《Ultrasonics》：Waveguide-based in-process ultrasound inspection and imaging in harsh environments: advances and challenges
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过程工程通常需要连续监测暴露于化学腐蚀性环境或高温下的部件结构健康。例如，热太阳能发电厂中必须监测液态金属传热流体以确保安全高效运行，以及锂或下一代电池中液态金属电极或电解质可能产生不均匀流动、不稳定性或热点，这些可通过超声实时检测。然而，传统接触式超声成像在
过程工程通常需要连续监测暴露于化学腐蚀性环境或高温下的部件结构健康。例如，热太阳能发电厂中必须监测液态金属传热流体以确保安全高效运行，以及锂或下一代电池中液态金属电极或电解质可能产生不均匀流动、不稳定性或热点，这些可通过超声实时检测。然而，传统接触式超声成像在这些应用中受到限制，因为换能器对恶劣条件高度敏感（恶劣环境已包括高温，常导致设备故障）。波导通过将换能器与腐蚀性环境隔离提供了一种有前景的替代方案。单模波导（SMWGs）已被广泛研究用于超声检测，提供热损伤保护但需要缓慢的点对点扫描成像。因此，研究人员提出了多模波导（MMWGs）用于高温超声成像，尽管在润湿性、几何形状、边界条件以及开发像差校正算法以解决波前畸变方面仍存在挑战。本文系统综述了用于高温条件下结构健康监测的超声波导换能器，评估了关键设计，突出了其优点、缺点和知识贡献，并调查了适用于恶劣环境的像差校正方法和建模方法。该综述还追溯了从SMWGs到利用多种波模式的先进MMWGs的演变，讨论了计算超声成像的机遇，并概述了未来研究方向。这些发现支持了基于波导的超声成像在太阳能和电池应用中高温液体监测的优化，并具有通过像差介质（如颅骨）改善医学超声成像的潜在可转移性。
论文主体内容总结
1. 引言
在过程状态监测（IPCM）技术涉及在不中断操作的情况下实时评估过程或部件的健康、性能和完整性，其主要功能包括早期故障检测、故障预防和效率优化。这些技术广泛应用于核反应堆熔体流动研究、晶体生长、连续金属铸造、电化学能源系统和废物玻璃化等领域。尽管IPCM具有优势，但应用常涉及不透明流体和恶劣操作条件，包括腐蚀性化学品、高达1400°C的极端温度和高通量电离辐射，给测量系统带来严重挑战。传统方法如光学成像不适用于不透明介质，而接触式感应流动层析成像（CIFT）局限于高导电性流体且时间分辨率低。基于吸收的方法（如中子射线照相和X射线成像）成本高且辐射诱导样品损伤限制了实用性。相比之下，超声作为一种多功能且经济高效的替代方案，结合了广泛的材料兼容性、在不透明介质中的深层穿透以及相对较高的时空分辨率（最小可检测容器尺寸约38微米）。超声已被证明可在高达800°C的高温环境中工作。然而，高温会改变流体属性如声速、密度和粘度，进而影响成像性能。典型超声系统由换能器、驱动和接收电子设备、耦合或缓冲结构以及信号处理单元组成。换能器基于压电、电磁声换能器（EMAT）或电容式微机械超声换能器（CMUT）技术，对极端环境高度敏感，常需要保护措施如外壳、延迟线或波导。每种方法都有局限性，从EMAT的换能效率降低到CMUT的热应力约束，以及波导传播中的信号畸变。因此，恶劣环境下超声系统的性能由换能器、缓冲介质（如波导）和信号处理策略三个相互依赖的因素共同决定。现有综述主要集中在压电材料在高温和中子辐射下的性能，或涂覆超声换能器在高温环境中的应用，但缺乏对波导、信号处理技术和多模波导（MMWGs）的系统集成。本文从工程系统角度提供了恶劣环境下超声流量测量技术的综合评估，并扩展讨论到导波模式如兰姆波。
2. 波导中使用的材料性质
用于恶劣环境超声成像的波导有两大主要功能：保护换能器免受介质直接接触，以及作为传播通道将换能器耦合到介质，支持多种波模式传输以促进三维成像。波导需在恶劣条件下保持物理和化学稳定性，同时具有低声衰减、良好润湿性和与介质匹配的声阻抗。热性能方面，表1总结了常用波导材料的热阻和化学耐受性，包括不锈钢、铝、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、硼硅酸盐玻璃、碳玻璃和铜。不锈钢在高压力化学环境（如核反应堆）中非常有效，可在高达620°C的铜锡合金中工作30分钟而不损坏，但长时间暴露后信号质量因溶解而下降。PMMA适用于室温液体环境，但超声辐射会侵蚀其表面。铝廉价且轻质，但高热导率和热膨胀限制其高温性能。硼硅酸盐玻璃结合了低热膨胀和中等热导率，软化点约820°C，具有高化学耐受性。声学性质方面，信噪比（SNR）主要受波导与介质界面的波传播影响，关键因素包括特征声阻抗和润湿性。表2列出了常用波导材料和介质的声阻抗及相应功率传输系数。非理想界面（表面粗糙度与超声波长相当）会导致散射，降低有效传输能量。润湿性通过表观接触角表征，接触角小于90°表示良好润湿，大于90°则为非润湿系统。非润湿系统会捕获气体气泡，导致强烈反射。表3总结了不同熔体中常用波导材料的润湿特性。温度显著影响润湿性，例如钠在304L不锈钢上的接触角在约350°C以上改善。波导在高温下的波传播受温度影响，包括声速变化、衰减增加和非线性效应，这些影响需温度感知建模或现场校准。
3. 超声波导
超声流体成像在恶劣环境下的性能取决于波导内的波传播行为。基于支持模式数量，波导分为单模波导（SMWGs）和多模波导（MMWGs）。报告的横向和轴向分辨率分别约为1.47毫米和0.75毫米。多模特性导致信号中多个波包到达，产生拖尾回波，造成严重图像像差。单模波导（SMWGs）通过抑制不需要的模式来解决此问题，可通过工程结构或选择性激励实现。本部分综述了杆型和板型波导的最新进展。
3.1 杆型超声波导
3.1.1 杆型波导波传播基础圆柱杆波导是最广泛研究的几何形状，其波传播由Pochhammer-Chree频率方程描述，支持三种模式形状：纵向（L）模式、扭转（T）模式和弯曲（F）模式。色散和多模性导致空间分辨率和SNR下降。扭转模式（T(0,1)）非色散但不适用于流体成像。纵向模式在零斜率点附近可提供低色散区域。多模性导致拖尾回波问题。通过设计波导几何形状可在所需带宽内实现低色散，但可能仍有杂散反射。
3.1.2 单模杆型波导单模波导（SMWGs）的开发通过两种主要策略：优化色散关系以扩展单模区，或防止拖尾回波同相相加。包层杆波导通过在核心周围包裹不同声学特性的包层，可支持更少模式，抑制高阶模式。包层杆波导已在熔融镁和铝中实验验证，SNR高达35 dB。其他策略包括在杆表面加工螺纹状凹槽或锥形杆。锥形杆通过渐变直径使高阶模式高度色散，SNR可超过50 dB。Xia等研究了圆形圆柱波导用于超声相控阵成像，但面临杂散反射和色散问题。目前大多数SMWGs设计用于单元素换能器，通过点对点机械扫描实现二维或三维成像，时间分辨率低。
3.2 板型超声波导
3.2.1 板型波导波传播基础板结构支持剪切水平（SH）波和兰姆波模式，其中兰姆波分为反对称（A）和对称（S）模式。在流体耦合时，还可能出现准Scholte模式。兰姆波可泄漏纵波进入流体，称为泄漏兰姆波。Scholte波是理想单模式且非色散，传播速度略低于流体纵波速度。板型波导与杆型相比，可支持更大孔径，便于相控阵耦合。
3.2.2 板型单模波导Kim等利用泄漏A0兰姆波开发了SS304板波导用于钠冷快堆检测，通过铍涂层提高A0模式相速度，实现流体中波束辐射，C扫描成像分辨率约5毫米。Bourdais等优化了辐射表面几何形状。Xia等使用堆叠薄板波导作为缓冲层，支持低色散S0兰姆波模式。Dou等探索了Scholte波用于定位气泡，可检测小至150微米的物体，SNR超过20 dB。然而，板型波导的相控阵成像尚未实现，主要障碍是波导与流体中波速不匹配导致延时计算复杂。
3.3 通过多模波导的超声相控阵成像为实现高时间分辨率，相控阵常用于消除机械扫描。但相控阵需要较大横截面的波导，这些波导通常属于MMWGs，其中拖尾回波严重扭曲波前，传统波束形成无法直接应用。表6比较了SMWGs和MMWGs的优缺点：SMWGs时空分辨率受限，而MMWGs需要先进信号处理方法来补偿波前畸变。
4. 基于波导的过程检测信号处理与重建
多模波导（MMWGs）中的超声成像面临模态色散、波前畸变等挑战。本部分介绍信号处理方法，包括滤波技术、时频信号处理技术、反卷积方法、波束形成技术以及时间反转（TR）和基于模型的反向重建方法。
4.1 信号模型与波导诱导畸变记录信号可建模为发射信号与系统冲激响应（IR）的卷积。在MMWGs中，信号由多个模式组成，需要特定信号处理技术补偿畸变。
4.2 后处理与回波增强
4.2.1 滤波技术线性滤波技术（如带通滤波）用于噪声抑制和模式隔离。自适应滤波（如最小均方（LMS）算法）可调整系数减少干扰。分裂频谱处理（SSP）通过多子带分解和重建提高SNR。
4.2.2 时频信号处理技术连续小波变换（CWT）提供同时时间和频率定位，用于缺陷检测和模式分离。希尔伯特变换用于提取包络，改善基于幅度的特征。
4.3 反卷积方法反卷积方法（如维纳反卷积、匹配滤波反卷积和稀疏反卷积）用于恢复反射率函数，抑制旁瓣，提高轴向分辨率。
4.4 波束形成技术传统相控阵波束形成依赖于预定义的几何延迟定律，但MMWGs中的多模传播破坏了确定性几何关系，使得直接延迟求和波束形成不可行，需自适应波前校正。
4.5 基于时间反转的波前补偿
4.5.1 时间反转的物理与数学解释时间反转（TR）利用线性波动方程在损失无介质中的互易性，通过记录信号、时间反转并重新发射，可补偿复杂畸变，在源位置重建信号。TR操作等价于匹配滤波器，提供最高SNR。但TR需要探头源，限制了成像范围。
4.5.2 通过多模波导的时间反转聚焦时间反转聚焦（TRF）已在混沌腔中实验验证，可成功重建短脉冲。Dawidowski等展示了TR在MMWGs中优于传统波束形成，可处理复杂未知几何。
4.5.3 时间反转虚拟阵列时间反转虚拟阵列（TRVA）通过预校准虚拟阵列与物理阵列之间的传递函数，实现波束形成，无需物理探头源。Kalibatas等在水和液态金属（GaInSn）中验证了TRVA成像，横向分辨率达毫米级，对比度约4 dB。
4.6 恶劣环境中的现场TRVAGrüter等通过引入钢针作为导星，在高温熔盐中实现了现场TRVA校准，成功成像了上升的氩气泡，在-17 mm < x < 7 mm区域内有效成像，MSE低且PBR高。
4.7 基于模型的反向重建最小二乘最小残差（LSMR）和最小二乘QR（LSQR）迭代方法通过求解最小二乘问题重建图像，适用于复杂声场，但需要先验系统矩阵，且对温度波动敏感。表7比较了TR和LSMR/LSQR方法的特征，TR计算效率高，适于强散射环境，而LSMR/LSQR更鲁棒灵活。
5. 波导中波传播的建模数值建模是理解和预测波导中波传播的重要工具。常用软件包括k-Wave MATLAB工具箱、Field II、COMSOL Multiphysics、MUST、CIVA Ultrasound、GUIGUW、Disperse和Dispersion-Calculator。表8比较了这些工具在色散关系分析和波传播建模方面的适用性。k-Wave基于伪谱方法求解完整波动方程，支持非线性声学效应和波束形成。COMSOL基于有限元方法，适用于压电换能器和高温度效应建模。Field II基于Tupholme-Stepanishen方法计算时空冲激响应。其他工具各有侧重。数值建模可预测波导几何形状、温度依赖性材料属性、界面耦合和不均匀介质对信号的影响，支持波导设计和校准策略。
6. 结论与未来研究方向本文综述了超声波导换能器在高温、化学腐蚀和辐射环境中的进展与挑战。三个关键挑战包括：波导-液体界面不完全润湿、模式转换和反射损失对波导几何形状和边界条件的强依赖性、以及需要鲁棒的信号处理方法（如TRVA依赖校准，可能随操作条件变化）。未来研究应探索导波模式与计算成像方案的结合，发展反射率矩阵方法以校正像差，并应用深度学习算法处理温度波动。自适应波束形成和基于深度学习的计算成像方法有望显著贡献于这些应用。
