǎo)波的聚焦與成像。首先，假定在介質(zhì)參數(shù)已知的前提下，對(duì)導(dǎo)波的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，達(dá)到導(dǎo)波在預(yù)設(shè)焦點(diǎn)處聚焦的目的。在直角坐標(biāo)系下，假設(shè)導(dǎo)波沿x方向傳播，聲源位于坐標(biāo)系原點(diǎn)，則

(1)

其中：u(x,t)和u(x,ω)分別為導(dǎo)波在時(shí)間域和頻率域的位移分量；F(ω)是激勵(lì)聲源的頻譜函數(shù)；ω是角頻率。如果導(dǎo)波在所考慮的頻段范圍內(nèi)具有N個(gè)模式，則

(2)

其中：Aj(ω)和kj分別為第j個(gè)模式的幅度和波數(shù)，kj=ω/cj,cj為第j個(gè)模式的相速度，是頻率的函數(shù)。

對(duì)于給定的介質(zhì)參數(shù)，不難得到各導(dǎo)波模式的頻散曲線及相速度。由式(1)可知，對(duì)于不同的聲源激勵(lì)函數(shù)，可得到不同的導(dǎo)波位移；并且式(2)表明不同模式不同頻率分量的導(dǎo)波具有不同的相位，從而造成散焦。對(duì)于給定的介質(zhì)參數(shù)和目標(biāo)位置x，可以設(shè)計(jì)出一種聲源激勵(lì)函數(shù)，使得不同模式不同頻率分量的導(dǎo)波都同相到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聚焦。例如：將原點(diǎn)處的聲源頻譜函數(shù)由F(ω)變?yōu)?/p>

(3)

則目標(biāo)點(diǎn)x處的導(dǎo)波位移分量相應(yīng)地由u(x,t)變?yōu)?/p>

(4)

由于對(duì)u(x,ω)取絕對(duì)值，不同模式不同頻率分量的導(dǎo)波都將同相到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)聚焦。

顯然，還有多種聲源頻譜函數(shù)都能實(shí)現(xiàn)聚焦，下面給出了兩種不同頻譜函數(shù)和目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)波位移形式：

(5)

(6)

公式(5)給出的就是時(shí)間反轉(zhuǎn)法的結(jié)果，可見在寬帶導(dǎo)波聚焦方法中，時(shí)間反轉(zhuǎn)法是有效方法之一。事實(shí)上，時(shí)間反轉(zhuǎn)法是一種自適應(yīng)聚焦法，對(duì)于非導(dǎo)波情況都能實(shí)現(xiàn)聚焦。

以上方法表明，通過設(shè)計(jì)新的聲源激勵(lì)函數(shù)就能實(shí)現(xiàn)寬帶導(dǎo)波聚焦，不同聲源激勵(lì)函數(shù)聚焦的效果稍有不同。文獻(xiàn)[125]對(duì)這些方法進(jìn)行了詳細(xì)研究和分析，結(jié)果表明由公式(3)和(4)給出的聚焦效果最好；時(shí)間反轉(zhuǎn)法雖然是一種很好的自適應(yīng)聚焦方法，但對(duì)寬帶導(dǎo)波聚焦，在時(shí)間上的壓縮效果不如公式(3)。本課題組[126]還針對(duì)含低速夾層的3層半空間介質(zhì)模型，采用16陣元的超聲換能器陣列，得到半空間自由表面上的聲場分布，如圖1所示。在焦點(diǎn)處，各種頻率的導(dǎo)波同時(shí)到達(dá)，在時(shí)間上高度壓縮實(shí)現(xiàn)聚焦；而其他位置處，不同頻率的導(dǎo)波到達(dá)時(shí)刻不同，波形在時(shí)序上延展較長。

圖1 寬帶導(dǎo)波在分層半空間表面上聚焦聲場的瞬態(tài)分布

聚焦的導(dǎo)波信號(hào)遇到缺陷后會(huì)發(fā)生散射，導(dǎo)波散射后仍然會(huì)因?yàn)轭l散效應(yīng)造成散焦，因此在寬帶導(dǎo)波的聚焦接收與成像過程中需要對(duì)頻散效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于多模式的寬帶導(dǎo)波，本課題組提出了一種基于頻散補(bǔ)償?shù)娜毕荻ㄎ怀上袼惴╗127-128]，通過對(duì)蘭姆波回波信號(hào)進(jìn)行聚焦接收處理實(shí)現(xiàn)了板中缺陷的檢測與成像。

頻散導(dǎo)波的聚焦與成像需要針對(duì)每個(gè)焦點(diǎn)計(jì)算每一陣元的發(fā)射信號(hào)，與普通超聲相控陣相比，計(jì)算量稍大；與聲波時(shí)間反轉(zhuǎn)成像的計(jì)算時(shí)間基本相同。

2.2 超聲多波成像檢測

近年來，融合多種成像方式和多波型成像是國內(nèi)外聲學(xué)成像領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢，具有代表性的成像方法有多模式全聚焦成像[93]、多波聚焦與成像[129]、多波多分量勘探[130]等。Zhang等[93]提出了多模式全聚焦方法(multi-mode total focusing method, MTFM)，利用多種模式轉(zhuǎn)換的聲波對(duì)目標(biāo)散射系數(shù)矩陣進(jìn)行分析與預(yù)測，和常規(guī)全聚焦方法相比，可以顯著提高成像分辨率。Zhang等[129]提出了多波聚焦與成像方法，將固體介質(zhì)中的縱波、橫波和導(dǎo)波等多種波型同時(shí)進(jìn)行聚焦與成像，和單一波型成像方法相比，不僅提高了回波信噪比，而且還增大了聲波的掃描與成像范圍。多波多分量勘探法主要應(yīng)用于地球物理勘探中，是一種聚焦接收處理方法。

本課題組針對(duì)固體中的縱波和橫波特點(diǎn)提出了多波聚焦的雙脈沖法[131]。目前的超聲相控陣只考慮了一種波型，因而換能器各陣元只發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)，通過控制各陣元信號(hào)的時(shí)延和幅度來實(shí)現(xiàn)聚焦。在固體介質(zhì)中，由于存在縱波和橫波兩種波型，如果換能器各陣元發(fā)射2個(gè)脈沖信號(hào)，使第1個(gè)脈沖產(chǎn)生的橫波和第2個(gè)脈沖產(chǎn)生的縱波同時(shí)到達(dá)目標(biāo)，那么就使縱波和橫波在焦點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了同時(shí)聚焦，即雙脈沖法的思路。當(dāng)然第1個(gè)脈沖產(chǎn)生的橫波和第2個(gè)脈沖產(chǎn)生的縱波將會(huì)在焦點(diǎn)周圍形成旁瓣。

雙脈沖法可以控制焦點(diǎn)處聲場的偏振方向。第1個(gè)脈沖產(chǎn)生的橫波S和第2個(gè)脈沖產(chǎn)生的縱波P同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)處(圖2)，它們的振動(dòng)方向相互垂直，合成新的質(zhì)點(diǎn)偏振方向M。焦點(diǎn)處的橫波幅度受第1個(gè)脈沖信號(hào)幅度影響較大，而縱波幅度受第2個(gè)脈沖影響較大。因而，可以通過控制雙脈沖法中兩個(gè)脈沖信號(hào)的幅度比使焦點(diǎn)處的質(zhì)點(diǎn)偏振方向沿任意方向。

圖2 聲場偏振方向示意圖

在接收聚焦中，也可實(shí)現(xiàn)多波聚焦。針對(duì)雙脈沖法，對(duì)換能器各陣元接收到的信號(hào)先按縱波時(shí)延進(jìn)行疊加得到信號(hào)1，然后再按橫波時(shí)延進(jìn)行疊加得到信號(hào)2，最后將這兩個(gè)信號(hào)1和2扣除縱波和橫波的時(shí)延差進(jìn)行相加，使信號(hào)1和2中的目標(biāo)信號(hào)同相相加，得到多波聚焦的成像信號(hào)。在實(shí)際操作中，不斷改變焦點(diǎn)位置并進(jìn)行多波的聚焦發(fā)射和聚焦接收，直到焦點(diǎn)覆蓋整個(gè)掃描區(qū)域，就完成了整個(gè)區(qū)域的多波聚焦與成像檢測。

采用表1所示的換能器參數(shù)以及將含有缺陷的試塊(圖3)作為被檢對(duì)象，試塊內(nèi)均勻地分布著13個(gè)直徑為2 mm的圓形通孔缺陷，分別采用縱波聚焦、橫波聚焦和多波聚焦得到了該試塊的成像結(jié)果[132]，見圖4。

表1 實(shí)驗(yàn)所用相控陣換能器參數(shù)

圖3 標(biāo)準(zhǔn)試塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 不同聚焦方法的扇掃成像圖

通過對(duì)比3種方法的成像結(jié)果可知，相比于單縱波扇掃成像多波扇掃聚焦成像結(jié)合了縱波和橫波各自的激發(fā)與傳播特性，有效提高了成像分辨率及掃描范圍。

雙脈沖法適用于介質(zhì)中只存在縱波和橫波的情況，在含有縱波、橫波和導(dǎo)波的情況下，可采用時(shí)間反轉(zhuǎn)法來實(shí)現(xiàn)多波聚焦。對(duì)于給定的焦點(diǎn)P，假設(shè)在焦點(diǎn)處放置一個(gè)給定的假想聲源激勵(lì)聲場，并計(jì)算得到換能器第i個(gè)陣元接收到的信號(hào)Ai(t)，將這個(gè)計(jì)算得到的信號(hào)時(shí)間反轉(zhuǎn)后(時(shí)間序列上反序)并加載到換能器對(duì)應(yīng)陣元上進(jìn)行激勵(lì)，按照時(shí)間反轉(zhuǎn)法的原理，這時(shí)聲場將自動(dòng)聚焦在焦點(diǎn)位置處，即縱波、橫波和導(dǎo)波都在焦點(diǎn)處聚焦，實(shí)現(xiàn)了多波聚焦。假想聲源是為了使換能器激發(fā)的聲場能在焦點(diǎn)處聚焦而假設(shè)的聲源，通過假想聲源可以得到換能器各陣元的激勵(lì)信號(hào)Ai(t)，在上述過程中，焦點(diǎn)處的假想聲源并不存在。

在此基礎(chǔ)上，本課題組還提出了一種多波全聚焦的成像方法[133-134]，該方法只需各陣元進(jìn)行一次激勵(lì)，換能器各陣元接收到含有縱波和橫波的缺陷回波信號(hào)。將換能器陣元i發(fā)射時(shí)，陣元j接收到的信號(hào)記為Sij(t)，首先將所有的Sij(t)按照縱波時(shí)延疊加得到時(shí)間信號(hào)SP(t)，然后再按照橫波時(shí)延疊加得到時(shí)間信號(hào)SS(t)，最后將SP(t)和SS(t)按照時(shí)間差(Δt)進(jìn)行延時(shí)疊加，得到總信號(hào)，即是焦點(diǎn)P處的成像信號(hào)，可以表示為

(7)

利用公式(7)可得到多波全聚焦的成像結(jié)果。采用圖3的定制試塊進(jìn)行成像檢測實(shí)驗(yàn)，該試塊的材料為20#碳鋼，實(shí)驗(yàn)所用的換能器參數(shù)如表1所示。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行全聚焦算法成像和多波全聚焦算法成像，結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種算法的缺陷檢測成像結(jié)果

多波全聚焦過程中計(jì)算兩次時(shí)間信號(hào)的疊加，成像時(shí)間約為單波全聚焦成像時(shí)間的2倍。但是，通過對(duì)比圖5a和圖5b可以看出，多波全聚焦成像檢測到的缺陷明顯優(yōu)于全聚焦算法成像。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度較小時(shí)，縱波檢測起主導(dǎo)作用；隨著偏轉(zhuǎn)角度的增大，橫波能量逐漸增加，多波全聚焦法得到的結(jié)果信噪比增加。多波全聚焦沒有發(fā)射聚焦過程，效果沒有多波聚焦效果好，但比單個(gè)波型的全聚焦效果好。由于全聚焦的技術(shù)優(yōu)勢，多波全聚焦將會(huì)得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

以上研究和分析表明，融合多種成像方法和結(jié)合多種類型信息成像已經(jīng)成為該領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢[135]，這也為超聲相控陣成像檢測提供了新的研究思路。

3 結(jié)語

超聲成像檢測技術(shù)作為一種常規(guī)的檢測方法，在無損檢測等眾多領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本文對(duì)超聲成像檢測方法在無損檢測領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展歷程進(jìn)行了綜述，歸納了6種超聲成像檢測方法的研究進(jìn)展，對(duì)比分析了這些成像檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場景，討論了超聲成像檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢，并指出融合多種成像方法和多信息成像將可能是今后超聲成像領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。