超声相控阵技术的发展及其在核工程无损检测中的应用

张 侃，杨 力，王学权，许贵平，孙大朋，罗建东，张 旻

(中国核动力研究设计院 反应堆燃料与材料重点实验室，成都 610041)

超声相控阵技术的发展及其在核工程无损检测中的应用

张 侃，杨 力，王学权，许贵平，孙大朋，罗建东，张 旻

(中国核动力研究设计院 反应堆燃料与材料重点实验室，成都 610041)

论述了国内外在超声相控阵技术方面的研究进展，重点总结了近年来超声相控阵关键技术的研究成果。并结合工程实例，介绍了超声相控阵技术在核工程无损检测中的应用，对超声相控阵技术未来的发展趋势进行了展望并指出了其新的发展机遇。

超声相控阵；无损检测；发展趋势；工程应用

超声相控阵技术的基本思想起源于电磁波相控阵雷达，于20世纪80年代开始被应用于工业无损检测中[1]。与传统超声检测技术相比，超声相控阵技术在缺陷检出率、定量准确度和检测效率方面均具有显著优越性，同时具有焦点控制灵活和图像显示直观的特点，也促进了超声相控阵技术的应用和发展。近年来，随着计算机、图像处理、压电复合材料开发等高新技术的迅猛发展，超声相控阵检测技术获得了进一步的融合创新。

笔者在介绍超声相控阵技术检测原理和特点的基础上，综述了近年来先进超声相控阵技术的国内外研究现状，并以工程应用为例，重点介绍了超声相控阵在解决核工程无损检测问题中的应用进展，最后探讨了其未来的发展趋势与面临的新的发展机遇。

1 基本原理及特点

常规超声检测多采用单晶探头，超声声束以一定发射角沿声束轴线传播。与此不同的是，超声相控阵检测的核心技术是基于惠更斯原理的相位控制。相控阵探头由多个相互独立的压电晶片按照一定形状排列而成，每个晶片均可视为超声波源，通过电子系统控制各个阵元，按一定延迟时间激发各个阵元，各个阵元的波阵面相互叠加，形成一个新的波阵面，可达到改变聚焦特性、声束偏转、声束位移等相控效果[2]。

与常规超声相比，超声相控阵具有如下优势：① 扫查覆盖范围大、检测速度快、效率高等；② 检测结果直观、可实时显示，且结果可保存；③ 聚焦区域的声场强度远大于常规超声；④ 缺陷定位、定量误差小，检测灵敏度高等。

2 关键技术

为适应多种条件下的检测需求，国内外学者对超声相控阵的技术特点进行了发展和创新，为超声相控阵技术的工业应用提供了极大的技术支持。下面将对几项超声相控阵研究的关键技术及其最新研究成果进行概述。

2.1 超声成像技术

如前所述，超声相控阵可以利用计算机控制各晶片的激发状态，调整孔径数据的采集方式。将该功能与信号处理算法相结合，可通过延时叠加(DAS)图像重建手段，获得具有更高信噪比的超声检测图像[3]。

全聚焦方法(TFM)是一种依赖于全矩阵捕捉(FMC) 孔径数据采集技术的先进DAS技术，由HOLMES等[4]于2005年提出。研究表明，TFM技术可大幅提高缺陷回波的信噪比和分辨率。然而，通用的TFM算法会因特定工件的结构型面或材料特性而产生不同的检测问题。针对特定检测问题，研究学者将其他算法与TFM技术相结合，使超声成像质量得到了进一步的提高。ROBERT等[5]提出了一种实时自适应全聚焦成像方法(ATFM)，该方法基于轮廓提取算法和聚焦法则自动计算算法，并建立了检测方案，在获取高质量检测图像的同时大幅降低了运算时间。HARVEY等[6]将时间反转法(TR)与TFM相结合，提高了TFM在非均匀介质中的聚焦效果。对比78 mm壁厚主管道焊缝中φ3 mm侧边钻孔TR聚焦前后的TFM图像可知，相比于原始TFM图像，经过时间反转处理后的缺陷回波的声能得到了进一步的集中。CAMACHO等[7]提出了一种基于相控阵技术的相位相干成像(PCI)技术，根据缺陷与噪声相位分布的聚集程度，提出了三种权重因子，试验结果表明，权重因子与原始信号相乘之后，信噪比有了很好的提升。DEUTSCH等[8]将超声波型转换与全聚焦方法相结合，实现了薄壁件的高精度成像检测，解决了传统多探头串联可操作性差的问题。HARRICH等[9]提出了一种正弦激励信号与组合延迟法则相结合的超声相控阵快速扫描技术(FAAST)，该技术根据不同检测需求采取合理的聚焦法则，同时计算出各阵元正弦激励信号的调制模式，进而完成对被检工件的扫描，显著提高了检测效率。

相控阵3D成像技术也是现今的一个研究热点。KITAZAWA等[10]利用先进的3D聚焦超声相控阵系统进行数据采集，获得高20 mm，直径1 mm和2 mm平底孔缺陷的数据，并结合3D-CAD模型实现了直观的三维重塑图像。研究团队同时将该技术应用于应力腐蚀裂纹的无损检测中，结果表明，缺陷计算深度同实际缺陷深度吻合度较高。张昊等[11]采用断层扫描和全矩阵捕捉的方法获取了成像数据，并基于体素插值还原出了三维图像，此外，该团队针对三维图像还原时计算量庞大的问题，提出了一种加速算法，大大缩短了计算时间。HAN等[12]基于一维线性阵列探头获取超声数据，并通过傅里叶变换(FFT)在频域进行3D合成，再通过傅里叶逆变换在时域中利用DAS方法合成了3D成像。美国ZETEC公司开发的Ultravision软件可将扫查图像嵌入到CAD工件模型中，实现了三维实时可视化扫查，该技术已在工业检测中广泛应用[13]。

2.2 建模仿真技术

在超声相控阵检测中，声场特性直接关系到被检区域的声束可达性和能量覆盖的有效性。由于超声相控阵的声场建模仿真是开发及优化相控阵换能器和制定检测工艺的基础，因此一直是超声相控阵研究的热点问题。多种声场模型被用于超声相控阵的建模仿真，最常见的主要有有限元法、有限差分法、瑞利积分法和多元高斯法等[14]。

KIM等[15]建立了各向异性的异种金属焊缝(DMW)模型，并基于有限元方法(FEM)模拟研究了相控阵两种不同聚焦法则和采用时间反转法下的超声聚焦特性，研究表明，对于DMW的检测，时间反转法可获得更好的聚焦效果。DELRUE等[16]同样采用有限元方法验证了时间反转聚焦法对于检测各向异性材料的优越性。VAN等[17]通过对粗晶材料的超声散射声场的有限元模拟，采用发射接收分离式的相控阵列探头，可以有效减小晶粒散射噪声。XU等[18]采用时域有限差分法(FDTD)模拟了一维相控阵超声在L型多层碳纤维复合材料(CFRP)板中的传播，据此优化了检测参数，并实现了缺陷的精确定量和成像。XIE等[19]将FEM和FDTD方法同时应用于电磁超声相控阵声场特性的模拟计算中，并通过试验验证了模拟结果的准确性，其中FEM用于计算洛伦兹力，FDTD用于计算超声传播行为。WANG等[20]通过建立Fourier(解析法)和Filon(数值法)两种二维分析模型，有效描述了不同偏转角度下超声波在相控阵探头声光偏转器(AOD)介质中的分布情况，并与非近轴多元高斯声束(NMGB)模型仿真结果进行了对比，两者结果显示了高度的一致性。HAMIDI[21]基于惠更斯原理和瑞利索末菲衍射积分法，建立了双层介质超声相控阵检测模型，并利用该模型开发了一种稀疏信号重建方法，结果显示，该方法可大幅降低缺陷定位方均根误差，并提高了信噪比。

在仿真软件方面，不少研究机构和公司进行了大量的研究工作。已开发出的较为成熟的仿真软件有法国原子能委员会(CEA)开发的 CIVA[22]，瑞典无损检测模拟中心开发的 SimSUNDT[23]，比利时FFT公司开发的ACTRAN[24]，美国ZETEC公司开发的UltraVision[25]，美国CyberLogic公司开发的WAVE 2000/3000[26]，瑞典COMSOL公司开发的COMSOL Multiphysics[27]，加拿大UTEX公司开发的Image3D[28]以及丹麦工学院开发的fieldⅡ[29]等。这些仿真软件在发射声场仿真、回波相应声场仿真、数据分析和验证等方面得到了广泛应用，为声场特性分析、换能器设计和工艺优化等提供了极大的便利。

2.3 先进检测系统研制

国内外学者在超声相控阵检测系统研制方面进行了大量工作，包括换能器的研制和硬件开发。

在换能器研制方面，DEVOS等[30]研制出了一种针对新一代核电站大型转轴检测的半柔性矩阵阵列超声换能器，同时设计了控制和分析软件，提高了检测可靠性和定量准确度。WALTER等[31]基于PMN-PT复合材料研制出一种新型超声相控阵换能器，相比于PZT相控阵换能器，具有更宽的频带范围和更高的灵敏度。同样地，WONG等[32]基于PMN-PT单晶研制出20 MHz，64阵元的高频率宽频带超声相控阵换能器，大大提高了检测灵敏度和分辨力。YUE等[33]研制了一种基于Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)单晶的超带宽高频相控阵换能器，其-6 dB带宽可达127.7%，显著提高了探头的灵敏度。NAKAHATA等[34]研制了一种用于不规则表面材料缺陷检测的柔性相控阵换能器，该换能器采用1-3型压电复合材料覆盖氯丁橡胶制造而成；同时为了克服柔性探头窄带宽的缺点，该团队提出了一种数值变迹方法，较好地抑制了旁瓣，并结合TFM法进一步提高了检测分辨力。LARCHE等[35]针对钠冷反应堆的高温、腐蚀性等特点，研制了一种双探头10×3的面阵TRL探头，该探头可实现在260℃液体钠中的检测。

在硬件开发方面，SCHMITTE等[36]研制了一种针对大型复杂构件的自动超声相控阵检测系统，该系统可支持13个相控阵探头从不同方向进行扇形扫查，同时系统内置TFM算法，并采用GPU技术提高了图像重构速度。GOVINDAN等[37]研制了一种可重构可编程的超声相控阵检测系统，该系统内置多种超声信号处理程序，支持8个相控阵探头同时进行扫查，且可进行高速3D实时数据压缩，压缩率达98.7%。GROTENHUIS等[38]研制了一种内置全矩阵捕捉功能的超声相控阵检测仪器，并经过6 a的改良，使其不仅适用于碳钢检测，也适用于如304L、318L等各向异性材料的检测，同时该系统可实现几何三维成像。SANTOS-VILLALOBOS等[39]开发了一种基于模型迭代重建算法的超声相控阵系统，该系统可用于地热储层近井区域的原位健康检测和成分表征。

2.4 缺陷识别技术 缺陷识别是无损检测的重点，也是难点，缺陷识别主要包括缺陷定量和定性两方面。由于超声相控阵声场的新特点，传统的缺陷识别方法不能完全满足检测要求，为此，国内外学者开展了大量研究工作。

在缺陷定量方面，MIHARA等[40]提出了一种改进的次谐波超声相控阵裂纹评价方法，该团队将高电压变压器与低耗脉冲发生器相结合，有效提高了裂纹尖端衍射波的信噪比和裂纹高度的定量精度。CUNNINGHAM等提出了一种基于基尔霍夫散射近似和托普利兹矩阵近似的超声相控阵裂纹定量方法，该方法对与波长相当甚至小于波长尺寸的微小裂纹定量尤为有效，可定量尺寸为0.6～1.8 mm的裂纹，且定量误差小于12%。TANT等[41]提出了一种应用数学模型的超声相控阵定量方法，利用Born近似给出了裂纹长度的解析表达式，并结合多频平均的方法对奥氏体不锈钢焊缝中6 mm侧壁未熔合缺陷进行了定量，定量偏差为0.4 mm。OBERDÖRFER[42]提出了一种用于超声相控阵缺陷定量的DAC(距离-波幅)曲线简化计算方法，该方法考虑了延迟法则、近场长度和增益值等因素，大大简化了超声相控阵DAC曲线的计算难度。

在缺陷定性方面，LI等[43]针对风力发电机叶片中的多种类型缺陷，通过建立典型缺陷的物理模型，并与实际检验结果对比发现，利用声强反射系数可以实现缺陷类型的识别。BAI等[44]提出了一种基于散射矩阵的缺陷类型识别方法，该团队将缺陷定性视为一种模式分类问题，通过主分量分析法进行缺陷特征提取，然后利用穷举搜索获得代表性主分量子集，将其输入模式分类器，即可实现面积型和体积型缺陷的区分，准确率达95.79%。LIU等分析了电阻点焊中缺陷回波的时域、频域以及小波变换后的时频特征，提出了一种基于BP神经网络的缺陷识别方法，该方法可以实现智能识别电阻点焊焊缝中的缺陷类型，识别准确度达96%。还有研究学者基于遗传算法[45]、经验模态分解[46]等手段实现了缺陷的分类识别。

3 在核工程无损检测中的应用

核工程构件种类多，结构复杂，且安全性要求高，采用超声相控阵技术可有效扩大检测范围，保证检测的可靠性，提高检测效率。超声相控阵技术在核工程无损检测中的应用已取得了良好的经济和社会效益，下面就国内外最新的应用实例进行概述。

西班牙CASTILLO等[47]提出一种诊断核电止回阀的新型超声检测技术，同时该技术也被应用到牵引阀上。该技术设计了基于脉冲回波式的超声相控阵换能器，换能器与阀体表面直接接触，根据被检阀的实际尺寸，通过改变聚焦法则使扇扫声束覆盖待检阀体。该课题组建立了VITER-2.0 + FPA-128M系统，其中VITER-2.0包括加速计、磁性传感器和位移传感器等，FPA-128M为超声相控阵检测模块。利用该系统可实现阀体等内部构件的实时定位诊断。德国SCHMITTE等[48]开发了一种用于核废料储存罐的快速自动检测的大型超声相控阵检测设备。该设备利用7台128通道超声相控阵检测仪同时控制13个换能器，采用多种聚焦法则进行扇形扫描，利用门式扫描机构带动换能器，在储存罐表面做轴向运动，同时旋转机构带动储存罐做周向旋转运动，以此完成核废料储存罐的整体、快速、高效地自动扫描。法国DOBIGNY等[49]开发了一种针对核设施大型复杂形状构件的自动检测系统，该系统设计了柔性超声相控阵换能器和机械手，以适应复杂型面的变化，实现了构件内外侧缺陷的良好检测。中国林莉等[50]在国内首次将超声相控阵技术应用于核工程奥氏体不锈钢焊缝的检查中，针对各向异性材料导致的超声声束偏移和畸变问题，提出了超声相控阵相位修正等技术，该技术已在福清3#、4#、阳江2#机组的主回路管道中成功应用，大大提高了检测精度和检测效率。美国JENSEN等[51]开发了一种可拆卸的检测工具，可连接4个相控阵探头和2个涡流探头，该技术成功实现了从内壁检测蒸汽发生器进出口喷嘴的异种金属焊缝，且在美国属首例。芬兰KOSKINEN等[52]采用TRS和TRL相控阵技术结合数字X射线断层摄影技术，有效提高了在役裂纹的检测可靠性。韩国YOON等[53]设计了专用超声相控阵扫查系统，以防止蒸汽发生器排水泵承插焊缝失效导致冷却剂泄露，该系统不仅提高了检测可靠性，同时节省了检测时间。

4 未来发展新机遇

在世界“工业4.0”等[54]新工业革命背景的推动下，我国制造业战略升级，推出了“中国制造2025”战略计划[55-57]。在此背景下，也对无损检测相关技术提出了更高的要求。2015年全国无损检测协会组织全行业制定了《中国无损检测2025技术发展路线图》，为我国无损检测的健康发展和尽早整体达到国际先进水平打下坚实基础，并指明了发展道路。对于超声相控阵这一时下炙手可热的无损检测新技术而言，既是机遇也是挑战。为了满足工业装备智能化、高质量制造和高可靠性应用的检测需求，我国超声相控阵技术应向着如下方面发展：

(1) 自动化、智能化检测系统

自动化、智能化检测已成为无损检测技术的重要发展方向。由于超声相控阵技术的参数众多、算法复杂，无法采用通用参数和算法适应所有检测条件。针对上述问题，需要开发自动化、智能化的检测系统，建立智能化识别算法，实现超声相控阵检测参量设置、激励控制、探测控制、扫描成像控制、数据管理和检测结果分析与评定过程的全自动化。

(2) 自主创新

超声相控阵技术的工业应用已有十余年，但我国对于关键器件和高端设备仍主要依赖进口，核心算法的开发和创新也相对滞后。自主知识产权的缺失严重限制了超声相控阵技术的发展。同时，国外进口设备和技术价格高昂。这些问题都迫切需要通过自主创新解决，只有掌握核心技术，才能不受制于人，才能进一步推动超声相控阵技术向自动化、智能化方向发展。

(3) 标准及规范

另一阻碍我国超声相控阵技术应用和发展的重要因素是相关标准和规范的不完善。国外正在加快完善超声相控阵标准的步伐，包括ASME、RCCM、ISO和EN等，对相控阵仪器性能测试、方法评定、验收准测等方面均做出了规定，而国内目前尚无相控阵技术相关的工艺标准。因此，需要尽快建立超声相控阵国家标准以及各行业内的工艺规范。

(4) 人员培训

无损检测实施的关键在于人，检测人员的职业技能水平直接关系到无损检测结果的可靠性。然而现阶段我国掌握超声相控阵技术的人员数量少，技术培训体系尚不完善。在超声相控阵如火如荼的工业应用环境下，建立健全的相关人员培训体系应成为一个重要的考虑方向。

5 结语

随着超声成像技术、建模仿真技术、先进系统研制以及缺陷识别技术等关键技术的系列研究进展，超声相控阵检测技术已成为工业无损检测的重要手段之一，并具有广阔的发展前景。在“中国制造2025”的战略背景下，我国超声相控阵检测技术又迎来了新的发展机遇，将逐步满足工业装备智能化、高质量制造和高可靠性应用的检测需求，促进无损检测与评价的应用和发展。

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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

张 侃(1991-)，男，硕士，主要从事核工程无损检测技术研究工作

张 侃，zhangk_k@foxmail.com

10.11973/wsjc201705010

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0042-07