Page 38 - 《应用声学》2022年第4期

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检测盲区等问题。针对这些问题，Blouin等 [18] 将激
0 引言
光超声与 SAFT 相结合，使用激发探测同点的数据
激光超声 [1−2] 可利用激光来激发和检测超声， 采集方式在融蚀机制下实现了对内部缺陷的准确
具有宽频带、高分辨率、非接触式激发和检测、同时 成像；李俊燕等 [15] 在热弹机制下，使用固定激发多
激发多种模式波等特点，可对具有复杂几何外形的 点探测的 SAFT 实现了对内部缺陷的检测，但未考
构件进行检测，并可用于有毒、高温及辐射等恶劣环 虑激光超声的方向性；Stratoudaki 等 [11] 使用基于
境中，是一种极具发展和应用潜力的超声检测技术。 激光超声的全聚焦算法对样品内部缺陷成像，考虑
激光超声可用于表面缺陷和内部缺陷检测，目 了激光激发超声、测振仪检测超声的方向性，但未
前利用激光超声表面波和兰姆波来检测表面或亚 考虑缺陷反射超声的方向性。
表面缺陷 [3−4] 的方法已具备较高的分辨率和检测 本文在此基础之上，提出了一种基于激光超声
效率，并逐步从实验室研究走向工程应用。但利用 的多模式 SAFT 组合成像方法，该成像方法是基于
激光超声体波检测内部缺陷时，还存在反射信号弱 激光超声和SAFT的，首先根据激光激发超声、干涉
且信噪比较差的问题，为解决该问题，诸多研究人员 仪检测超声和缺陷与超声相互作用后的声场分布，
对提高激光超声检测信号灵敏度和信噪比的方法 得到成像区域的声场灵敏度图，并综合考虑声场灵
进行了研究。总的来说，可以从改善激发效率、提高 敏度和超声波传播特性(波速、幅值等)，使用不同模
探测灵敏度、后处理成像算法这3个方面入手。 式的缺陷反射超声波 (如 LL 波、SS 波等) 来对不同
改善激发效率可从改变激发模式 (如增大激光 区域进行组合成像，从而减少激光超声成像中的盲
能量 [5] 、添加约束层 [6] 等) 以及对光源进行时空调 区和伪像等问题。为验证该方法的可行性，建立了
制 [7−9] 来实现。增大激发光能量虽然能增加激光 数值计算模型，利用仿真数据结合 SAFT 实现了对
激发超声的幅值，但也会对材料表面产生损伤；添 样品内部缺陷的多模组合成像，仿真结果与理论基
加约束层则会对材料表面产生污染。对光源进行时 本一致，初步验证了该方法的有效性。

空调制可以增加激发信号信噪比但同时也会增加
实验装置的复杂性和成本。探测灵敏度的提高可通 1 基本原理
过选择合适的探测方法来实现。光学探测法可实现
1.1 SAFT
远距离非接触式探测，但其灵敏度较低且要求样品
表面光滑。因此有研究人员提出激光激发、非光学 SAFT 源于合成孔径雷达，后被 Erikson 等 [19]
探测法 [10] 探测的耦合式激光超声，虽然非光学探 用于超声成像，是常见的超声成像技术之一。其基
测方法灵敏度更高，但其需要接近 (如电磁超声换 本原理是将一系列单个小孔径换能器结合起来代
能器和空气耦合式换能器) 或接触 (如压电换能器) 替一个大孔径换能器，以达到提高检测横向分辨率
样品表面的使用要求会限制应用场合。利用后处理 的目的。传统合成孔径采用的数据采集方式为同点
成像算法来提高缺陷图像的信噪比和分辨率也是 激发探测扫描 [18] ，其基本原理如图 1(a) 所示，其中
一种有效的方式，如全聚焦 [11−14] 和合成孔径聚焦 d i0 为从激发点到缺陷的距离，也是探测点与缺陷的
成像技术 (Synthetic aperture focusing technique, 距离，x i 为扫描步长。使用该方法需将超声激发点
SAFT) [15−18] 等。SAFT 与传统激光超声 B 扫所需 和探测点重合，然后进行扫描激发和探测，在激光超
的数据量相同，但使用 SAFT 处理后能得到信噪比 声中，探测信号会受到激光辐照在样品表面所引起
和分辨率更好的图像，从而更加直观地显示缺陷位 的热膨胀影响，给数据处理带来困难。
置和尺寸等信息 [18] 。而全聚焦所需处理的数据量 采用激发探测分离的扫描激光线源法 [15] 便可
远大于SAFT，它虽然能获得质量更好的图像，但检 避免上述问题，该方法的基本原理如图 1(b) 所示，
测效率较低。因此，综合考虑成像质量和成像效率， 其中 d i1 、d i2 分别为激发点和探测点到缺陷的距离。
本文选择SAFT来提高图像信噪比。 该方法需固定探测点，然后扫描激发点来进行数据
利用 SAFT 对缺陷成像时，会存在其他模式波 的采集，可有效避免热膨胀的影响，还能保证探测信
干扰而引起的伪像，以及因灵敏度分布不均导致的 号的灵敏度。