二分搜索和压缩感知在激光超声内部缺陷快速检测技术的应用.docx
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2022-12-15
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0. 引 言
在工业领域中，机械零部件生产以及长期服役过程中，可能在其内部产生不同种类的
缺陷，从而缩短其使用寿命，影响工业生产安全，故需要将上述缺陷及时检出。激光超声
无损检测技术是一种结合了超声波探伤（UT）高精度特性
[1]
和光学系统高灵活性特性
[2]
的
检测技术，具有非接触性和不损伤待检测样品
[3]
的优点，在风机叶片、发动机叶片等结构
损伤检测中已经有着广泛的应用
[4-5]
。结构健康监测是指对工程结构的损伤识别及损伤表征
的过程。将无损检测技术和结构健康监测技术结合，可以实现结构局部损伤至整体损伤的
全尺度监测，从而有效的提高结构安全评估的准确性。
在各种无损检测技术中，激光超声非全波场检测技术通过检测超声波脉冲和缺陷的相
互作用后的反射、透射或散射来识别缺陷，包括投捕法（Pitch-Catch）、脉冲回波法
（Pulse-Echo）等进行厚度测量或样品力学性质表征。激光超声无损检测技术可通过全场
波传播成像技术在目标检测区域构建全场超声波传播的时间序列图像实现缺陷可视化
[6-11]
。
从构造的波场图像中可以直观地识别信号，包括缺陷的反射和散射信号等。通过识别超声
波与缺陷相互作用（包括驻波能量
[12]
、波数变化
[13]
或波场变化
[14]
），可以实现缺陷可视
化。例如，扫描一个面积为 5 cm×5 cm 的铝板，扫描间隔为 1 mm，信号平均次数为 100
次，脉冲激光重复频率为 100 Hz，需要 40 min
[15]
。
压缩感知
[16]
（Compressed sensing）技术利用信号稀疏特性，将信号变换到一个新的基
或信号空间下，当信号在基或信号空间中的非零系数小于原信号空间的系数时，可以把这
些非零系数称为原信号的稀疏表示。通过在基或信号空间上的信号重构，可重构出原信
号。针对上述激光超声扫描时间长的问题，使用基于激光超声的压缩感知技术
[15, 17-20]
可以
用较少的实测超声信号构建波场图像，从而缩短检测时间。Byeongjin Park 等将二分搜索和
压缩感知技术运用到表面缺陷的波场重建中，其模拟和实验的结果都表明上述方法重建的
表面缺陷周围波场与高空间分辨率全场扫描的波场能较好吻合。利用上述压缩感知特性，
可将实测体内缺陷反射的宽频带信号压缩，在特定的窄频带中重构信号，在窄频带中重构
出的信号不但可以保留宽频带信号中缺陷反射信号，而且重构的信号更有利于识别缺陷反
射信号
[21]
。Byeongjin Park 等人的工作解决了表面缺陷定位加速的问题，但没有解决体内缺
陷定位加速的问题
[22]
。
为了解决这一问题，文中提出了一种基于激光超声扫描的体内缺陷定位加速技术。该
技术采用二分搜索和压缩感知方法来减少扫描次数和降低扫描分辨率的方式，实现体内缺
陷定位的加速。首先通过二分搜索方法选择空间稀疏点。检测采用脉冲激光激发超声信
号、多普勒频移测振仪（LDV）检测超声信号，通过固定激发探测距离、移动样品的扫描
方式，在这些空间稀疏点实现扫查检测，获得表面波到达时间相同的超声信号。然后，使
用基于小波变换的压缩感知算法将探测到的信号在特定频带中重构，识别缺陷反射信号，
分析出此时激发探测点与体内缺陷的相对位置关系。接着，通过压缩感知算法输出体内缺
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