0 引言
超声检测技术主要应用在雷达、医学、工业等检测领域，各种检测领域根据各自检测条件，充分利用超声回波信号研究适合各自检测领域的成像方法，使得超声成像方法各异，分类标准不一，本文根据工业检测领域超声成像方法的研究现状，对工业检测领域超声成像方法进行总结与评价。
超声成像原理主要分为脉冲回波成像、多普勒成像和透射法成像。脉冲回波成像主要是根据待测试件的超声回波信号幅度等信息进行超声回波信号处理，进而得到超声图像信息。在工业检测领域中，主要采用脉冲回波成像原理进行超声成像，因此本文主要对脉冲回波成像原理下的超声成像方法进行研究。
超声成像作为判断检测试件有无缺陷、缺陷位置、大小及其他物理特性的常用方法，是超声检测结果得以显示与评价的手段，因此超声成像方法被广泛研究。回顾超声成像方法发展的百年历程，紧紧围绕如何进行高速度与高质量的超声成像进行广泛研究，直至今日，高速度高质量新的超声成像方法、成像算法、成像技术仍然是超声成像界研究的热点、重点与难点。目前，超声成像方法种类繁多，算法各异，又相互交叉，国内外未有统一分类标准。不同的分类标准有不同的结果。超声成像方法根据超声回波信号是否直接显示将工业超声成像方法分为简单超声成像与复杂超声成像，其中复杂超声成像方法根据发展历程分为传统超声成像方法与现代超声成像方法。
本文旨在对比分析目前工业超声检测领域中常用的超声成像方法，重点是对现代超声成像下的合成孔径成像、全聚焦成像等进行研究；最后对超声成像现存的主要问题以及未来发展方向与应用前景进行展望。
1 简单超声成像方法
简单超声成像方法主要指采用常规脉冲信号激发超声传感器直接显示超声图像的超声成像方法，根据命名方式的不同，主要分为A扫、B扫、C扫、S扫、P扫等。目前，基于衍射现象的TOFD成像方法采用扫描成像，缺陷容易判读，并且检测精度高，包含丰富的图像信息，并且不同于A扫超声成像方法，是一种新的超声扫描成像方法。
简单超声成像方法能够实时显示待测试件检测效果，但是成像质量不佳，难以进行记录与缺陷判断与识别。由于简单超声成像方法存在上述不足，因此复杂超声成像方法的研究势在必行。
2 复杂超声成像方法
2.1 传统超声成像方法
延时叠加是超声成像中最传统、最简单的也是目前应用最广泛的成像方法之一；在这种方法中，通过对阵列或相控阵的各个单元引入不同的延时，而后合成为聚焦波束，以实现对声场各点的聚焦成像。由于延时精度的限制，难以进行精准延时，实现高质量的超声成像效果受到限制。因此学者根据延时叠加原理衍生出不同的现代超声成像方法。
2.2 现代超声成像方法
现代超声成像方法主要是在传统超声延时叠加成像方法的基础上发展而来，现代超声成像方法根据数据处理方式的不同，主要分为前处理成像与后处理成像，现代超声成像方法分类如图1所示；其中前处理成像方法主要是根据延时叠加等技术发展而来的超声相控阵成像方法与超声阵列成像方法；后处理成像方法主要是根据超声回波信号采集后根据相应算法进行超声成像而得来的合成孔径成像方法与全聚焦成像方法等。本文将重点研究工业超声成像中常见的相控阵成像方法、合成孔径成像方法与全聚焦成像方法。
图1 工业检测常见现代超声成像方法分类
2.2.1 相控阵超声成像方法
超声相控阵技术应用于工业检测领域30余年，逐渐成为超声检测领域重点研究方向。相控阵超声成像方法的出现具有划时代意义。早期相控阵超声成像方法在超声波发射时根据不同的聚焦和偏转法则进行延时；根据A扫回波信号延时叠加实现聚焦点和声束方位的变化，通过线性和扇形扫描、动态聚焦等方式对待测试件内部进行超声成像。相控阵超声成像速度快，图像清晰，检测灵活。但是延时精度越高超声成本越高，同时相控阵超声成像在复杂环境下检测效果受限，超声分辨力并不高，因此相控阵超声成像为了获取待测试件内部更多信息，并逐渐采用其他算法进行后处理成像。
2.2.2 合成孔径超声成像方法
合成孔径超声成像可以通过低工作频率和小尺寸换能器以获得高分辨率和高对比度，并能够解决频率与穿透深度之间的矛盾问题。合成孔径成像近场区域成像效果较好，具有良好的横向分辨率，可以在聚焦区域产生动态聚焦效果，但合成孔径超声成像方法重点在于对扫描数据的存储和后期数据的处理，计算数据量庞大，实时性不易实现。但是合成孔径超声成像在工业无损检测领域中应用前景可观。
2.2.3 全聚焦超声成像方法
基于全矩阵采集的全聚焦超声成像方法能够提高横向分辨率，扩大扫查范围，提高信噪比，可检测复杂结构试件。然而自全矩阵采集全聚焦成像方法提出以来，由于全矩阵采集原始数据，使得采集数据量庞大，存储与处理困难，限制全聚焦成像的实时性，因此学者对采集数据方式进行了研究，目前主要是有全矩阵采集、半矩阵采集、局部动态合成矩阵采集及稀疏矩阵采集等，都是为了在保证超声质量的同时减少采集数据量，提高成像速度。对全聚焦超声成像方法进行研究，提出不同的成像算法，主要是采用全聚焦成像、向量全聚焦成像与波数域成像等方法，使得检测精度及缺陷表征能力得以突破。全聚焦成像原理图如图2所示。
图2 全聚焦超声成像原理图
全聚焦超声成像方法被医学超声成像界称之为“黄金准则”，具有良好的成像质量。目前全聚焦成像方法主要是围绕高性能实时动态的全聚焦成像方法进行研究。全聚焦成像方法存在的主要问题是成像实时性与对各向异性材料检测困难。
3 超声成像发展方向与应用前景
目前，常规超声成像方法都是单脉冲信号激励超声传感器，平均发射功率和信噪比受限，超声成像穿透力和分辨率难以提高，编码超声信号可以解决上述问题；基于编码超声信号的超声成像方法是目前研究的热点之一；同时，现在超声成像方法多为平面成像，多维超声成像方法依然是超声成像界研究的热点。通过文献总结，超声成像未来发展方向和应用前景如下所述：
（1）提高超声成像质量与成像速度，尤其是工业超声成像分辨率和对比度等将有助于微小缺陷的检出；实现高速实时动态成像是超声成像研究的重点内容，有利于在线实时检测。
（2）利用超声回波信号中更多的声学参量作为载体，充分获取待测试件内部信息，实现多维度动态成像，以便对检测试件的全面检测与评估。
（3）超声成像方法交叉融合形成新的超声成像方法。通过不同激励、探测方法和缺陷表征与超声成像方法交叉融合，提供更高检测性能、适用性、可靠性和经济性的超声成像方法。
（4）结合“中国制造2025”的要求，可以研究工业装备智能化超声成像方法、实现工业设备实时在线检测与自适应超声成像。
（5）未来工业超声成像方法主要将在航天航空、高铁、船舶、核能等领域进行研究，主要是对复杂结构试件与复合材料试件的超声检测与成像。
4 结语
本文主要完成对工业检测领域超声成像中几种常见超声成像方法进行归类和评价；对工业超声检测领域常见的超声成像方法的特点、应用场合以及难点等有了清晰的认识；并简单阐述了超声成像发展方向和未来应用前景；并为超声成像方法的改进和应用领域的拓展等提供参考信息。超声检测技术随着在工业领域的广泛应用，将会形成新的高性能超声成像方法或是新的超声检测技术。如果能够实现高质量高速度的超声成像将会解决工业无损检测领域中遇到的多种超声成像难题。
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收稿日期：2018-09-12
作者简介：阮进（1975-），男，江苏南京人，海装装备审价中心工程师，硕研，研究方向：装备技术。
