激光超聲SAFT技術淺談
發布時間：2022/08/08
無損檢測技術，旨在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，結合多種技術對產品進行缺陷與材料參數的檢測。無損檢測是工業發展中必不可少的工具之一，不僅可對制造用原材料、各中間工藝環節、直至最終成品進行全程檢測，也可對工作中的設備進行檢測。其廣泛應用在工業生產中，可提高產品質量，降低生產過程中的現場事故率。
目前已有的五大無損檢測技術：渦流法、射線探傷法、磁粉檢測法、液體滲透法和超聲檢測法。渦流法主要通過測定檢測線圈阻抗的變化檢測材料有無缺陷，但是僅限于檢測導體材料。射線探傷法主要檢測材料的體缺陷，但是定量檢測精度低，且具有放射性。磁粉檢測法主要是使磁化的樣品吸附施加在表面的磁粉，根據形成的磁痕來進行判斷，多用于鐵制樣品。液體滲透法主要是使滲透液浸入樣品中，清洗之后涂抹顯像劑來顯示缺陷位置。然而磁粉檢測法和液體滲透法皆會對樣品表面造成污損。超聲檢測法主要是利用超聲波在傳播過程中遇到異質界面時產生的透射、反射和折射現象，對超聲信號進行分析與處理而提取出缺陷的特征。
近年來，在無損檢測領域快速崛起的超聲檢測技術，因其檢測范圍廣，穿透力強，靈敏度高的優勢，常用來對金屬、非金屬等復合材料的內部缺陷進行檢測。被測物體與物體中缺陷的聲學性質差異會對聲波傳播造成影響，根據反射回波所攜帶的信息便能推算出缺陷的位置和大小。對金屬制品內部與表面缺陷進行無損檢測可使用超聲進行檢測，但金屬制品往往不是形狀單一的塊狀、板狀結構，如高空中的電纜封鉛層、發動機增材制件、鐵路軌道上的鋼軌、渦輪機葉片等。傳統超聲檢測依賴耦合劑，需要超聲探頭與物體直接接觸，較難適用于檢測表面復雜的物體或者遠距離檢測。
激光超聲檢測技術
激光超聲檢測技術作為一種新型超聲檢測技術，可以實現固體材料內缺陷的高精度檢測。激光超聲檢測技術具有以下優點：激光與被檢測材料是非接觸式的，且可以實現遠距離激發和接收信號，激光激發的超聲頻帶寬，時間和空間分辨率高。不僅對材料損傷微小，而且突破了對細微結構檢測的難關，適合用于對復雜構件的檢測，并且能夠在高溫高壓輻射等惡劣環境下實現對材料的檢測。當強度受到調制的激光照射在固體材料表面上時，固體材料內部產生體波、聲表面波等多種模式的超聲波。通過研究在激光與固體材料相互作用后這些攜帶材料缺陷、參數信息的超聲信號，可以在無損檢測領域有更多的研究方向。
在金屬材料的加工制造過程中，諸多外部因素如壓力、溫度等都會導致材料的微小缺陷，并且在生產過程中不斷擴大，最終損害材料的性能，無法繼續使用，造成經濟損失。對于一些精密的金屬儀器和零件，需要高精度、非接觸式的檢測技術來實時檢測它們的缺陷。激光超聲檢測技術一般能檢測出金屬內部亞毫米量級的缺陷，為了實現裂紋的快速定位檢測，提高缺陷檢測精度，可借助一些信號處理的手段來提高檢測能力。
傳統的激光超聲技術一般只能檢測出金屬內部亞毫米量級的缺陷，當缺陷更小時，僅靠傳統激光超聲技術難以對其進行精準定位，此時可借助一些信號處理的手段以提高檢測能力。
激光超聲SAFT
合成孔徑聚焦技術(Synthetic Aperture Focusing Technology，SAFT)起源于合成孔徑雷達，后被應用到超聲檢測中，可大大改善成像質量。將SAFT應用于激光超聲無損檢測技術，可提高傳統激光超聲成像的分辨率和對比度激光超聲成像算法就是要有效利用接收到包含缺陷信息的信號，實現缺陷所處位置和幾何特征的再現。
合成孔徑聚焦技術 (Synthetic Aperture Focusing Technology, SAFT) 作為超聲成像領域的一項經典技術，其基本思想來源于 20 世紀 50 年代出現的合成孔徑雷達 (Synthetic Aperture Radar, SAR) 技術。SAFT 憑借不受近場區限制、高信噪比、高成像質量、在橫 向(/方位向)和縱向(/距離向)均具有較高的分辨率且分辨率只與超聲換能器尺寸有關而與距離無關等優點而備受矚目。相較于原B掃描圖像，SAFT能大大改善成像質量，因此廣泛應用于各個領域，如壓力容器、焊縫、混凝土、木材等。將SAFT技術應用到激光超聲檢測技術可以提高傳統激光超聲成像的分辨率，以及在圖像重建過程中，易干應用各種圖像處理技術以提高成像質量。
合成孔徑聚焦技術(SAFT)是傳統聲學領域中提高檢測分辨率的途徑之一，其基本原理是將一系列單個小孔徑傳感器結合起來代替一個大孔徑傳感器，以達到提高檢測橫向分辨率的目的。這項技術最早應用在雷達領域，Flaherty與Burckhardt等人于上世紀70年代將這項技術拓展到超聲檢測領域，以提高超聲分辨率。時域SAFT是基于時域上的延時疊加(DAS)思想。均勻各向同性材料內，可以認為聲波沿直線傳播，且聲速不變，那么聲波的傳播路徑可由幾何關系確定，從而確定回波到達時間。因為SAFT能結合多組回波信號成像，有效提高圖像分辨率，并且其掃查模式靈活，所以被廣泛應用于超聲成像技術中。
研究現狀
Johnson等人研究了不同參數對時域SAFT成像結果所造成的影響并減少了由有限合成孔徑引起的旁瓣偽像。Lockwood等提出了一種應用于稀疏周期陣列探頭的SAFT成像方法，通過使用不同的傳感器間距進行發射和接收，可以減少旁瓣的產生，并實現幀速率較高的成像。Karaman等人提出了一種基于合成孔徑和波束空間插值的超聲子孔徑處理方法，根據給定收發子孔徑組合的空間采樣準則，選擇了掃描圖像平面的波束線數，對兩個不同模型的實驗數據進行了測試后驗證了這種方法的高效性。
2018年，Varnosfaderani等人將合成孔徑方法與MV波束形成器相結合，應用于二次諧波超聲成像中。抑制了噪聲，在信噪比低的時候提高了MV波束形成器在諧波成像中的性能，同時提高了成像分辨率和對比度。Peyton等提出了一種用于B超成像的正交合成孔徑前端接收機，以應用于小規模成像。使用合成孔徑波束形成將系統復雜度、面積、功耗和成本最小化，從而僅使用單個信道以順序方式處理信號，與正交采樣相結合，進一步降低了計算量。Tsunoi等人利用SAFT解決了光聲信號中低頻成分引起的成像分辨率低的問題，并對離體和活體的大鼠皮下組織進行了成像。2019年Li等人考慮到皮質骨和軟組織中的聲速會發生顯著變化，將一個基于壓縮感測的三層速度模型應用于皮質骨骨折影響中，利用多基地合成孔徑技術抑制了偽像，并進行了體外實驗。
同時，國內眾多學者也對SAFT進行了研究。孫寶申等人于1993年詳細介紹了SAFT的基本理論及實現方法。2017年，陳玲等人將時域SAFT成像過程映射為正向畫圓弧的操作，提升了雙層介質物體的成像速率。趙夢林等人基于雙層介質的加模塊全聚焦算法，借鑒虛擬源波束序列合成思想改進了加楔塊多陣元SAFT模型。孫揚等實現了一種液浸環境和內掃查方式下的空心軸頻域SAFT超聲成像技術。2018年，羅嶸等人通過角譜運算對頻域內聲場進行重建，利用頻域SAFT實現了鋼制主軸內部缺陷的成像。2019年，王碩等人為解決超聲合成孔徑成像中非均勻介質和表面不平整引起的相位聚焦畸變，研究了一種基于信號相關性校正相位畸變的方法，對估計信號相位偏差量和對比超聲回波A掃間的相關性進行優化，建立了對應優化估計函數對信號進行相位校正。鄧惟心等人提出一種基于編碼激勵和相干系數的合成孔徑超聲成像算法，提高了圖像的軸向分辨率，抑制了圖像中的橫向旁瓣。
在1997年，Lorraine等人首次將SAFT技術應用到激光超聲領域，提高了激光超聲技術在檢測微小缺陷時的性能，其亞表面區域的工作能力可以與使用聚焦壓電傳感器的超聲相當;并采用類似于零偏移法的技術，同時移動激發光源和檢測光源,使二者重合于材料表面上的同一點,實現了對材料內部及表面缺陷的成像。此后Blouin以及Levesque等人利用SAFT技術提高激光超聲無損檢測的空間分辨率和信噪比，并探測出鋁塊表面毫米量級缺陷。到現在，該團隊一直都致力于研究SAFT激光超聲技術，提出了時域和頻域兩種算法，能探測到焊件中毫米量級的缺陷，以及金屬鋁材料中亞毫米量級的缺陷。Yamamoto等人結合SAFT技術，利用激光激發的超聲對厚度為150mm的管道樣品進行了實驗。Selim等人將激光超聲技術與傳統傳感器檢測技術相結合，在鉛板表面進行二維掃查，結合SAFT技術探測出埋深厘米量級，縱向尺寸毫米量級的圓柱形缺陷。李俊燕等提出了一種將激發光源與檢測光源分離的SAFT成像方法，使用移動的脈沖激光線源在樣品內激發超聲縱波，用激光測振儀在固定點探測，從鋼樣品中得到時域B掃信號，從時域信號中提取缺陷反射的縱波回波，對樣品內部缺陷進行成像。
總之，對工業生產中的金屬制品進行缺陷檢測可以采用超聲檢測，但金屬制品往往具有復雜結構，不是形狀單一的塊狀、板狀結構，難以提供傳統超聲檢測所需要的檢測窗口。且傳統超聲檢測依賴耦合劑，需要超聲探頭與物體直接接觸檢測形狀復雜的樣品具有一定局限性。在這種情況下，采用激光超聲檢測技術，并與成像算法結合，不僅可以實現對平面樣品的內部和表面缺陷檢測，還可以實現自由曲面缺陷檢測，SAFT激光超聲檢測在無損行業具有非常廣闊的應用前景。
