超声成像中全聚焦法、逆时偏移与全波形反演的定量对比研究：面向复杂缺陷检测的优化策略

本研究针对非破坏性检测中复杂形状缺陷的精准成像难题，通过对比全聚焦法（TFM）、逆时偏移（RTM）和全波形反演（FWI）三种超声成像技术，提出了一种创新的两阶段FWI框架。研究基于六组含圆形缺陷和Y型切口的铝样本实验，结合AUPRC、AUROC和F1-score等定量指标，证实FWI在多数样本中表现最优，为工业检测提供了更高精度的缺陷重构方案。

　　

在工业无损检测领域，准确识别材料内部缺陷的尺寸和形状对评估结构安全性至关重要。传统超声成像技术如全聚焦法（TFM）虽广泛应用，但其依赖单一纵波（p-wave）的特性导致复杂缺陷（如多孔结构或分叉裂纹）的尺寸评估存在显著误差。更先进的逆时偏移（RTM）和全波形反演（FWI）虽能利用全波形信息，但在实际检测中面临信号混叠、衍射信息提取困难等挑战。尤其当缺陷靠近背壁时，反射波与衍射波的叠加进一步加剧了成像难度。

针对这些问题，中国某研究机构团队在《Ultrasonics》发表论文，系统比较了TFM、RTM和FWI在六组铝试样（含圆形孔和Y型切口）中的成像性能。研究通过全矩阵捕获（FMC）获取数据，采用两阶段FWI优化策略：第一阶段排除背壁反射以定位缺陷顶部，第二阶段引入全信号提升轴向分辨率。实验结合合成与实测数据，利用AUROC、AUPRC和F1-score等指标定量评估成像质量。

关键方法
研究采用2.25 MHz相控阵探头采集FMC数据，基于谱元法（SEM）模拟弹性波传播。TFM通过延迟叠加算法重构图像；RTM通过正反向波场卷积定位缺陷；FWI则迭代更新密度模型以最小化模拟与实测信号差异。实验样本包括三组侧钻孔和三组Y型切口铝块，通过电火花加工模拟真实缺陷。

结果分析

1. 缺陷重构对比：对于圆形孔样本，FWI两阶段优化显著提升了底部孔的检出率，而TFM和RTM仅能识别顶部孔。Y型切口中，FWI在实验数据中成功重构了45°分叉结构（如Notch 2），而TFM和RTM仅显示尖端反射。
2. 定量指标：FWI在多数样本中AUROC值达0.9以上，AUPRC最高为0.602，显著优于其他方法。Notch 3因角度过小（30°），所有方法均未能完整成像。
3. 噪声鲁棒性：FWI对实验噪声表现出强容忍性，合成与实测数据结果一致性高，表明其抗干扰能力。

讨论与意义
该研究证实，FWI通过迭代优化和衍射信号提取，能够突破传统方法的轴向分辨率限制，尤其适用于背壁邻近缺陷的检测。其两阶段策略有效缓解了波形混叠问题，为工业复杂缺陷（如铸件气孔、疲劳裂纹）的精准量化提供了新思路。然而，FWI计算成本较高（需数小时），且对阵列布设敏感，未来需结合实时TFM预扫描优化检测流程。研究还发现，实验噪声意外帮助FWI跳出局部最优解，这一现象为优化算法设计提供了新视角。

论文的创新性在于首次将经典FWI成功应用于相控阵FMC数据集，并通过多指标定量对比揭示了各方法的适用场景。成果不仅推动了超声成像算法的进步，也为航空、核电等高风险领域的缺陷评估提供了更可靠的解决方案。