激光超聲的多模式合成孔徑聚焦成像仿真分析*

鐘 華 孫凱華 孫 銘 黃姝珂 周英平

(1 中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所 綿陽 621999)

(2 南京理工大學(xué)理學(xué)院 南京 210094)

(3 綿陽第一軍事代表室 綿陽 621900)

0 引言

激光超聲[1-2]可利用激光來激發(fā)和檢測(cè)超聲，具有寬頻帶、高分辨率、非接觸式激發(fā)和檢測(cè)、同時(shí)激發(fā)多種模式波等特點(diǎn)，可對(duì)具有復(fù)雜幾何外形的構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，并可用于有毒、高溫及輻射等惡劣環(huán)境中，是一種極具發(fā)展和應(yīng)用潛力的超聲檢測(cè)技術(shù)。

激光超聲可用于表面缺陷和內(nèi)部缺陷檢測(cè)，目前利用激光超聲表面波和蘭姆波來檢測(cè)表面或亞表面缺陷[3-4]的方法已具備較高的分辨率和檢測(cè)效率，并逐步從實(shí)驗(yàn)室研究走向工程應(yīng)用。但利用激光超聲體波檢測(cè)內(nèi)部缺陷時(shí)，還存在反射信號(hào)弱且信噪比較差的問題，為解決該問題，諸多研究人員對(duì)提高激光超聲檢測(cè)信號(hào)靈敏度和信噪比的方法進(jìn)行了研究。總的來說，可以從改善激發(fā)效率、提高探測(cè)靈敏度、后處理成像算法這3個(gè)方面入手。

改善激發(fā)效率可從改變激發(fā)模式(如增大激光能量[5]、添加約束層[6]等)以及對(duì)光源進(jìn)行時(shí)空調(diào)制[7-9]來實(shí)現(xiàn)。增大激發(fā)光能量雖然能增加激光激發(fā)超聲的幅值，但也會(huì)對(duì)材料表面產(chǎn)生損傷；添加約束層則會(huì)對(duì)材料表面產(chǎn)生污染。對(duì)光源進(jìn)行時(shí)空調(diào)制可以增加激發(fā)信號(hào)信噪比但同時(shí)也會(huì)增加實(shí)驗(yàn)裝置的復(fù)雜性和成本。探測(cè)靈敏度的提高可通過選擇合適的探測(cè)方法來實(shí)現(xiàn)。光學(xué)探測(cè)法可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸式探測(cè)，但其靈敏度較低且要求樣品表面光滑。因此有研究人員提出激光激發(fā)、非光學(xué)探測(cè)法[10]探測(cè)的耦合式激光超聲，雖然非光學(xué)探測(cè)方法靈敏度更高，但其需要接近(如電磁超聲換能器和空氣耦合式換能器)或接觸(如壓電換能器)樣品表面的使用要求會(huì)限制應(yīng)用場(chǎng)合。利用后處理成像算法來提高缺陷圖像的信噪比和分辨率也是一種有效的方式，如全聚焦[11-14]和合成孔徑聚焦成像技術(shù)(Synthetic aperture focusing technique,SAFT)[15-18]等。SAFT 與傳統(tǒng)激光超聲B 掃所需的數(shù)據(jù)量相同，但使用SAFT 處理后能得到信噪比和分辨率更好的圖像，從而更加直觀地顯示缺陷位置和尺寸等信息[18]。而全聚焦所需處理的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于SAFT，它雖然能獲得質(zhì)量更好的圖像，但檢測(cè)效率較低。因此，綜合考慮成像質(zhì)量和成像效率，本文選擇SAFT來提高圖像信噪比。

利用SAFT 對(duì)缺陷成像時(shí)，會(huì)存在其他模式波干擾而引起的偽像，以及因靈敏度分布不均導(dǎo)致的檢測(cè)盲區(qū)等問題。針對(duì)這些問題，Blouin等[18]將激光超聲與SAFT 相結(jié)合，使用激發(fā)探測(cè)同點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集方式在融蝕機(jī)制下實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)部缺陷的準(zhǔn)確成像；李俊燕等[15]在熱彈機(jī)制下，使用固定激發(fā)多點(diǎn)探測(cè)的SAFT 實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，但未考慮激光超聲的方向性；Stratoudaki 等[11]使用基于激光超聲的全聚焦算法對(duì)樣品內(nèi)部缺陷成像，考慮了激光激發(fā)超聲、測(cè)振儀檢測(cè)超聲的方向性，但未考慮缺陷反射超聲的方向性。

本文在此基礎(chǔ)之上，提出了一種基于激光超聲的多模式SAFT 組合成像方法，該成像方法是基于激光超聲和SAFT的，首先根據(jù)激光激發(fā)超聲、干涉儀檢測(cè)超聲和缺陷與超聲相互作用后的聲場(chǎng)分布，得到成像區(qū)域的聲場(chǎng)靈敏度圖，并綜合考慮聲場(chǎng)靈敏度和超聲波傳播特性(波速、幅值等)，使用不同模式的缺陷反射超聲波(如LL 波、SS 波等)來對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行組合成像，從而減少激光超聲成像中的盲區(qū)和偽像等問題。為驗(yàn)證該方法的可行性，建立了數(shù)值計(jì)算模型，利用仿真數(shù)據(jù)結(jié)合SAFT 實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品內(nèi)部缺陷的多模組合成像，仿真結(jié)果與理論基本一致，初步驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 基本原理

1.1 SAFT

SAFT 源于合成孔徑雷達(dá)，后被Erikson 等[19]用于超聲成像，是常見的超聲成像技術(shù)之一。其基本原理是將一系列單個(gè)小孔徑換能器結(jié)合起來代替一個(gè)大孔徑換能器，以達(dá)到提高檢測(cè)橫向分辨率的目的。傳統(tǒng)合成孔徑采用的數(shù)據(jù)采集方式為同點(diǎn)激發(fā)探測(cè)掃描[18]，其基本原理如圖1(a)所示，其中di0為從激發(fā)點(diǎn)到缺陷的距離，也是探測(cè)點(diǎn)與缺陷的距離，xi為掃描步長(zhǎng)。使用該方法需將超聲激發(fā)點(diǎn)和探測(cè)點(diǎn)重合，然后進(jìn)行掃描激發(fā)和探測(cè)，在激光超聲中，探測(cè)信號(hào)會(huì)受到激光輻照在樣品表面所引起的熱膨脹影響，給數(shù)據(jù)處理帶來困難。

采用激發(fā)探測(cè)分離的掃描激光線源法[15]便可避免上述問題，該方法的基本原理如圖1(b)所示，其中di1、di2分別為激發(fā)點(diǎn)和探測(cè)點(diǎn)到缺陷的距離。該方法需固定探測(cè)點(diǎn)，然后掃描激發(fā)點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，可有效避免熱膨脹的影響，還能保證探測(cè)信號(hào)的靈敏度。

圖1 數(shù)據(jù)采集方式原理圖Fig.1 Schematic of data collection methods

基于掃描激光線源法的合成孔徑基本原理可用式(1)表示：

其中，I(x,z)為聚焦點(diǎn)(x,z)處的幅值，N為激發(fā)源的掃描步數(shù)，v1、v2分別為所選模式波在樣品中的傳播速度，di1和di2分別為激發(fā)點(diǎn)和探測(cè)點(diǎn)與聚焦點(diǎn)之間的距離。當(dāng)聚焦點(diǎn)(x,z)為缺陷時(shí)，探測(cè)光在t=di1/v1+di2/v2時(shí)刻探測(cè)到的信號(hào)S(Mi,t)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)由缺陷反射引起的波峰，通過疊加可增強(qiáng)重建圖像中點(diǎn)(x,z)位置的幅值，其余無缺陷點(diǎn)的幅值則無明顯變化，與超聲B 掃結(jié)果相比實(shí)現(xiàn)了倍的信噪比提升，提高了缺陷圖像的對(duì)比度和橫向分辨率。

使用單模式波進(jìn)行SAFT 時(shí)，會(huì)遇到因其他模式波干擾引起的偽像以及由激光超聲方向性導(dǎo)致的檢測(cè)盲區(qū)等問題，為解決這些問題，本文提出了一種基于激光超聲的多模式SAFT 方法，下面將介紹多模組合方法以及模式選取的規(guī)則。

1.2 聲場(chǎng)靈敏度分布與多模組合成像

聲場(chǎng)靈敏度分布是多模組合成像中成像模式選取的重要依據(jù)之一，因此，首先介紹聲場(chǎng)靈敏度分布。利用激發(fā)探測(cè)分離的激光超聲體波對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，樣品內(nèi)部某一點(diǎn)(x,z)處的聲場(chǎng)靈敏度可用式(2)表示：

其中， 下標(biāo)m= S 或L 表示激發(fā)橫波或縱波，n= S 或L 表示探測(cè)橫波或縱波，N為掃描點(diǎn)個(gè)數(shù)，Emn(x,z)表示點(diǎn)(x,z)處的聲場(chǎng)靈敏度，θg表示該點(diǎn)與激發(fā)點(diǎn)法向的夾角，θd表示該點(diǎn)與探測(cè)點(diǎn)法向的夾角，Gm(θg)表示激光激發(fā)超聲波的方向性，Rmn(θi,θo)表示缺陷反射波的反射系數(shù)，其中θi和θo分別表示超聲波在缺陷表面的入射角和反射角，Dn(θd)表示干涉儀檢測(cè)超聲波的方向性。由式(2)可知，聲場(chǎng)靈敏度分布與激光激發(fā)超聲的方向性、干涉儀檢測(cè)超聲的方向性以及超聲波與缺陷作用后的聲場(chǎng)分布有關(guān)，聲場(chǎng)靈敏度幅值越大，則信號(hào)幅值越強(qiáng)。

激光激發(fā)超聲和干涉儀檢測(cè)超聲的方向性可用式(3)和式(4)表示：

其中，式(3)為熱彈機(jī)制下激光激發(fā)縱波和橫波振幅與角度的關(guān)系[2]，式(4)是由面外點(diǎn)載荷引起表面位移的縱波和橫波分量與角度的關(guān)系[11,20]，也可以用來描述探測(cè)方向性，下標(biāo)L、S 分別表示縱波和橫波，k為樣品中縱波和橫波的波速之比。

根據(jù)式(3)、式(4)，可畫出方向性圖，如圖2所示。

圖2 方向性圖Fig.2 Directivity pattern

缺陷反射的聲場(chǎng)分布也具有方向性。根據(jù)超聲波的傳播原理，當(dāng)超聲波以一定角度傳播到兩種材料的界面處時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和折射并產(chǎn)生新的波。界面入射示意圖如圖3 所示，假設(shè)樣品內(nèi)部有一圓形孔洞缺陷位于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域且缺陷尺寸遠(yuǎn)小于聲波傳播路徑的長(zhǎng)度，當(dāng)激發(fā)點(diǎn)、探測(cè)點(diǎn)和超聲波模式確定時(shí)，必有一超聲波從激發(fā)點(diǎn)G1入射到該圓形孔洞缺陷表面上一點(diǎn)H1并反射，且反射超聲波被探測(cè)點(diǎn)D1接收。

圖3 界面入射示意圖Fig.3 Schematic of interface incident

對(duì)于理想的固-氣結(jié)合面，若將質(zhì)點(diǎn)速度和應(yīng)力代入連續(xù)條件，可得反射和散射系數(shù)矩陣[21]如下：

式(5)中，Rf為反射和折射系數(shù)矩陣(與入射角、波速和頻率有關(guān))，它被定義為反射(折射)波與入射波的振幅之比，M是與反射角、折射角、波速和拉梅常數(shù)有關(guān)的矩陣，a是與入射角、反射角、波速和拉梅常數(shù)有關(guān)的矩陣。

對(duì)于橫波和縱波入射，M保持不變，均為式(6)：

其中，λ1和μ1為樣品材料的拉梅常數(shù)，αrL、αrS、βtL分別為反射縱波、反射橫波和折射縱波的角度，cL1和cS1分別為樣品中縱波和橫波的傳播速度。

對(duì)于橫波入射，有

其中，RSL、RSS分別為橫波反射縱波、橫波反射橫波的反射系數(shù)，DSL為橫波折射縱波的折射系數(shù)。

其中，αin為入射波的角度。

對(duì)于縱波入射，有

其中，RLL、RLS分別為縱波反射縱波、縱波反射橫波的反射系數(shù)，DLL為縱波折射縱波的折射系數(shù)。

若給定入射波模式、材料參數(shù)及超聲波傳播路徑，根據(jù)式(5)～(10)就可求得RSL、RSS、RLL、RLS，由此可畫出缺陷反射波的聲場(chǎng)分布圖，如圖4 所示。值得注意的是，圖4(d)中由于橫波轉(zhuǎn)縱波存在第三臨界角，當(dāng)反射角度大于第三臨界角時(shí)橫波會(huì)發(fā)生全反射，此時(shí)橫波反射縱波的幅值為0。

圖4 不同模式反射波反射系數(shù)圖Fig.4 Reflectivity coefficient image of different waves

將上述3 種方向性耦合，可得4 種模式波的聲場(chǎng)靈敏度圖，如圖5所示，圖中橫軸表示x坐標(biāo)，縱軸表示z坐標(biāo)，顏色表示幅值強(qiáng)弱，數(shù)值見右側(cè)圖例。

圖5 不同模式波成像靈敏度圖Fig.5 Sensitivity images of different waves

靈敏度圖是根據(jù)選定的激光超聲掃描方式進(jìn)行計(jì)算的。在該靈敏度圖中，激發(fā)點(diǎn)位于x=3 mm處，探測(cè)范圍從x=-5 mm 開始，在x= 5 mm 處結(jié)束，步長(zhǎng)為0.1 mm。由圖5可知，不同模態(tài)的超聲波具有不同的靈敏度分布，在相同顯示范圍下，SS波靈敏度優(yōu)于SL波，LL波靈敏度優(yōu)于LS波。在LL波和LS 波靈敏度圖中有一個(gè)線狀盲區(qū)，SL 波和SS波靈敏度圖中有3 個(gè)線狀盲區(qū)，這是由固定的激發(fā)光位置以及熱彈機(jī)制下激光激發(fā)超聲波的方向性引起的。

多模組合SAFT方法的具體成像過程如下：

(1)依據(jù)樣品尺寸和待測(cè)區(qū)域確定激光超聲的掃查方式(數(shù)據(jù)采集方式)與掃描路徑，并根據(jù)樣品材料確定超聲波的聲速。

(2)根據(jù)第一步中確定的掃查方式計(jì)算成像區(qū)域的聲場(chǎng)靈敏度圖(通過耦合激光激發(fā)超聲、干涉儀檢測(cè)超聲和缺陷反射超聲的聲場(chǎng)分布得到)。

(3)綜合考慮聲場(chǎng)靈敏度分布和不同模式超聲波的特性(如傳播速度、幅值等)，選定不同成像區(qū)域用于成像的超聲波模式，確定多模式組合成像的方案，超聲波模式的選擇是通過設(shè)定合成孔徑算法公式(式(1))中超聲波傳播速度v1和v2來實(shí)現(xiàn)的。

(4)使用第一步確定的掃查方式和路徑得到回波數(shù)據(jù)，并根據(jù)第三步選定的各區(qū)域成像的超聲波模式進(jìn)行多模組合SAFT成像。

2 數(shù)值計(jì)算研究

為對(duì)上述基于激光超聲的多模式SAFT 方法進(jìn)行驗(yàn)證，采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬?；跓釓椑碚?，描述激光超聲在各向同性材料中的熱彈耦合方程如下[2]：

其中，U和T分別表示材料位移矢量和溫升，κ為材料熱傳導(dǎo)系數(shù)，ρ為材料密度，c為比熱容，q為激光熱源，λ和μ為材料拉梅常數(shù)，α為材料熱膨脹率。

將激光能量在x方向上視作高斯分布，在y方向上視作均勻分布，由此可將三維問題簡(jiǎn)化為一維平面應(yīng)變問題。由于金屬材料的光吸收系數(shù)很大，可進(jìn)一步將激光熱源等效為邊界熱源，其函數(shù)q可用式(13)表示：

其中，I0為入射激光中心處的峰值功率密度，R為樣品的反射率，a0為激光束的半寬度，t0為激光脈沖寬度。

本研究使用的數(shù)值計(jì)算模型如圖6 所示，模型大小設(shè)置為10 mm×8 mm，z為缺陷上表面到樣品上表面的距離，采用“固定激發(fā)點(diǎn)，多點(diǎn)探測(cè)”的數(shù)據(jù)采集方式，將激發(fā)光固定在xG= 3 mm 處，探測(cè)范圍從xD0=-3 mm開始到xG=3 mm 結(jié)束，步長(zhǎng)為0.05 mm，xd為缺陷圓心的橫坐標(biāo)，d= 1 mm為圓形孔洞缺陷的直徑。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型示意圖Fig.6 Schematic of the numerical calculation model

本研究中共設(shè)置了9 個(gè)成像區(qū)域和9 個(gè)缺陷(側(cè)邊孔，直徑d=1 mm，一個(gè)樣品中只含有一個(gè)缺陷)，其具體信息如表1 及圖7(a)所示(為去除表面波引起的偽像，成像時(shí)不包括藍(lán)色矩形區(qū)域)，共需進(jìn)行9 次數(shù)值計(jì)算獲得9 個(gè)不同位置缺陷的回波數(shù)據(jù)用以成像。

表1 側(cè)邊孔缺陷參數(shù)Table 1 Parameters of side drilled holes

本研究所用樣品材料為鋁，其材料屬性如表2所示，激光源參數(shù)如表3 所示。在計(jì)算前，對(duì)數(shù)值計(jì)算過程進(jìn)行如下設(shè)置：

表2 鋁樣品材料屬性Table 2 Material properties of Al sample

表3 激發(fā)光參數(shù)Table 3 Parameters of excitation laser

(1)將數(shù)值計(jì)算模型的左、右、下邊界設(shè)置為低反射邊界，避免底面和兩側(cè)面反射波的干擾，可將模型視作半無限大平面。

(2)將上述“固定探測(cè)點(diǎn)掃描激發(fā)點(diǎn)的掃描激光線源法”改為“固定激發(fā)點(diǎn)，多點(diǎn)探測(cè)”，由于聲波的傳播路徑可逆，所以這兩種方法在一定程度上是等效的。采用“固定激發(fā)點(diǎn)，多點(diǎn)探測(cè)”的方法，可通過一次計(jì)算獲得一組完整信號(hào)，效率更高。

(3)數(shù)值計(jì)算時(shí)，最小網(wǎng)格尺寸(Le)和最小時(shí)間步長(zhǎng)(Δt)需滿足式(14)[2]，其中fmax為激光激發(fā)超聲波的最高頻率，λmin為激光激發(fā)超聲波的最小波長(zhǎng)，c為波速，可由λmin算得。激光激發(fā)區(qū)域和缺陷附近區(qū)域使用自由三角形網(wǎng)格，其余區(qū)域使用映射，如圖7(b)所示，最小網(wǎng)格尺寸均設(shè)置為3 μm，最大網(wǎng)格尺寸均設(shè)置為50 μm。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1 ns，總計(jì)算時(shí)間為8 μs。

圖7 示意圖Fig.7 Schematic diagram

3 結(jié)果與討論

圖8(a)和圖8(b)分別為含缺陷5 和不含缺陷5數(shù)值計(jì)算后所得的回波B 掃圖，橫軸為探測(cè)點(diǎn)位置，縱軸為傳播時(shí)間。圖中的d-L、d-R 分別表示直達(dá)掠面縱波和直達(dá)表面波，LL、LS、SL 和SS 分別表示缺陷反射縱波轉(zhuǎn)縱波、缺陷反射縱波轉(zhuǎn)橫波、缺陷反射橫波轉(zhuǎn)縱波、缺陷反射橫波轉(zhuǎn)橫波。從圖8(a)中能模糊看到LS、SL 和SS 波，而圖8(b)中不能看到缺陷反射信號(hào)。由于在兩次數(shù)值計(jì)算中，除是否包含缺陷外，其他參數(shù)完全相同，因此，將兩幅B掃圖相減便能得到清晰的4 種模式缺陷反射波，如圖8(c)所示。

從圖8(c)中缺陷反射回波的出現(xiàn)可判斷樣品內(nèi)部存在缺陷，但無法確定缺陷的位置。為獲取缺陷的更多信息并分析不同模式波對(duì)缺陷的成像效果，分別對(duì)缺陷D1～D9進(jìn)行了4 種模式波的SAFT重建，所得結(jié)果如圖9～圖12所示(圖中的藍(lán)色圓圈代表缺陷的位置和尺寸)。

圖8 B 掃圖Fig.8 B-scan images

圖9 缺陷D1～D9 LL 波重建圖Fig.9 SAFT images of defect D1-D9 using LL wave

圖10 缺陷D1～D9 LS 波重建圖Fig.10 SAFT images of defect D1-D9 using LS wave

圖11 缺陷D1～D9 SS 波重建圖Fig.11 SAFT images of defect D1-D9 using SS wave

圖12 缺陷D1～D9 SL 波重建圖Fig.12 SAFT images of defect D1-D9 using SL wave

據(jù)圖9～12 可知，不同模式波對(duì)不同位置分布缺陷有不同的成像效果。其中SS 波對(duì)缺陷D1～D9具有很好的成像效果，且偽像影響較小，這是因?yàn)榕c其他模式波相比，SS 波幅值最大，且靈敏度范圍最廣；LL 波可對(duì)缺陷D1、D2、D4、D5、D7、D8 成像，但由于其幅值較低、信噪比差，圖像中偽像幅值更高，嚴(yán)重影響了圖像的信噪比；LS 波可對(duì)缺陷D5、D6、D8、D9 成像，但質(zhì)量差，圖像中存在幅值更強(qiáng)的偽像；SL 波可對(duì)缺陷D4～D9 成像，但也有偽像干擾。此外，在缺陷D4～D6的SS波圖像中，缺陷上下表面都有圖像，其中缺陷上表面幅值較強(qiáng)的圖像是由缺陷反射波引起的，而缺陷下表面幅值較弱的圖像則是由缺陷衍射爬波形成的，根據(jù)缺陷上下表面圖像的距離，就能夠確定圓孔缺陷的位置和尺寸。

對(duì)缺陷D4 使用LL 波成像時(shí)，圖像中會(huì)出現(xiàn)缺陷的偽像(見圖13(b)中的黑色虛線框)，這是由于在對(duì)缺陷D4 使用LL 波進(jìn)行圖像重建時(shí)，偽像位置的疊加信號(hào)S(Mi,t)(t= 1,2,3,··· ,N)會(huì)取到缺陷反射SL 波的一部分，若將B 掃圖中的SL 波去除(如圖13(c)所示)再成像可得結(jié)果如圖13(d)所示，由此可證實(shí)缺陷D4 的LL 波SAFT 中的偽像是由SL波引起的，缺陷D4 的LL 波圖像中無SS波偽像是由于成像區(qū)域的限制(偽像位于成像區(qū)域外，在成像區(qū)域內(nèi)不顯示)。同理，缺陷D4 的SL 波圖像中的偽像是由SS 波引起的，對(duì)于缺陷D5、D6 的LL和SL波圖像中的偽像，理由同上。

圖13 缺陷D4 LL 波圖像偽像分析Fig.13 Analysis of fake image in SAFT images of defect D4 using LL wave

綜上，選擇SS波對(duì)缺陷D4～D9成像，而對(duì)于缺陷D1～D3，4 種模式波的圖像信噪比都不高，但由于LL波傳播時(shí)間最短且具有一定的幅值強(qiáng)度，在B掃圖中能與其他模式波區(qū)分開，可只截取B 掃圖中含LL 波的部分用于成像，因此，選用LL 波對(duì)缺陷D1～D3 成像。使用該模態(tài)組合的多模組合成像結(jié)果如圖14所示。

圖14 9 個(gè)缺陷的多模組合SAFTFig.14 Multi-mode combination SAFT images of nine defects

由圖14可知，該模式組合的多模組合SAFT方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同位置缺陷的高質(zhì)量成像，該方法能減少缺陷圖像的偽像、消除盲區(qū)，并提升缺陷的成像質(zhì)量。

為驗(yàn)證該多模組合成像方法的有效性，還對(duì)缺陷D1、D7、D9 同時(shí)存在的情形進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖15 所示，所得回波B 掃圖和多模組合SAFT圖像如圖16 所示。由圖15 可見超聲波與缺陷的相互作用，圖15(a)為激光激發(fā)縱波與缺陷D1 的相互作用，圖15(b)為激光激發(fā)橫波與缺陷D7、D9 的相互作用。由圖16(a)可知B 掃圖無法區(qū)分缺陷反射波也無法直觀地顯示缺陷位置，圖中標(biāo)出的超聲波是由圖16(b)反推得到的。經(jīng)過多模SAFT 組合成像處理后的圖像如圖16(b)所示，由此可得，多模組合成像方法可實(shí)現(xiàn)多缺陷的檢測(cè)，圖像中缺陷D9的幅值較弱，這是因?yàn)槿毕軩9 位于靈敏度較弱的區(qū)域。

圖15 仿真結(jié)果Fig.15 Simulation results

圖16 B 掃圖和多模組合SAFT 圖像Fig.16 B-scan image and multi-mode combination SAFT image

4 結(jié)論

本文提出了一種基于激光超聲的多模式SAFT方法來解決激光超聲體波檢測(cè)內(nèi)部缺陷時(shí)反射信號(hào)弱且信噪比較差的問題，并利用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了成像驗(yàn)證。根據(jù)選定的掃查方式，耦合激光激發(fā)超聲方向性、干涉儀探測(cè)超聲方向性、缺陷反射聲場(chǎng)分布方向性得到聲場(chǎng)靈敏度圖，并綜合考慮聲場(chǎng)靈敏度分布和超聲波傳播特性(速度、幅值等)，選取縱波反射縱波(LL波)對(duì)近表面缺陷(缺陷D1～D3)成像，選擇橫波反射橫波(SS 波)對(duì)近表層以下缺陷(缺陷D4～D9)成像。與傳統(tǒng)單模式成像相比，多模組合成像方法可實(shí)現(xiàn)偽像消除、盲區(qū)減小和成像質(zhì)量的提升。此外，還對(duì)缺陷D1、D7、D9同時(shí)存在的情況進(jìn)行了仿真并成像，成像效果與理論預(yù)測(cè)基本一致。但仿真成像未考慮實(shí)際使用時(shí)噪聲等其他因素的影響，后續(xù)將進(jìn)行多模組合成像方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，且目前的多模組合成像方法的區(qū)域劃分還較為粗糙，還需進(jìn)一步優(yōu)化以提升該成像方法的適用范圍。