衛(wèi)小龍， 杜國(guó)鋒， 袁洪強(qiáng)， 張丹富， 馬 騏

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院， 武漢 430100； 2.長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 荊州 434020)

長(zhǎng)輸管道具有高效、便捷、環(huán)保等特點(diǎn)，已成為與航空、水運(yùn)、鐵路、公路并行的五大運(yùn)輸手段之一，被廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、煤氣、水、核電站等運(yùn)輸?shù)母鱾€(gè)方面，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈，是改善人民生活、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、加強(qiáng)國(guó)防建設(shè)的基本條件。輸送管道大多埋置在地下或者水中，服役環(huán)境復(fù)雜，由于落實(shí)沖擊、地震、人工擾動(dòng)(如建筑施工、基坑開(kāi)挖)等極易引起管道破壞，造成泄露，從而給經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和人身安全帶來(lái)不可挽回的重大損失。保證管道的質(zhì)量是確保其安全運(yùn)營(yíng)的前提，金屬管道缺陷檢測(cè)是保證管道質(zhì)量的重要技術(shù)措施之一，它不僅可以保證管道的安全運(yùn)營(yíng)，而且還可以延長(zhǎng)管道的使用壽命。無(wú)損檢測(cè)的方法種類(lèi)繁多，然而導(dǎo)波作為一種無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)，以其具有長(zhǎng)距離、大范圍、效率高等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。隨著研究人員對(duì)導(dǎo)波傳播機(jī)理和激勵(lì)接收方法的深入研究，導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方面得到了廣泛應(yīng)用。

管道導(dǎo)波理論是在19世紀(jì)末的柱面導(dǎo)波傳播理論基礎(chǔ)上展開(kāi)的，Pochammer[1]和Chree[2]最早研究了自由棒中的導(dǎo)波傳播。隨后Davies[3]、Pao等[4]、Onoe等[5]、Meeker等[6]在此基礎(chǔ)上研究了縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的頻散曲線(xiàn)以及群速度的求解。1959年，Gazis[7-8]在前人研究基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬給出了縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻散方程的通解以及頻散曲線(xiàn)。1963年，F(xiàn)itch[9]在實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)了最低階的四個(gè)對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)模態(tài)的導(dǎo)波，測(cè)得群速度的實(shí)驗(yàn)值，驗(yàn)證了Gazis的結(jié)論。直至20世紀(jì)70年代，Mohr等[10]、Silk等[11]分別首次采用電磁式和壓電式傳感器對(duì)管道橫向和縱向缺陷成功進(jìn)行了檢測(cè)。自此，開(kāi)始了管道缺陷檢測(cè)的新篇章。

1 管道導(dǎo)波的傳播模態(tài)

常用于空心圓柱缺陷檢測(cè)的超聲導(dǎo)波有三種：沿圓柱軸向方向傳播的縱向?qū)Р?、沿圓柱周向方向傳播的周向?qū)Рê脱貓A柱表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ā?/p>

縱向?qū)Рò凑章曉促|(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)形式不同，可以分成三種模態(tài)，即縱向模態(tài)(L模態(tài))、扭轉(zhuǎn)模態(tài)(T模態(tài))和彎曲模態(tài)(F模態(tài))，如圖 1所示。其主要用于管道軸向的長(zhǎng)距離檢測(cè)。文獻(xiàn)[12-14]、Filleter等[15]、何存富等[16]、Ma等[17]分別利用縱向模態(tài)L(0，2)、低階T(0,1)模態(tài)，對(duì)管中軸向切槽、裂紋缺陷的反射特征進(jìn)行研究以及小徑厚壁管內(nèi)外壁軸向缺陷的檢測(cè)和定位。

周向?qū)Рò磦鞲衅髌穹较虻牟煌梢苑譃閮深?lèi)：周向類(lèi)Lamb波和周向SH波，如圖2所示。周向?qū)Рㄓ捎谄鋫鞑ヂ窂介]合，適用于檢測(cè)管道周向缺陷。Qu等[18]、何存富等[19]研究了圓管中周向?qū)Рǖ念l散特性和軸向缺陷的檢測(cè)。表面波可以在不規(guī)則構(gòu)件表面?zhèn)鞑ィ话l(fā)生反射，傳播距離遠(yuǎn)，衰減較小，表面波傳播和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)如圖3所示，因此適合大型復(fù)雜厚壁結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)。

圖1 不同縱向?qū)РB(tài)

圖2 不同周向?qū)РB(tài)

20世紀(jì)90年代，是導(dǎo)波技術(shù)快速發(fā)展的階段，Rose等[20]提出管道導(dǎo)波檢測(cè)的一般原則，Hayashi等[21]在2005年提出了合成聚焦技術(shù)的缺陷成像方法，隨后Mu等[22]在2008年發(fā)展了導(dǎo)波相控陣聚焦技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道包覆層的檢測(cè)，Deng等[23]將時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦技術(shù)應(yīng)用于管道檢測(cè)中。然而，針對(duì)損傷識(shí)別和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，管道缺陷成像技術(shù)作為研究對(duì)象相對(duì)較少。在SCI(Science Citation Index)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行文獻(xiàn)搜索，以“pipeline”“guided wave”“weld defect”為關(guān)鍵詞，近些年的研究成果如圖4所示?？梢钥闯觯挥薪旯艿廊毕莩上窦夹g(shù)的研究成果才呈遞增趨勢(shì)，但數(shù)量仍較少。經(jīng)過(guò)調(diào)研大量文獻(xiàn)，梳理、分析、總結(jié)導(dǎo)波在管道缺陷成像中的發(fā)展以及面臨的挑戰(zhàn)，方便后續(xù)研究人員開(kāi)展工作。

圖3 表面波示意圖

圖4 SCI數(shù)據(jù)庫(kù)中近年來(lái)管道缺陷成像技術(shù)研究成果

2 管道導(dǎo)波的損傷成像技術(shù)

管道損傷識(shí)別屬于典型的逆過(guò)程，逆過(guò)程推理的解是模糊的。就同一信號(hào)而言，解釋的結(jié)論可能并非唯一，原因在于管道缺陷可能是由多種因素共同作用的結(jié)果，這種不確定性使得逆向推導(dǎo)極具挑戰(zhàn)，因此能直觀(guān)反映管道損傷特征的成像技術(shù)成為了超聲導(dǎo)波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。超聲導(dǎo)波成像技術(shù)是對(duì)管道中收集的信號(hào)進(jìn)行處理，可以更加直觀(guān)地通過(guò)圖像表征損傷信息，將損傷可視化?；诠艿乐袀鞲衅麝嚵械姆植?，分為稀疏陣列和密集陣列。近年來(lái)研究人員提出的相控陣成像方法屬于密集陣列導(dǎo)波成像；時(shí)間反轉(zhuǎn)成像方法、層析成像方法、偏移成像方法、延遲疊加成像方法屬于稀疏陣列導(dǎo)波成像。

2.1 相控陣成像方法

相控陣成像是通過(guò)激勵(lì)時(shí)間的延遲、相位的疊加來(lái)控制波束的偏移和聚焦。該方法通過(guò)損傷信號(hào)的相干疊加從而提高導(dǎo)波信號(hào)的信噪比，不改變陣列的位置即可掃描整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域。1906年,Karl首先提出相控陣的概念[24]，Sergei在Lamb波信號(hào)檢測(cè)的的基礎(chǔ)上，于1935年提出“超聲波相機(jī)”，為相控陣成像埋下了伏筆[25]。20世紀(jì)90年代，是導(dǎo)波技術(shù)快速發(fā)展的第二階段，伴隨著信息技術(shù)的崛起，成像方法日益完善。研究人員引入延時(shí)和相控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波聚焦、信噪比的提升。1995年，Demol等[26]對(duì)比同向激勵(lì)和相控激勵(lì)兩種方式，結(jié)果表明相控激勵(lì)可大大提高模態(tài)信號(hào)。美國(guó)南卡羅萊納大學(xué)的文獻(xiàn)[27-29]首次提出嵌入式超聲導(dǎo)波用于無(wú)損評(píng)估(NDE)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。從算法的一般概念入手，討論了用相控陣生成Lamb波的詳細(xì)信息、群速度散射曲線(xiàn)、最佳激勵(lì)頻率以及波前全向性。其次介紹了超聲導(dǎo)波在概念驗(yàn)證中的實(shí)現(xiàn)，描述了相控陣的構(gòu)造，說(shuō)明了檢測(cè)相控陣寬邊和反邊裂紋的方法。最終實(shí)現(xiàn)視覺(jué)互動(dòng)，且能夠達(dá)到很高的檢測(cè)精度。隨后其團(tuán)隊(duì)基于壓電晶片主動(dòng)傳感器(PWAS)相控陣列，利用信號(hào)處理的方法，采用離散小波變換去噪、空間域傅里葉變換進(jìn)一步提高相控陣成像質(zhì)量。Wilcox等[30]基于圓環(huán)全向相控陣，結(jié)合反卷積處理相位疊加算法，成功抑制相控陣旁瓣，實(shí)現(xiàn)0～360°各向損傷檢測(cè)。Ambrozin等[31]、Marchi等[32]和Kim等[33]針對(duì)導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中波束成型的問(wèn)題，進(jìn)行了波束優(yōu)化，提出了一種通用的波束成形算法。Malinowski等[34]在結(jié)構(gòu)中布置多個(gè)線(xiàn)型相控陣列，每個(gè)相控陣都獨(dú)立作用，并根據(jù)波束形成過(guò)程生成掃描圖件。這些圖由時(shí)間信號(hào)(傳輸?shù)娇臻g域)組成，表示損壞信號(hào)與完整信號(hào)之間的差異。利用開(kāi)發(fā)的算法來(lái)連接四個(gè)圖像，通過(guò)信號(hào)處理算法修改得出最終圖，以更精確地指示損壞區(qū)域，提高了損傷診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。羅更生等[35]針對(duì)大曲率油氣管道缺陷是目前難以攻克的難題，利用有限元方法分析，通過(guò)L(0, 2)模態(tài)和T(0,1)模態(tài)導(dǎo)波的傳播，采用相控陣技術(shù)，提出了對(duì)于大曲率對(duì)焊彎管缺陷的相控陣超聲導(dǎo)波成像方法。

結(jié)合相控陣的超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)主要通過(guò)導(dǎo)波相控激勵(lì)、分區(qū)接收、陣列排布以及后期不同的信號(hào)處理方法來(lái)豐富導(dǎo)波檢測(cè)手段，提高導(dǎo)波信號(hào)冗余度，增大缺陷檢出成像概率。相控陣成像方法運(yùn)用手段多，傳感網(wǎng)絡(luò)密度高，精度高。然而算法較復(fù)雜，計(jì)算難度較大，而且根據(jù)相控陣列的排布對(duì)構(gòu)件環(huán)境要求高，所以適用于相對(duì)較簡(jiǎn)單構(gòu)件。

2.2 時(shí)間反轉(zhuǎn)成像方法

時(shí)間反轉(zhuǎn)法是由光學(xué)相位共軛法演變而成的一種自適應(yīng)聚焦方法。將空間不同位置傳感器接收的激勵(lì)信號(hào)，按照時(shí)間逆過(guò)程重新加載在換能器上，從而形成聚焦效應(yīng)。利用此原理，控制聚焦條件和時(shí)間參數(shù)，使同損傷信號(hào)的相關(guān)模態(tài)響應(yīng)疊加增強(qiáng)，從而提高損傷信號(hào)的信噪比。1989年法國(guó)Fink教授于首次提出，將光學(xué)中相位共軛原理應(yīng)用到超聲領(lǐng)域。而直至1992年，超聲時(shí)間反轉(zhuǎn)法才被法國(guó)巴黎第七大學(xué)的Wu等[36]正式提出，并對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)自適應(yīng)聚焦、實(shí)現(xiàn)非均勻介質(zhì)的時(shí)空匹配濾波做了大量工作。隨后，隨著研究的深入，Watkins等[37]、Liu等[38]、Sohn等[39]改進(jìn)了時(shí)間反轉(zhuǎn)法，從傳感器的激勵(lì)接收模式、多通道時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦、非線(xiàn)性損傷的反轉(zhuǎn)信號(hào)重構(gòu)等方面進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。2003年，Lehman等[40]開(kāi)發(fā)的新理論基于傳感器系統(tǒng)的廣義多靜態(tài)數(shù)據(jù)矩陣的奇異值分解,派生了一種通用的多信號(hào)分類(lèi)算法，該算法允許對(duì)來(lái)自任意傳感器陣列幾何形狀的分辨良好和非分辨良好的點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行超分辨率成像。利用多靜態(tài)數(shù)據(jù)矩陣的奇異矢量定義的散射體和噪聲子空間的正交特性來(lái)形成散射體圖像。在兩個(gè)垂直偏移剖面上，計(jì)算機(jī)模擬對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)算法進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證，結(jié)果與“經(jīng)典”反向傳播和場(chǎng)聚焦相比，這種新算法組合具有高對(duì)比度，高分辨率成像功能。

然而在實(shí)際工況中，研究人員難以獲取健康狀態(tài)下的基準(zhǔn)信號(hào)，因此，無(wú)基準(zhǔn)信號(hào)的導(dǎo)波檢測(cè)方法成為近些年來(lái)研究的熱點(diǎn)。Xu等[41]基于瑞利的精確解，通過(guò)開(kāi)發(fā)用于分析與PWAS相關(guān)的導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)的理論模型來(lái)解決此問(wèn)題。該理論模型首先用于預(yù)測(cè)單模導(dǎo)波的存在，然后數(shù)值研究單模和雙模導(dǎo)波的時(shí)間反轉(zhuǎn)行為，強(qiáng)調(diào)了單模調(diào)諧在時(shí)間反轉(zhuǎn)損壞檢測(cè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了提出的理論模型的有效性。此外，提出了一種用于判斷Lamb波時(shí)間反轉(zhuǎn)不變性的相似性度量。研究表明在一定條件下，使用PWAS調(diào)諧的單模Lamb波可以大大提高時(shí)間反轉(zhuǎn)損傷檢測(cè)的有效性，在無(wú)基準(zhǔn)信號(hào)的前提下檢測(cè)損傷類(lèi)型。Hyun等[42]開(kāi)發(fā)了一種基于小波的信號(hào)處理技術(shù)來(lái)增強(qiáng)時(shí)間可逆性，通過(guò)使用時(shí)間反轉(zhuǎn)方法成功地重構(gòu)了壓電(PZT)貼片上的輸入信號(hào)。這項(xiàng)研究的最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種基于時(shí)間反轉(zhuǎn)過(guò)程的無(wú)參考損傷診斷技術(shù)，從而可以在不依賴(lài)任何過(guò)去基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的情況下識(shí)別缺陷。除此之外，科研人員還采用多種方法相結(jié)合，Lucena等[43]提出將時(shí)間反轉(zhuǎn)法和光譜元素法相結(jié)合的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)新方法，盡管該方法是通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行評(píng)估的，但是數(shù)值建模和時(shí)間反轉(zhuǎn)信號(hào)處理的結(jié)合可以作為一種實(shí)驗(yàn)方法來(lái)應(yīng)用，以便損傷檢測(cè)。

時(shí)間反轉(zhuǎn)法的主要目的是抑制導(dǎo)波頻散，使各個(gè)模態(tài)在時(shí)間、空間上聚焦，最終實(shí)現(xiàn)能量在聲源位置信號(hào)重構(gòu)。其算法相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于大面積構(gòu)件，而精度較相控陣稍低，多數(shù)情況需要基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

2.3 層析成像法

超聲導(dǎo)波層析成像技術(shù)源于醫(yī)學(xué)CT，只是傳播介質(zhì)由X射線(xiàn)變?yōu)閷?dǎo)波。其原理是利用多源發(fā)射和多源接收的方式，當(dāng)導(dǎo)波遇到損傷時(shí)傳播速度發(fā)生改變，通過(guò)求解傳播路程、慢度、到達(dá)時(shí)間等參數(shù)對(duì)損傷情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域圖像的重構(gòu)。20世紀(jì)80年代末期，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集以及濾波反投影技術(shù)，開(kāi)始了缺陷成像研究。而管道缺陷成像起步稍晚，1999年Hildebrand等[44]克服了管道絕緣層的影響，對(duì)管道結(jié)構(gòu)中的損傷缺陷識(shí)別定位。Breon等[45]利用導(dǎo)波厚度測(cè)量層析成像方法在管道關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，創(chuàng)新性地提出概率重建算法。該算法能夠快速、有效地重構(gòu)出結(jié)構(gòu)中的損傷圖像。蔡海潮[46]在此基礎(chǔ)上分析了雙曲線(xiàn)反投影重建成像和概率重建成像的原理。提出利用全時(shí)域信息來(lái)刻畫(huà)信號(hào)特征，結(jié)合信號(hào)差系數(shù)的概念，不僅可定位管道損傷位置，而且可以快速獲得被測(cè)缺陷圖像，并在成像算法中引入可變參數(shù)β值來(lái)調(diào)節(jié)改善成像質(zhì)量。袁琪楠[47]則通過(guò)對(duì)比參考信號(hào)和損傷信號(hào)的差異，提出了相關(guān)性RAPID(快速)層析成像技術(shù)的相控陣超聲導(dǎo)波管道監(jiān)測(cè)算法，從信號(hào)差異提取和相互差異重建兩方面，利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并分析了算法在不同缺陷尺寸和缺陷位置時(shí)成像效果。Leonard等[48]使用多次頻率掃描，通過(guò)一種頻率步行排序的算法實(shí)現(xiàn)了正確的模態(tài)遴選。每種模態(tài)都有不同的貫穿厚度位移值，因此每種模態(tài)都對(duì)不同類(lèi)型的缺陷敏感，從多模態(tài)分析中獲得的信息可以增進(jìn)對(duì)被檢材料結(jié)構(gòu)完整性的理解。Wright等[49]、Malyarenko等[50]、Hay等[51]利用扇束掃描方式和信號(hào)差分實(shí)現(xiàn)成像。然而在常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)平行投影、扇形波束投影和十字交叉投影等方法中，Leonard等[52]發(fā)現(xiàn)十字交叉投影適用范圍最廣，且不受構(gòu)件幾何形狀的限制。隨后該團(tuán)隊(duì)通過(guò)識(shí)別不同類(lèi)型損傷，提出了多模態(tài)層析成像方法有效提高損傷成像的可靠性。王強(qiáng)等[53]采用信號(hào)差分，改進(jìn)傳統(tǒng)的 RAPID 層析成像技術(shù)，提出了十字正交掃描方法來(lái)監(jiān)測(cè)裂紋的方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷層析成像圖的重構(gòu)。

層析成像法主要通過(guò)布置在被檢區(qū)的傳感器識(shí)別損傷處的導(dǎo)波波速、能量、模態(tài)的特征變化，進(jìn)行圖像重構(gòu)。其成像精度高，但傳感密度要求也高，所以其精度嚴(yán)重依賴(lài)于傳感路徑的數(shù)量，不適用于大面積結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)區(qū)域應(yīng)用較多，工程應(yīng)用具有局限性。

2.4 偏移成像法

超聲導(dǎo)波偏移成像方法來(lái)源于地質(zhì)勘探，使用了波前、繞射等波傳播的惠更斯原理實(shí)現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)成像，后擴(kuò)展至結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。由美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的Yuan等提出，該方法將損傷視為波源，通過(guò)計(jì)算信號(hào)的回傳時(shí)間，可反演重建損傷散射的聲場(chǎng)，進(jìn)行損傷成像。其領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)對(duì)該成像方法進(jìn)行了大量研究[54-58]。早期提出的方法基于疊后逆時(shí)偏移技術(shù)，因其精度不夠，又提出了一種疊前逆時(shí)偏移方法，但主要用于檢測(cè)板中的損傷。此外，嚴(yán)剛等[59]針對(duì)多類(lèi)型損傷以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，推導(dǎo)了彌散性彎曲波頻率-波數(shù)域的快速偏移方法。大大提高了計(jì)算速度，以滿(mǎn)足在線(xiàn)損傷識(shí)別和監(jiān)測(cè)的要求。張曉丹等[60]采用基于提升構(gòu)架的整數(shù)小波變換的多級(jí)樹(shù)集合分裂圖像編碼方法，降低逆時(shí)偏移計(jì)算時(shí)的內(nèi)存占有量，解決了在不影響成像精度的情況下，縮短逆時(shí)偏移的計(jì)算時(shí)間。

偏移成像法在地球物理、地質(zhì)勘探中應(yīng)用廣泛，是一種成熟的方法，而目前在管道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域研究成果較少。然而其傳感網(wǎng)絡(luò)稀疏，算法簡(jiǎn)單，可用于多損傷監(jiān)測(cè)，同時(shí)還適用于簡(jiǎn)單和復(fù)雜構(gòu)件，這些優(yōu)點(diǎn)是不容忽視的。因此該方法研究?jī)?nèi)容值得后續(xù)研究人員借鑒，用于管道導(dǎo)波的損傷成像。

2.5 延遲疊加成像方法

延遲疊加成像方法和橢圓定位法或雙曲線(xiàn)定位法類(lèi)似，區(qū)別在于是否需要提取損傷散射信號(hào)的時(shí)間。該方法主要采用對(duì)成像區(qū)域逐點(diǎn)聚焦。根據(jù)波速計(jì)算損傷路徑時(shí)間，得到該點(diǎn)的能量值，再歸一化映射到圖像中得到相應(yīng)的成像結(jié)果，成像中能量較大的亮點(diǎn)為缺陷位置。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的Michiaels等[61-65]領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)提出了一種多頻率綜合的診斷成像方法，監(jiān)視這些濾波信號(hào)隨時(shí)間的變化，以檢測(cè)并定位損傷。將時(shí)移平均算法應(yīng)用于多頻率過(guò)濾的差分信號(hào)，從而得到相同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的多張圖像，并將這些圖像融合以改善損傷定位和背景噪聲。分析單個(gè)圖像和融合圖像以量化其定位缺陷的能力。結(jié)果顯示了成像方法的有效性以及圖像融合帶來(lái)的顯著改善。隨后，通過(guò)局部時(shí)間相干性的損失與最佳基線(xiàn)選擇過(guò)程的結(jié)合，證明損傷檢測(cè)是有效的。并且應(yīng)用于殘余信號(hào)的延遲和成像方法既可以對(duì)損傷進(jìn)行定位，又可以提供特征信息。此外該團(tuán)隊(duì)還研究了溫度、應(yīng)力等環(huán)境變化對(duì)延遲疊加診斷成像結(jié)果的影響，取得較好的效果。文獻(xiàn)[66-67]根據(jù)頻域中建立的導(dǎo)波傳感模型，按寬帶激和窄帶激勵(lì)兩種方式，在頻散補(bǔ)償方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合延遲疊加算法，實(shí)現(xiàn)了高分辨率損傷成像方法。緊接著為了減小接收信號(hào)對(duì)不同位置監(jiān)測(cè)靈敏度的差異，引入衰減補(bǔ)償因子，達(dá)到了有效識(shí)別多損傷的目的。

延遲疊加成像法是一種行之有效的檢測(cè)方法，傳感網(wǎng)絡(luò)稀疏，算法簡(jiǎn)單，適用于大面積構(gòu)件，且由于可抑制多波峰對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，使之適用于復(fù)雜的多損傷識(shí)別。然而其假設(shè)每一點(diǎn)均為潛在的損傷點(diǎn)，計(jì)算損傷散射路徑時(shí)間，因此需提前已知傳播模態(tài)及其群速度。

3 缺陷檢測(cè)成像技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

在上述5種方法中，每種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。在密集陣列導(dǎo)波成像方法中，導(dǎo)波相控陣成像方法傳感網(wǎng)絡(luò)密度要求高，檢測(cè)精度高，但其算法復(fù)雜，適用于簡(jiǎn)單構(gòu)件。而在稀疏陣列導(dǎo)波成像方法中時(shí)間反轉(zhuǎn)法和層析成像法精度也較高，不過(guò)其工程應(yīng)用具有局限性，適用于結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)區(qū)域；偏移和延遲疊加成像方法算法應(yīng)用簡(jiǎn)單，傳感網(wǎng)絡(luò)密度稀疏，應(yīng)用于大面積及復(fù)雜結(jié)構(gòu)，前提是需要了解其傳播模態(tài)及群速度。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)波缺陷檢測(cè)成像技術(shù)日益完善。然而超聲導(dǎo)波的多模態(tài)、頻散特征和焊接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提高了缺陷檢測(cè)成像技術(shù)的難度。目前仍存在一些問(wèn)題亟待解決。

(1)去除頻散效應(yīng)，提高信噪比、追求高精度的缺陷成像，是導(dǎo)波成像方法追求的目標(biāo)。同時(shí)，除了目前已實(shí)現(xiàn)的損傷定位，損傷的嚴(yán)重程度以及形狀定量化分析也有待研究人員進(jìn)一步探索。

(2)導(dǎo)波成像算法有待完善。當(dāng)考慮到管道包覆層、運(yùn)輸介質(zhì)、管道支架等影響因素時(shí)，就需要相應(yīng)的信號(hào)處理算法來(lái)補(bǔ)償其帶來(lái)的變化，因此算法中考慮的影響因素應(yīng)更加全面，這是導(dǎo)波成像技術(shù)能夠在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的重要保障。

(3)導(dǎo)波成像方法需要克服復(fù)雜多變的監(jiān)測(cè)環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)室條件下，目前可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確成像，但考慮到管道服役環(huán)境的多樣性、時(shí)變性，需要統(tǒng)籌壓力、溫度、濕度、機(jī)械振動(dòng)、輻射等因素對(duì)超聲信號(hào)的影響，研究人員可以從環(huán)境參數(shù)補(bǔ)償、概率統(tǒng)計(jì)等方面深入研究。

(4)當(dāng)檢測(cè)多個(gè)分散的缺陷時(shí)，導(dǎo)波穿過(guò)局部區(qū)域的缺陷，圖像重構(gòu)質(zhì)量會(huì)下降。要達(dá)到一次檢測(cè)同時(shí)兼顧多種缺陷、完整成像，這對(duì)研究人員在傳感器配置、數(shù)據(jù)采集、分析處理等方面提出了更高的挑戰(zhàn)。

(5)導(dǎo)波成像方法多數(shù)采用線(xiàn)性導(dǎo)波特征參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷不敏感。在構(gòu)件的全壽命周期中，不得不考慮中后期構(gòu)件疲勞過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋以及微裂紋的擴(kuò)展。因此從非線(xiàn)性超聲檢測(cè)技術(shù)出發(fā)，考慮導(dǎo)波成像也是一種新的途徑。