基于激光超声幽灵成像技术的高分辨率、高效的单探测器三维内部缺陷成像方法

《Mechanical Systems and Signal Processing》：High-resolution and efficient single-detector imaging of internal defects in three dimensions based on laser ultrasonic ghost imaging

基于激光超声与计算幽灵成像的非接触检测方法，提出结合空间调制的激光超声与压缩感知算法的LUGI技术，实现超分辨率缺陷成像与深度估计，误差低于5%和0.1mm，检测效率提升75%，适用于精密制造等领域。

　　

作者：陆传宇|陈浩|陈志恒|潘凡云|丁雷|卢强兵|严思成|徐晓东|田远|闫学军|陆明辉|陈彦峰

南京大学固态微结构国家实验室，中国南京210093

摘要

超声成像在工业无损检测（NDT）、结构健康监测和医学诊断中得到广泛应用，但经常面临空间分辨率、检测效率和在线监测方面的限制。本文介绍了一种高性能的激光超声幽灵成像（LUGI）方法，该方法结合了空间调制激光超声技术和计算幽灵成像（CGI）算法。仿真和实验均验证了LUGI具有超分辨率超声成像特性，即使仅使用单个探测器也能实现这一效果。此外，通过采用近场声全息（NAH）算法，LUGI能够清晰地反演内部缺陷的图像并估计其深度，从而克服了长距离超声传播过程中幽灵成像效果退化的现象。对于深度为1.4毫米的内部缺陷，其横向尺寸测量误差小于5%，深度估计精度可达0.1毫米。通过集成压缩感知算法，LUGI的成像时间比传统方法缩短了75%。这为更准确、高效且低成本的非接触式光声成像技术奠定了基础。

引言

超声成像[1],[2],[3]是一种通过捕捉样品内部的散射超声波来可视化内部缺陷、结构和机械性能的无损且高效的方法。自20世纪60年代问世以来，该技术在工业无损检测[4],[5]、医学诊断[6],[7],[8]、材料表征[9],[10]和生物工程[11],[12]等领域得到了广泛应用。目前，超声成像已成为航空航天[13],[14]、集成电路[15],[16],[17]、基础设施[18],[19]等领域不可或缺的无损检测方法，是识别安全隐患和确保设备可靠性的基础。

扫描声学显微镜（SAM）是一种具有约1.5微米空间分辨率和约2.5微米探测深度的超声成像技术[20],[21],[22]。该技术通过单个超声换能器的逐点机械扫描实现内部结构的B扫描或C扫描成像。因此，其检测效率较低，分辨率受超声换能器的带宽和焦斑大小以及机械扫描步长的限制，难以突破超声波的衍射极限。相控阵超声检测（PAUT）技术通过控制多通道传输和接收序列以及阵列元件之间的延迟时间，并结合合成孔径[23],[24]、全聚焦[25]和逆时移[26]等成像算法来实现超声成像。与单点扫描成像相比，PAUT技术具有更快的成像速度和更好的成像质量。然而，具有数百个通道的相控阵系统更为复杂且成本较高，其分辨率通常约为20微米[27],[28],[29]，且其先进的成像算法需要更高的计算成本。此外，上述两种超声成像方法都需要耦合剂来保持与被测物体的良好接触，因此无法在生产线上实现真正的非接触式、高效在线监测，例如在集成电路、电池和增材制造等领域。

幽灵成像[30],[31],[32]（也称为相关成像）最初出现在量子光学领域。该方法利用光场内的固有相关性，使得即使使用缺乏空间分辨率的单点探测器也能实现全场成像，通常称为“单像素成像”[32]。1995年，Pittman及其同事[31]首次使用纠缠光子源展示了这一技术。随后，Bennink及其同事[33]通过使用经典激光照射随机旋转的磨砂玻璃板实现了经典幽灵成像，从而证明经典光源也可用于此应用。2008年，Shapiro等人[34]提出了计算相关成像的理论框架，简化了光学设置，无需参考激光束即可实现幽灵成像。目前，大多数幽灵成像研究主要集中在光学领域。鉴于声波和电磁波遵循类似的波动方程，理论上也可以在声学中实现幽灵成像。

目前，声学幽灵成像的研究主要分为时域[35]和空间域[36],[37],[38],[39]方法。在时域研究中，Tian等人[35]利用声学幽灵成像技术对旋转的切割器进行了时域成像，结果表明幽灵成像对噪声具有很强的鲁棒性，并能有效减轻噪声对成像质量的影响。在空间域研究中，Li等人[36]使用四个40 kHz的超声换能器实现了双缝物体的一维声学幽灵成像，结果发现其分辨率可超过传统相控阵成像技术。基于双路径伪热光学幽灵成像，Zhang等人[37]使用单个超声换能器作为接收器来接收激光光激发的光声信号，从而利用时域声学数据实现了物体的三维重建。然而，据我们所知，与光学领域相比，声学幽灵成像的研究仍处于起步阶段。由于缺乏实时和灵活的空间调制器，难以通过快速切换数千种编码的声学模式来实现高质量的空间域声学幽灵成像。此外，被测物体必须靠近声源，以避免声波衍射效应导致的图像失真或模糊。因此，在超声无损检测中，只能检测到靠近表面的缺陷，获取内部缺陷的深度信息更加具有挑战性。

激光超声技术（LUT）[40],[41],[42]是一种非接触式超声无损检测方法，利用激光产生和检测超声波。通过使用高能脉冲激光，LUT可以生成高频、宽带的超声波[43]，超声波的模式和空间分布[44]主要由脉冲激光的特性决定。因此，通过空间光调制器灵活调节脉冲激光的能量分布，可以任意激发多种声场模式。这些模式可以用作空间编码的超声源，实现声学空间幽灵成像。同时，由于采用了较小的激光探测点和更高的超声频率，LUT可以实现接近光学衍射极限的高分辨率成像。然而，关于幽灵成像技术在激光超声中的应用仍缺乏系统的理论和实验研究[45],[46],[47]，特别是在分辨率、检测效率和内部缺陷无损检测的层析分析等关键性能指标方面。

本文介绍了一种结合压缩感知算法[48],[49],[50]的激光超声幽灵成像（LUGI）无损检测（NDT）方法，并使用单个超声探测器展示了不同形状和深度内部缺陷的理论和实验成像结果。首先发展了一套全面的理论来分析LUGI技术的超分辨率特性，证明了LUGI的空间分辨率可接近空间光调制所能实现的最小像素尺寸，即光学衍射极限。随后，理论和实验结果均表明，在LUGI方法中应用压缩感知算法可以提高成像效率。此外，该方法还采用了近场声全息算法对不同尺寸和形状的内部缺陷进行反演成像，显示出比传统超声技术更高的分辨率，能够提取内部缺陷的横向尺寸和纵向深度信息。这项工作突出了LUGI方法在成像分辨率、效率和三维分析方面的优势，为无损评估、医学超声和其他声学成像技术的应用提供了宝贵的见解。

压缩感知基础的计算幽灵成像原理

激光超声幽灵成像（LUGI）是一种源自声学计算幽灵成像（ACGI）的新兴声学成像方式。ACGI算法是LUGI的核心，其工作原理如图1所示。

在ACGI中，平面超声波垂直入射到被检测物体上。经过编码掩模和物体的空间振幅调制后，传输场由桶形探测器收集，而探测器本身不参与空间调制。

激光超声幽灵成像的仿真结果

在前一节中详细描述了ACGI的原理。这里通过数值仿真来说明LUGI中的具体实现方式。为了避免传统弹性动力学仿真（尤其是需要重复进行三维瞬态声场计算的有限元方法）的高计算成本，采用了角谱方法（ASM）来解析模拟离散时空坐标下的超声波传播。

实验样品和系统

在本研究中，进行了LUGI实验以验证所提出方法的可行性，并评估其在分辨率、成像效率和深度信息分析方面的性能。为此设计了三种类型的测试样品，每种样品由两块厚度分别为0.6毫米和1.4毫米的6061铝合金板通过扩散焊接连接而成。样品上制造了具有不同几何形状的人造缺陷，且所有缺陷的压痕深度均为0.4毫米。

结论

本文提出了一种基于压缩感知算法的激光超声幽灵成像方法（LUGI），用于高性能无损检测（NDT），适用于表面和内部缺陷的检测。研究表明，激光超声的高配置性为编码声场激励提供了理想的方法。通过结合计算幽灵成像的相关算法，实验实现了实时、快速响应的声学幽灵成像。

CRediT作者贡献声明

陆传宇：撰写初稿、可视化处理、验证、软件开发、方法设计、数据分析、数据整理。 陈浩：验证、数据分析。 陈志恒：软件开发。 潘凡云：数据分析。 丁雷：研究指导。 卢强兵：方法设计。 严思成：研究指导。 徐晓东：研究指导。 田远：研究指导。 闫学军：撰写、审稿与编辑、研究指导、资金获取、概念构思。 陆明辉：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52394162、52027803）和国家重点研发计划（2022YFA1404404）的支持。同时，也感谢江苏省基础研究计划（BK20244002）和苏州实验室开放研究基金（SZLAB-1608-2024-ZD020）的支持。