張 侃，楊 力，王學權，許貴平，孫大朋，羅建東，張 旻

(中國核動力研究設計院 反應堆燃料與材料重點實驗室，成都 610041)

超聲相控陣技術的發(fā)展及其在核工程無損檢測中的應用

張 侃，楊 力，王學權，許貴平，孫大朋，羅建東，張 旻

(中國核動力研究設計院 反應堆燃料與材料重點實驗室，成都 610041)

論述了國內外在超聲相控陣技術方面的研究進展，重點總結了近年來超聲相控陣關鍵技術的研究成果。并結合工程實例，介紹了超聲相控陣技術在核工程無損檢測中的應用，對超聲相控陣技術未來的發(fā)展趨勢進行了展望并指出了其新的發(fā)展機遇。

超聲相控陣；無損檢測；發(fā)展趨勢；工程應用

超聲相控陣技術的基本思想起源于電磁波相控陣雷達，于20世紀80年代開始被應用于工業(yè)無損檢測中[1]。與傳統(tǒng)超聲檢測技術相比，超聲相控陣技術在缺陷檢出率、定量準確度和檢測效率方面均具有顯著優(yōu)越性，同時具有焦點控制靈活和圖像顯示直觀的特點，也促進了超聲相控陣技術的應用和發(fā)展。近年來，隨著計算機、圖像處理、壓電復合材料開發(fā)等高新技術的迅猛發(fā)展，超聲相控陣檢測技術獲得了進一步的融合創(chuàng)新。

筆者在介紹超聲相控陣技術檢測原理和特點的基礎上，綜述了近年來先進超聲相控陣技術的國內外研究現狀，并以工程應用為例，重點介紹了超聲相控陣在解決核工程無損檢測問題中的應用進展，最后探討了其未來的發(fā)展趨勢與面臨的新的發(fā)展機遇。

1 基本原理及特點

常規(guī)超聲檢測多采用單晶探頭，超聲聲束以一定發(fā)射角沿聲束軸線傳播。與此不同的是，超聲相控陣檢測的核心技術是基于惠更斯原理的相位控制。相控陣探頭由多個相互獨立的壓電晶片按照一定形狀排列而成，每個晶片均可視為超聲波源，通過電子系統(tǒng)控制各個陣元，按一定延遲時間激發(fā)各個陣元，各個陣元的波陣面相互疊加，形成一個新的波陣面，可達到改變聚焦特性、聲束偏轉、聲束位移等相控效果[2]。

與常規(guī)超聲相比，超聲相控陣具有如下優(yōu)勢：① 掃查覆蓋范圍大、檢測速度快、效率高等；② 檢測結果直觀、可實時顯示，且結果可保存；③ 聚焦區(qū)域的聲場強度遠大于常規(guī)超聲；④ 缺陷定位、定量誤差小，檢測靈敏度高等。

2 關鍵技術

為適應多種條件下的檢測需求，國內外學者對超聲相控陣的技術特點進行了發(fā)展和創(chuàng)新，為超聲相控陣技術的工業(yè)應用提供了極大的技術支持。下面將對幾項超聲相控陣研究的關鍵技術及其最新研究成果進行概述。

2.1 超聲成像技術

如前所述，超聲相控陣可以利用計算機控制各晶片的激發(fā)狀態(tài)，調整孔徑數據的采集方式。將該功能與信號處理算法相結合，可通過延時疊加(DAS)圖像重建手段，獲得具有更高信噪比的超聲檢測圖像[3]。

全聚焦方法(TFM)是一種依賴于全矩陣捕捉(FMC) 孔徑數據采集技術的先進DAS技術，由HOLMES等[4]于2005年提出。研究表明，TFM技術可大幅提高缺陷回波的信噪比和分辨率。然而，通用的TFM算法會因特定工件的結構型面或材料特性而產生不同的檢測問題。針對特定檢測問題，研究學者將其他算法與TFM技術相結合，使超聲成像質量得到了進一步的提高。ROBERT等[5]提出了一種實時自適應全聚焦成像方法(ATFM)，該方法基于輪廓提取算法和聚焦法則自動計算算法，并建立了檢測方案，在獲取高質量檢測圖像的同時大幅降低了運算時間。HARVEY等[6]將時間反轉法(TR)與TFM相結合，提高了TFM在非均勻介質中的聚焦效果。對比78 mm壁厚主管道焊縫中φ3 mm側邊鉆孔TR聚焦前后的TFM圖像可知，相比于原始TFM圖像，經過時間反轉處理后的缺陷回波的聲能得到了進一步的集中。CAMACHO等[7]提出了一種基于相控陣技術的相位相干成像(PCI)技術，根據缺陷與噪聲相位分布的聚集程度，提出了三種權重因子，試驗結果表明，權重因子與原始信號相乘之后，信噪比有了很好的提升。DEUTSCH等[8]將超聲波型轉換與全聚焦方法相結合，實現了薄壁件的高精度成像檢測，解決了傳統(tǒng)多探頭串聯(lián)可操作性差的問題。HARRICH等[9]提出了一種正弦激勵信號與組合延遲法則相結合的超聲相控陣快速掃描技術(FAAST)，該技術根據不同檢測需求采取合理的聚焦法則，同時計算出各陣元正弦激勵信號的調制模式，進而完成對被檢工件的掃描，顯著提高了檢測效率。

相控陣3D成像技術也是現今的一個研究熱點。KITAZAWA等[10]利用先進的3D聚焦超聲相控陣系統(tǒng)進行數據采集，獲得高20 mm，直徑1 mm和2 mm平底孔缺陷的數據，并結合3D-CAD模型實現了直觀的三維重塑圖像。研究團隊同時將該技術應用于應力腐蝕裂紋的無損檢測中，結果表明，缺陷計算深度同實際缺陷深度吻合度較高。張昊等[11]采用斷層掃描和全矩陣捕捉的方法獲取了成像數據，并基于體素插值還原出了三維圖像，此外，該團隊針對三維圖像還原時計算量龐大的問題，提出了一種加速算法，大大縮短了計算時間。HAN等[12]基于一維線性陣列探頭獲取超聲數據，并通過傅里葉變換(FFT)在頻域進行3D合成，再通過傅里葉逆變換在時域中利用DAS方法合成了3D成像。美國ZETEC公司開發(fā)的Ultravision軟件可將掃查圖像嵌入到CAD工件模型中，實現了三維實時可視化掃查，該技術已在工業(yè)檢測中廣泛應用[13]。

2.2 建模仿真技術

在超聲相控陣檢測中，聲場特性直接關系到被檢區(qū)域的聲束可達性和能量覆蓋的有效性。由于超聲相控陣的聲場建模仿真是開發(fā)及優(yōu)化相控陣換能器和制定檢測工藝的基礎，因此一直是超聲相控陣研究的熱點問題。多種聲場模型被用于超聲相控陣的建模仿真，最常見的主要有有限元法、有限差分法、瑞利積分法和多元高斯法等[14]。

KIM等[15]建立了各向異性的異種金屬焊縫(DMW)模型，并基于有限元方法(FEM)模擬研究了相控陣兩種不同聚焦法則和采用時間反轉法下的超聲聚焦特性，研究表明，對于DMW的檢測，時間反轉法可獲得更好的聚焦效果。DELRUE等[16]同樣采用有限元方法驗證了時間反轉聚焦法對于檢測各向異性材料的優(yōu)越性。VAN等[17]通過對粗晶材料的超聲散射聲場的有限元模擬，采用發(fā)射接收分離式的相控陣列探頭，可以有效減小晶粒散射噪聲。XU等[18]采用時域有限差分法(FDTD)模擬了一維相控陣超聲在L型多層碳纖維復合材料(CFRP)板中的傳播，據此優(yōu)化了檢測參數，并實現了缺陷的精確定量和成像。XIE等[19]將FEM和FDTD方法同時應用于電磁超聲相控陣聲場特性的模擬計算中，并通過試驗驗證了模擬結果的準確性，其中FEM用于計算洛倫茲力，FDTD用于計算超聲傳播行為。WANG等[20]通過建立Fourier(解析法)和Filon(數值法)兩種二維分析模型，有效描述了不同偏轉角度下超聲波在相控陣探頭聲光偏轉器(AOD)介質中的分布情況，并與非近軸多元高斯聲束(NMGB)模型仿真結果進行了對比，兩者結果顯示了高度的一致性。HAMIDI[21]基于惠更斯原理和瑞利索末菲衍射積分法，建立了雙層介質超聲相控陣檢測模型，并利用該模型開發(fā)了一種稀疏信號重建方法，結果顯示，該方法可大幅降低缺陷定位方均根誤差，并提高了信噪比。

在仿真軟件方面，不少研究機構和公司進行了大量的研究工作。已開發(fā)出的較為成熟的仿真軟件有法國原子能委員會(CEA)開發(fā)的 CIVA[22]，瑞典無損檢測模擬中心開發(fā)的 SimSUNDT[23]，比利時FFT公司開發(fā)的ACTRAN[24]，美國ZETEC公司開發(fā)的UltraVision[25]，美國CyberLogic公司開發(fā)的WAVE 2000/3000[26]，瑞典COMSOL公司開發(fā)的COMSOL Multiphysics[27]，加拿大UTEX公司開發(fā)的Image3D[28]以及丹麥工學院開發(fā)的fieldⅡ[29]等。這些仿真軟件在發(fā)射聲場仿真、回波相應聲場仿真、數據分析和驗證等方面得到了廣泛應用，為聲場特性分析、換能器設計和工藝優(yōu)化等提供了極大的便利。

2.3 先進檢測系統(tǒng)研制

國內外學者在超聲相控陣檢測系統(tǒng)研制方面進行了大量工作，包括換能器的研制和硬件開發(fā)。

在換能器研制方面，DEVOS等[30]研制出了一種針對新一代核電站大型轉軸檢測的半柔性矩陣陣列超聲換能器，同時設計了控制和分析軟件，提高了檢測可靠性和定量準確度。WALTER等[31]基于PMN-PT復合材料研制出一種新型超聲相控陣換能器，相比于PZT相控陣換能器，具有更寬的頻帶范圍和更高的靈敏度。同樣地，WONG等[32]基于PMN-PT單晶研制出20 MHz，64陣元的高頻率寬頻帶超聲相控陣換能器，大大提高了檢測靈敏度和分辨力。YUE等[33]研制了一種基于Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)單晶的超帶寬高頻相控陣換能器，其-6 dB帶寬可達127.7%，顯著提高了探頭的靈敏度。NAKAHATA等[34]研制了一種用于不規(guī)則表面材料缺陷檢測的柔性相控陣換能器，該換能器采用1-3型壓電復合材料覆蓋氯丁橡膠制造而成；同時為了克服柔性探頭窄帶寬的缺點，該團隊提出了一種數值變跡方法，較好地抑制了旁瓣，并結合TFM法進一步提高了檢測分辨力。LARCHE等[35]針對鈉冷反應堆的高溫、腐蝕性等特點，研制了一種雙探頭10×3的面陣TRL探頭，該探頭可實現在260℃液體鈉中的檢測。

在硬件開發(fā)方面，SCHMITTE等[36]研制了一種針對大型復雜構件的自動超聲相控陣檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可支持13個相控陣探頭從不同方向進行扇形掃查，同時系統(tǒng)內置TFM算法，并采用GPU技術提高了圖像重構速度。GOVINDAN等[37]研制了一種可重構可編程的超聲相控陣檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)內置多種超聲信號處理程序，支持8個相控陣探頭同時進行掃查，且可進行高速3D實時數據壓縮，壓縮率達98.7%。GROTENHUIS等[38]研制了一種內置全矩陣捕捉功能的超聲相控陣檢測儀器，并經過6 a的改良，使其不僅適用于碳鋼檢測，也適用于如304L、318L等各向異性材料的檢測，同時該系統(tǒng)可實現幾何三維成像。SANTOS-VILLALOBOS等[39]開發(fā)了一種基于模型迭代重建算法的超聲相控陣系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于地熱儲層近井區(qū)域的原位健康檢測和成分表征。

2.4 缺陷識別技術 缺陷識別是無損檢測的重點，也是難點，缺陷識別主要包括缺陷定量和定性兩方面。由于超聲相控陣聲場的新特點，傳統(tǒng)的缺陷識別方法不能完全滿足檢測要求，為此，國內外學者開展了大量研究工作。

在缺陷定量方面，MIHARA等[40]提出了一種改進的次諧波超聲相控陣裂紋評價方法，該團隊將高電壓變壓器與低耗脈沖發(fā)生器相結合，有效提高了裂紋尖端衍射波的信噪比和裂紋高度的定量精度。CUNNINGHAM等提出了一種基于基爾霍夫散射近似和托普利茲矩陣近似的超聲相控陣裂紋定量方法，該方法對與波長相當甚至小于波長尺寸的微小裂紋定量尤為有效，可定量尺寸為0.6～1.8 mm的裂紋，且定量誤差小于12%。TANT等[41]提出了一種應用數學模型的超聲相控陣定量方法，利用Born近似給出了裂紋長度的解析表達式，并結合多頻平均的方法對奧氏體不銹鋼焊縫中6 mm側壁未熔合缺陷進行了定量，定量偏差為0.4 mm。OBERD?RFER[42]提出了一種用于超聲相控陣缺陷定量的DAC(距離-波幅)曲線簡化計算方法，該方法考慮了延遲法則、近場長度和增益值等因素，大大簡化了超聲相控陣DAC曲線的計算難度。

在缺陷定性方面，LI等[43]針對風力發(fā)電機葉片中的多種類型缺陷，通過建立典型缺陷的物理模型，并與實際檢驗結果對比發(fā)現，利用聲強反射系數可以實現缺陷類型的識別。BAI等[44]提出了一種基于散射矩陣的缺陷類型識別方法，該團隊將缺陷定性視為一種模式分類問題，通過主分量分析法進行缺陷特征提取，然后利用窮舉搜索獲得代表性主分量子集，將其輸入模式分類器，即可實現面積型和體積型缺陷的區(qū)分，準確率達95.79%。LIU等分析了電阻點焊中缺陷回波的時域、頻域以及小波變換后的時頻特征，提出了一種基于BP神經網絡的缺陷識別方法，該方法可以實現智能識別電阻點焊焊縫中的缺陷類型，識別準確度達96%。還有研究學者基于遺傳算法[45]、經驗模態(tài)分解[46]等手段實現了缺陷的分類識別。

3 在核工程無損檢測中的應用

核工程構件種類多，結構復雜，且安全性要求高，采用超聲相控陣技術可有效擴大檢測范圍，保證檢測的可靠性，提高檢測效率。超聲相控陣技術在核工程無損檢測中的應用已取得了良好的經濟和社會效益，下面就國內外最新的應用實例進行概述。

西班牙CASTILLO等[47]提出一種診斷核電止回閥的新型超聲檢測技術，同時該技術也被應用到牽引閥上。該技術設計了基于脈沖回波式的超聲相控陣換能器，換能器與閥體表面直接接觸，根據被檢閥的實際尺寸，通過改變聚焦法則使扇掃聲束覆蓋待檢閥體。該課題組建立了VITER-2.0 + FPA-128M系統(tǒng)，其中VITER-2.0包括加速計、磁性傳感器和位移傳感器等，FPA-128M為超聲相控陣檢測模塊。利用該系統(tǒng)可實現閥體等內部構件的實時定位診斷。德國SCHMITTE等[48]開發(fā)了一種用于核廢料儲存罐的快速自動檢測的大型超聲相控陣檢測設備。該設備利用7臺128通道超聲相控陣檢測儀同時控制13個換能器，采用多種聚焦法則進行扇形掃描，利用門式掃描機構帶動換能器，在儲存罐表面做軸向運動，同時旋轉機構帶動儲存罐做周向旋轉運動，以此完成核廢料儲存罐的整體、快速、高效地自動掃描。法國DOBIGNY等[49]開發(fā)了一種針對核設施大型復雜形狀構件的自動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)設計了柔性超聲相控陣換能器和機械手，以適應復雜型面的變化，實現了構件內外側缺陷的良好檢測。中國林莉等[50]在國內首次將超聲相控陣技術應用于核工程奧氏體不銹鋼焊縫的檢查中，針對各向異性材料導致的超聲聲束偏移和畸變問題，提出了超聲相控陣相位修正等技術，該技術已在福清3#、4#、陽江2#機組的主回路管道中成功應用，大大提高了檢測精度和檢測效率。美國JENSEN等[51]開發(fā)了一種可拆卸的檢測工具，可連接4個相控陣探頭和2個渦流探頭，該技術成功實現了從內壁檢測蒸汽發(fā)生器進出口噴嘴的異種金屬焊縫，且在美國屬首例。芬蘭KOSKINEN等[52]采用TRS和TRL相控陣技術結合數字X射線斷層攝影技術，有效提高了在役裂紋的檢測可靠性。韓國YOON等[53]設計了專用超聲相控陣掃查系統(tǒng)，以防止蒸汽發(fā)生器排水泵承插焊縫失效導致冷卻劑泄露，該系統(tǒng)不僅提高了檢測可靠性，同時節(jié)省了檢測時間。

4 未來發(fā)展新機遇

在世界“工業(yè)4.0”等[54]新工業(yè)革命背景的推動下，我國制造業(yè)戰(zhàn)略升級，推出了“中國制造2025”戰(zhàn)略計劃[55-57]。在此背景下，也對無損檢測相關技術提出了更高的要求。2015年全國無損檢測協(xié)會組織全行業(yè)制定了《中國無損檢測2025技術發(fā)展路線圖》，為我國無損檢測的健康發(fā)展和盡早整體達到國際先進水平打下堅實基礎，并指明了發(fā)展道路。對于超聲相控陣這一時下炙手可熱的無損檢測新技術而言，既是機遇也是挑戰(zhàn)。為了滿足工業(yè)裝備智能化、高質量制造和高可靠性應用的檢測需求，我國超聲相控陣技術應向著如下方面發(fā)展：

(1) 自動化、智能化檢測系統(tǒng)

自動化、智能化檢測已成為無損檢測技術的重要發(fā)展方向。由于超聲相控陣技術的參數眾多、算法復雜，無法采用通用參數和算法適應所有檢測條件。針對上述問題，需要開發(fā)自動化、智能化的檢測系統(tǒng)，建立智能化識別算法，實現超聲相控陣檢測參量設置、激勵控制、探測控制、掃描成像控制、數據管理和檢測結果分析與評定過程的全自動化。

(2) 自主創(chuàng)新

超聲相控陣技術的工業(yè)應用已有十余年，但我國對于關鍵器件和高端設備仍主要依賴進口，核心算法的開發(fā)和創(chuàng)新也相對滯后。自主知識產權的缺失嚴重限制了超聲相控陣技術的發(fā)展。同時，國外進口設備和技術價格高昂。這些問題都迫切需要通過自主創(chuàng)新解決，只有掌握核心技術，才能不受制于人，才能進一步推動超聲相控陣技術向自動化、智能化方向發(fā)展。

(3) 標準及規(guī)范

另一阻礙我國超聲相控陣技術應用和發(fā)展的重要因素是相關標準和規(guī)范的不完善。國外正在加快完善超聲相控陣標準的步伐，包括ASME、RCCM、ISO和EN等，對相控陣儀器性能測試、方法評定、驗收準測等方面均做出了規(guī)定，而國內目前尚無相控陣技術相關的工藝標準。因此，需要盡快建立超聲相控陣國家標準以及各行業(yè)內的工藝規(guī)范。

(4) 人員培訓

無損檢測實施的關鍵在于人，檢測人員的職業(yè)技能水平直接關系到無損檢測結果的可靠性。然而現階段我國掌握超聲相控陣技術的人員數量少，技術培訓體系尚不完善。在超聲相控陣如火如荼的工業(yè)應用環(huán)境下，建立健全的相關人員培訓體系應成為一個重要的考慮方向。

5 結語

隨著超聲成像技術、建模仿真技術、先進系統(tǒng)研制以及缺陷識別技術等關鍵技術的系列研究進展，超聲相控陣檢測技術已成為工業(yè)無損檢測的重要手段之一，并具有廣闊的發(fā)展前景。在“中國制造2025”的戰(zhàn)略背景下，我國超聲相控陣檢測技術又迎來了新的發(fā)展機遇，將逐步滿足工業(yè)裝備智能化、高質量制造和高可靠性應用的檢測需求，促進無損檢測與評價的應用和發(fā)展。

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Development of Ultrasonic Phased Array Technology and Applications inNondestructive Testing of Nuclear Engineering

ZHANG Kan, YANG Li, WANG Xuequan, XU Guiping, SUN Dapeng, LUO Jiandong, ZHANG Min

(Key Laboratory for Reactor Fuel and Materials, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China)

The development of ultrasonic phased array technology at home and abroad is reviewed. The achievements of ultrasonic phased array key technology in recent years are mainly summarized. Combined with engineering examples, the applications of ultrasonic phased array in nondestructive testing of nuclear engineering are introduced. Besides, the future development trend and new opportunities of ultrasonic phased array are pointed out.

ultrasonic phased array; nondestructive testing; development trend; engineering application

2017-02-07

張 侃(1991-)，男，碩士，主要從事核工程無損檢測技術研究工作

張 侃，zhangk_k@foxmail.com

10.11973/wsjc201705010

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0042-07