超聲成像檢測研究進展

張碧星，張 萍，閻守國，黃 娟

(1 中國科學院 聲學研究所 聲場聲信息國家重點實驗室，北京 100190；2 中國科學院大學， 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，超聲成像檢測技術取得了長足的發(fā)展，與其他成像方法相比，例如：電子計算機斷層掃描(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，因此被廣泛應用于工業(yè)無損檢測(nondestructive testing，NDT)[1-2]和醫(yī)學診斷[3]等領域。

在工業(yè)無損檢測中，對于各種設備材料，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。這些缺陷對設備材料的安全使用至關重要，不同類型的缺陷對材料的危害程度也有所不同[4]，故對設備材料及結(jié)構進行無損檢測和安全評估是一項非常重要的工作[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。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對超聲成像檢測的要求越來越高，希望觀察到更加細微的缺陷及其結(jié)構。本文針對工業(yè)無損檢測領域，對幾種重要的超聲成像檢測方法及其發(fā)展現(xiàn)狀進行回顧和總結(jié)，在此基礎上，對超聲多波成像檢測方法的研究和發(fā)展趨勢進行分析和展望。

1 基于自適應和動態(tài)聚焦的成像檢測

本節(jié)主要分析聲波時間反轉(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。聲波時間反轉(zhuǎn)法是一種自適應聚焦的成像方法，超聲相控陣、合成孔徑和全聚焦方法則屬于動態(tài)聚焦的成像檢測方法。

1.1 時間反轉(zhuǎn)成像

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

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

Fink研究組在聲波時間反轉(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時間反轉(zhuǎn)自適應聚焦進行了研究和論證[7-11]，而且還針對固體介質(zhì)[12]、分層介質(zhì)[13]、波導介質(zhì)[14]、非均勻介質(zhì)[15]等開展了大量的時間反轉(zhuǎn)理論和實驗研究，并將時間反轉(zhuǎn)法應用到航空航天用鈦合金材料檢測[16]和醫(yī)學上腎結(jié)石及膽結(jié)石粉碎[17]研究中。這些研究表明，時間反轉(zhuǎn)法在各種復雜介質(zhì)和結(jié)構中都能實現(xiàn)自適應聚焦，在不規(guī)則界面和強噪聲介質(zhì)中具有獨特的技術優(yōu)勢。之后，F(xiàn)ink研究組還發(fā)展了TR循環(huán)迭代方法[18]，可選擇具體目標信號進行TR循環(huán)迭代處理，使目標信號不斷聚焦和加強，而其他信號相對減弱，該方法在弱信號檢測中特別有效。并在此基礎上提出了DORT方法[19-20]，通過TR算子本征值和本征矢量，得到了與每個本征值對應的目標信號，將DORT方法和TR循環(huán)迭代相結(jié)合，就可對所有目標信號進行識別和檢測，實現(xiàn)了多目標的檢測與區(qū)分。

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

近年來，人們對TR法進行了不斷改進，如TR-MUSIC法[25]，該方法是基于多重信號分類(multiple signal classification, MUSIC)的TR算法，可得到散射體的超分辨率圖像，還可應用于對點散射體密度和相關參數(shù)的有效估計[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，實現(xiàn)超分辨成像，還可在強噪聲情況下，抑制偽影并得到穩(wěn)定的圖像[27]。另一個典型的改進是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，它可以補償衍射效應，從而進行復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與逆時偏移相結(jié)合可區(qū)分界面和界面附近的缺陷目標[29]。雖然近年關于TR研究的文獻較多，但大多都是將TR應用于具體介質(zhì)和目標對象的自適應聚焦與成像研究。

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

1.2 超聲相控陣成像

超聲相控陣技術是源于電磁波相控陣雷達技術的原理，超聲相控陣初期主要在醫(yī)學診斷和醫(yī)學治療[33]上使用，現(xiàn)在被廣泛應用于工業(yè)無損檢測中。

超聲相控陣由多個獨立的陣元組成換能器陣列，通過電子系統(tǒng)控制每個陣元發(fā)射信號的延時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，在不需要移動或少移動相控陣換能器探頭位置情況下，實現(xiàn)較大范圍的掃描與成像檢測。隨著聲束偏轉(zhuǎn)方向和焦點位置的不斷變化，聲束對介質(zhì)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全方位的掃查，這是聚焦發(fā)射過程。隨后對換能器各陣元接收到的信號根據(jù)焦點位置不同施加相應的時間延遲進行虛擬聚焦，以實現(xiàn)對相應聲束掃描區(qū)域的成像，這是聚焦接收過程。相對于傳統(tǒng)的單探頭換能器成像方法，超聲相控陣利用各陣元的靈活性對信號的聚焦發(fā)射和聚焦接收兩個過程均進行動態(tài)聚焦，從而可提高回波信號的信噪比和成像分辨率，并達到實時成像的效果。

隨著計算機技術的快速發(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，最近二三十年來在工業(yè)無損檢測領域得到了飛速發(fā)展。1992 年，美國通用電氣公司成功研制了數(shù)字式超聲相控陣實時成像系統(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備，以及相關的相控陣產(chǎn)品[35]，在超聲相控陣產(chǎn)業(yè)化應用方面占據(jù)領先地位。隨后，國內(nèi)外許多研究機構和公司在超聲相控陣研究上也取得了很大進步，相繼推出了越來越成熟的商業(yè)儀器和設備[36-37]。

對于外形復雜、具有不規(guī)則界面的被檢對象，傳統(tǒng)的超聲檢測非常困難，常常在遇到復雜界面時，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，因而在各種復雜情況下都取得了成功的應用，例如：在汽輪機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]、復合材料檢測[46]、井壁成像檢測[47-48]等應用領域，超聲相控陣技術發(fā)揮了極為重要的作用。

相對超聲相控陣的成功應用，超聲相控陣換能器輻射聲場的研究與分析相對較晚。陳啟敏等[49]對相控陣超聲換能器聲場進行了實驗分析；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，詳細分析了相控陣換能器參數(shù)對旁瓣和柵瓣的影響。對于環(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)的關系。對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套管井壁進行了成像研究，董晗[55]將柱面凹形相控陣探頭應用于井壁成像檢測系統(tǒng)，克服了常規(guī)技術中探頭旋轉(zhuǎn)帶來的困難。對于柱面凹形相控陣，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。對于二維相控陣列，Mckee等[59]對水浸狀態(tài)下具有雙曲面輪廓的試件進行三維成像研究，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旁瓣。對于柔性相控陣，Jocelyn等[61]和Casula等[62]研究了在不規(guī)則表面檢測時的聲聚焦過程，這些研究為復雜條件下超聲相控陣列探頭的設計提供了可靠的技術參數(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，相比于波動方程的精確求解能降低幾個數(shù)量級的計算量。Newberry等[65]將高斯函數(shù)展開法應用于圓形活塞聲源輻射聲場的計算；Spies等[66-67]利用多元高斯聲束模型計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一步模擬計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算基礎。

常規(guī)超聲相控陣成像檢測技術基于信號延時和幅度來控制聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)不同角度的實時掃描成像。但是為了確保成像實時性，超聲相控陣列發(fā)射聲束的數(shù)量和聚焦點數(shù)相對受限，導致檢測精度和分辨率相對一般，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60年代，F(xiàn)laherty等[72]在超聲成像領域提出了合成孔徑的概念。此后，合成孔徑聚焦技術(synthetic aperture focusing technique, SAFT)廣泛地應用于超聲檢測領域。相比于傳統(tǒng)聚焦技術，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基礎。

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，之后該陣列移動到另一位置再發(fā)射并接收回波信號，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[73]；最后，將不同位置處該陣列接收到的回波信號按照特定的時間延時和幅度規(guī)則進行疊加形成波束形成算法[74]，從而得到目標點的聚焦和成像信號。此過程相當于把小孔徑在不同位置的信號看為一個位置固定不動的大孔徑中不同陣元接收到的信號，是將一個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，國外學者主要對SAFT成像算法進行了多種改進，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展效應的影響，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；針對超聲成像的具體對象，將SAFT和其他方法相結(jié)合會取得更好的效果。Skjelvareid等[77]將合成孔徑聚焦與虛擬源相結(jié)合擴大了換能器的掃描范圍，可應用于管道表面的腐蝕檢測并獲得較高的橫向分辨率。針對工業(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，可對多種小缺陷進行檢測和定位；Castano等[79]研制出適用于SAFT檢測的水射流耦合系統(tǒng)，可應用于鋼軌的在線SAFT成像檢測;Lin等[80]進一步將SAFT應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確性。

國內(nèi)對超聲合成孔徑的研究相對落后。孫寶申等[81-83]較早研究了合成孔徑超聲成像及相關算法。近年來，國內(nèi)針對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導波成像檢測系統(tǒng)，并應用于鋼板的合成孔徑SH導波成像檢測。王東亞等[85]將FPGA應用于合成孔徑均勻采樣的波束合成算法，可實現(xiàn)SAFT的實時成像。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)這個原則進行了成像實驗，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應用于超聲衍射時差(time of fight diffraction, TOFD)檢測，有效降低了干擾衍射信號的影響。周正干等[88]將頻域合成孔徑聚焦技術和半波高法結(jié)合進行缺陷定量評價，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，將輪廓線轉(zhuǎn)換為云數(shù)據(jù)，并根據(jù)探頭移動方向與輪廓線的位置關系可以對物體實現(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成像區(qū)域內(nèi)的每個擬定焦點進行聚焦[93]。首先，利用超聲換能器陣列進行全矩陣數(shù)據(jù)采集，具體方法是第一個陣元發(fā)射激勵信號所有陣元接收反射回波；然后，第二個陣元發(fā)射激勵信號所有陣元接收回波；以此類推，所有陣元依次發(fā)射激勵信號然后所有陣元接收回波信號。對于特定的焦點，計算換能器所有陣元關于該點的時間延遲，再將全矩陣回波數(shù)據(jù)按照這個延時規(guī)則進行疊加得到關于該焦點的聚焦及成像信號，當這個特定焦點遍布掃描區(qū)域時，就得到了整個掃描區(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)的每一個虛擬焦點處聚焦，具有很高的檢測精度和信噪比。但是，TFM要求每個陣元依次發(fā)射所有陣元接收，存在巨大的數(shù)據(jù)處理和運算，對實時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，越來越實用。Wilcox和Holmes等[94-95]在TFM基礎上提出了向量全聚焦成像算法(vector total focusing method, VTFM)，實現(xiàn)了對缺陷類型和幾何特征的區(qū)分。考慮到固體中的波型轉(zhuǎn)換，Zhang等[96]和Budyn等[97]提出了對同一區(qū)域進行多方位多視圖的全聚焦方法(multi-view total focusing method, MTFM)，MTFM可對缺陷進行分類，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對表面裂紋的表征能力，通過數(shù)值計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與時間反轉(zhuǎn)及空間編碼相結(jié)合，提高了TFM在復合材料和粗晶等強噪聲材料中的檢測效果，較大程度地提高了信噪比。對于焊縫檢測，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用效果。

國內(nèi)研究者也對TFM成像方法展開了深入研究。周正干等[102]對TFM在楔塊中的能量衰減進行了校準，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)全聚焦成像時的稀疏矩陣算法，提高了傳統(tǒng)TFM的計算效率。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TFM成像進行幅值加權處理，發(fā)現(xiàn)相位加權的TFM成像效果明顯優(yōu)于常規(guī)TFM，在裂紋方向識別和長度測量上更加準確。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成功應用于奧氏體鋼小徑管的焊縫檢測，提高了信噪比，實現(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于超聲陣列的成像方法，能實現(xiàn)聲束可調(diào)，將各陣元信號按照一定的延時和幅度規(guī)則進行疊加處理。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]使用一種基于相關性的全聚焦方法，實現(xiàn)了超聲相控陣發(fā)射接收檢測數(shù)據(jù)的成像。這些研究對超聲成像技術的發(fā)展起到了推進作用，隨著電子硬件和軟件技術的發(fā)展，超聲陣列成像將朝著三維實時成像方向發(fā)展。

2 基于頻散導波和多波聚焦的成像檢測

本節(jié)主要分析寬帶頻散導波和多波的聚焦與成像。寬帶導波具有頻散效應，而多波是指介質(zhì)中存在縱波、橫波和導波等多種波型的傳播。寬帶頻散導波成像和多波成像具有獨特的技術優(yōu)勢，目前的研究還處在理論和實驗研究階段，有待進一步發(fā)展。

2.1 寬帶導波的聚焦與成像

寬帶導波聚焦是一個富有挑戰(zhàn)性的研究課題。目前，超聲導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用研究報道，但基本都局限于常速度或窄帶導波的聚焦與檢測，將導波的傳播速度作為常數(shù)來處理。然而，導波的頻散效應在實際檢測中不可避免，研究寬帶頻散導波的聚焦與成像具有重要的意義。

導波具有多模和頻散特性。針對導波多模的復雜性，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不同，因此單一模式的選擇與缺陷的識別存在矛盾。單一模式導波的選擇與控制，通常需要采用準單頻激發(fā)信號，而不是脈沖信號，還需要考慮分辨率與所需模式的特征等[112-118]。

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

近年來，本課題組一直致力于寬帶導波的聚焦與成像檢測研究。張碧星等[124]提出了寬帶導波相控陣的聚焦方法，實現(xiàn)了寬帶導波的聚焦與成像。首先，假定在介質(zhì)參數(shù)已知的前提下，對導波的激勵信號進行預處理，達到導波在預設焦點處聚焦的目的。在直角坐標系下，假設導波沿x方向傳播，聲源位于坐標系原點，則

(1)

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

(2)

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

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

(3)

則目標點x處的導波位移分量相應地由u(x,t)變?yōu)?/p>

(4)

由于對u(x,ω)取絕對值，不同模式不同頻率分量的導波都將同相到達目標點，從而實現(xiàn)聚焦。

顯然，還有多種聲源頻譜函數(shù)都能實現(xiàn)聚焦，下面給出了兩種不同頻譜函數(shù)和目標點導波位移形式：

(5)

(6)

公式(5)給出的就是時間反轉(zhuǎn)法的結(jié)果，可見在寬帶導波聚焦方法中，時間反轉(zhuǎn)法是有效方法之一。事實上，時間反轉(zhuǎn)法是一種自適應聚焦法，對于非導波情況都能實現(xiàn)聚焦。

以上方法表明，通過設計新的聲源激勵函數(shù)就能實現(xiàn)寬帶導波聚焦，不同聲源激勵函數(shù)聚焦的效果稍有不同。文獻[125]對這些方法進行了詳細研究和分析，結(jié)果表明由公式(3)和(4)給出的聚焦效果最好；時間反轉(zhuǎn)法雖然是一種很好的自適應聚焦方法，但對寬帶導波聚焦，在時間上的壓縮效果不如公式(3)。本課題組[126]還針對含低速夾層的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。在焦點處，各種頻率的導波同時到達，在時間上高度壓縮實現(xiàn)聚焦；而其他位置處，不同頻率的導波到達時刻不同，波形在時序上延展較長。

圖1 寬帶導波在分層半空間表面上聚焦聲場的瞬態(tài)分布

聚焦的導波信號遇到缺陷后會發(fā)生散射，導波散射后仍然會因為頻散效應造成散焦，因此在寬帶導波的聚焦接收與成像過程中需要對頻散效應進行補償。對于多模式的寬帶導波，本課題組提出了一種基于頻散補償?shù)娜毕荻ㄎ怀上袼惴╗127-128]，通過對蘭姆波回波信號進行聚焦接收處理實現(xiàn)了板中缺陷的檢測與成像。

頻散導波的聚焦與成像需要針對每個焦點計算每一陣元的發(fā)射信號，與普通超聲相控陣相比，計算量稍大；與聲波時間反轉(zhuǎn)成像的計算時間基本相同。

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)外聲學成像領域的重要發(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)換的聲波對目標散射系數(shù)矩陣進行分析與預測，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、橫波和導波等多種波型同時進行聚焦與成像，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。

本課題組針對固體中的縱波和橫波特點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)射一個脈沖信號，通過控制各陣元信號的時延和幅度來實現(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個脈沖信號，使第1個脈沖產(chǎn)生的橫波和第2個脈沖產(chǎn)生的縱波同時到達目標，那么就使縱波和橫波在焦點處實現(xiàn)了同時聚焦，即雙脈沖法的思路。當然第1個脈沖產(chǎn)生的橫波和第2個脈沖產(chǎn)生的縱波將會在焦點周圍形成旁瓣。

雙脈沖法可以控制焦點處聲場的偏振方向。第1個脈沖產(chǎn)生的橫波S和第2個脈沖產(chǎn)生的縱波P同時到達焦點處(圖2)，它們的振動方向相互垂直，合成新的質(zhì)點偏振方向M。焦點處的橫波幅度受第1個脈沖信號幅度影響較大，而縱波幅度受第2個脈沖影響較大。因而，可以通過控制雙脈沖法中兩個脈沖信號的幅度比使焦點處的質(zhì)點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，也可實現(xiàn)多波聚焦。針對雙脈沖法，對換能器各陣元接收到的信號先按縱波時延進行疊加得到信號1，然后再按橫波時延進行疊加得到信號2，最后將這兩個信號1和2扣除縱波和橫波的時延差進行相加，使信號1和2中的目標信號同相相加，得到多波聚焦的成像信號。在實際操作中，不斷改變焦點位置并進行多波的聚焦發(fā)射和聚焦接收，直到焦點覆蓋整個掃描區(qū)域，就完成了整個區(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)作為被檢對象，試塊內(nèi)均勻地分布著13個直徑為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 實驗所用相控陣換能器參數(shù)

圖3 標準試塊結(jié)構示意圖

圖4 不同聚焦方法的扇掃成像圖

通過對比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、橫波和導波的情況下，可采用時間反轉(zhuǎn)法來實現(xiàn)多波聚焦。對于給定的焦點P，假設在焦點處放置一個給定的假想聲源激勵聲場，并計算得到換能器第i個陣元接收到的信號Ai(t)，將這個計算得到的信號時間反轉(zhuǎn)后(時間序列上反序)并加載到換能器對應陣元上進行激勵，按照時間反轉(zhuǎn)法的原理，這時聲場將自動聚焦在焦點位置處，即縱波、橫波和導波都在焦點處聚焦，實現(xiàn)了多波聚焦。假想聲源是為了使換能器激發(fā)的聲場能在焦點處聚焦而假設的聲源，通過假想聲源可以得到換能器各陣元的激勵信號Ai(t)，在上述過程中，焦點處的假想聲源并不存在。

在此基礎上，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行一次激勵，換能器各陣元接收到含有縱波和橫波的缺陷回波信號。將換能器陣元i發(fā)射時，陣元j接收到的信號記為Sij(t)，首先將所有的Sij(t)按照縱波時延疊加得到時間信號SP(t)，然后再按照橫波時延疊加得到時間信號SS(t)，最后將SP(t)和SS(t)按照時間差(Δt)進行延時疊加，得到總信號，即是焦點P處的成像信號，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的定制試塊進行成像檢測實驗，該試塊的材料為20#碳鋼，實驗所用的換能器參數(shù)如表1所示。對實驗數(shù)據(jù)分別進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算兩次時間信號的疊加，成像時間約為單波全聚焦成像時間的2倍。但是，通過對比圖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。當偏轉(zhuǎn)角度較小時，縱波檢測起主導作用；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，但比單個波型的全聚焦效果好。由于全聚焦的技術優(yōu)勢，多波全聚焦將會得到進一步的應用。

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

超聲成像檢測技術作為一種常規(guī)的檢測方法，在無損檢測等眾多領域中發(fā)揮著至關重要的作用。本文對超聲成像檢測方法在無損檢測領域內(nèi)的發(fā)展歷程進行了綜述，歸納了6種超聲成像檢測方法的研究進展，對比分析了這些成像檢測方法的優(yōu)缺點及應用場景，討論了超聲成像檢測技術的發(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域的重要發(fā)展方向。