在21世紀(jì)初，相控陣超聲技術(shù)從醫(yī)療成像領(lǐng)域拓展到工業(yè)無損檢測領(lǐng)域，并確立了其重要地位。工業(yè)相控陣超聲檢測(PAUT)系統(tǒng)是利用多個可獨立控制的陣元或通道發(fā)射和接收超聲波信號的系統(tǒng)。
相較于傳統(tǒng)單通道系統(tǒng)，PAUT能更準(zhǔn)確地檢出缺陷，覆蓋范圍更廣，效率更高，可有效識別安全隱患，降低事故風(fēng)險，已在航空航天、特種設(shè)備、石油化工、海洋平臺、鐵路、電力、核工業(yè)、軍工、冶金和建筑等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
工業(yè)PAUT產(chǎn)品的基本功能是采用線性的波束成形(BF)技術(shù)，制定發(fā)射延時法則控制各陣元的激發(fā)時機，操控超聲波在被測件中的干涉行為，實現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)和聚焦，通過延時接收合成波束和電子掃描得到相控陣成像圖。
隨著檢測標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，傳統(tǒng)基于線性BF的成像方法已無法滿足對更高靈敏度和分辨率的需求，故衍生出全聚焦(TFM)、平面波成像(PWI)和相位相干成像(PCI)等新的成像技術(shù)。
為克服傳統(tǒng)PAUT方法的局限性，學(xué)者們研究出了非線性、超聲導(dǎo)波、空耦超聲、電磁聲換能器和激光超聲等形態(tài)各異的、非典型的PAUT系統(tǒng)。這些系統(tǒng)拓展了PAUT的內(nèi)涵，成為當(dāng)前相控陣超聲檢測領(lǐng)域的研究熱點。
近年來，PAUT技術(shù)也開始與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)技術(shù)相互融合。不同于傳統(tǒng)的無損檢測，SHM技術(shù)重在對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進行長期的連續(xù)監(jiān)測和評估，而PAUT技術(shù)的引入提升了監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度，能夠有效監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，及時提供預(yù)警和報警信息，為預(yù)防性維護提供數(shù)據(jù)支持。
一、相控陣通用數(shù)據(jù)格式與存儲方法
工業(yè)相控陣的智能檢測和云監(jiān)測是當(dāng)前研究的熱點，但因各供應(yīng)商或研發(fā)團隊數(shù)據(jù)格式和存儲方法不統(tǒng)一，容易形成“信息孤島”。到目前為止，本領(lǐng)域仍缺乏公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，這將限制智能檢測及云監(jiān)測的發(fā)展。
在超聲醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(DICOM)協(xié)議是醫(yī)學(xué)成像信息和相關(guān)數(shù)據(jù)的通信和管理標(biāo)準(zhǔn)，對發(fā)展遠(yuǎn)程超聲技術(shù)和超聲智能輔助診療技術(shù)有重要意義。
無損檢測中的數(shù)字成像和通信(DICONDE)協(xié)議是DICOM協(xié)議的延伸，是一個可用于射線、CT、渦流及超聲檢測的通用數(shù)據(jù)格式。其中，ASTM E2663-23是DICONDE的數(shù)字化超聲檢測部分，替代了舊標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1454—02(即現(xiàn)行國標(biāo)GB/T 25759—2010)。
DICONDE繼承了DICOM的數(shù)據(jù)循環(huán)利用功能，支持從相控陣檢測到數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)庫存儲、數(shù)據(jù)挖掘/智能判別及再檢測的全流程?？梢?，DICONDE有助于打破“信息孤島”，成為智能決策的基石。
二、混合驅(qū)動的相控陣智能檢測/監(jiān)測方法
鑒于DICONDE協(xié)議當(dāng)前不可用，仍有必要通過較小的數(shù)據(jù)量來實現(xiàn)相控陣智能檢測。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動方法存在普適性不足、可解釋性低等問題，且對數(shù)據(jù)標(biāo)注高度依賴。因此，人工智能2.0的關(guān)鍵是將數(shù)據(jù)驅(qū)動與知識驅(qū)動方法有機融合，建立混合驅(qū)動方法來提高深度學(xué)習(xí)的可解釋性和效率，并降低對數(shù)據(jù)的要求。
如何引入先驗知識、邏輯規(guī)則、物理定律和因果關(guān)系等知識，提高泛化能力、可解釋性和魯棒性，是相控陣智能檢測領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題之一。
混合驅(qū)動的方法主要可分為3類：知識驅(qū)動為主、數(shù)據(jù)驅(qū)動為主、知識驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動并重的混合方法。物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PINN)是一種以知識驅(qū)動為主的混合方法。
Alkhadhr等使用PINN通過嵌入二維波動方程作為約束條件，并結(jié)合邊界和初始條件進行訓(xùn)練，計算了3陣元相控陣探頭的瞬態(tài)聲場，經(jīng)過3萬次迭代后，PINN能夠計算出不同時間點的聲場。但是，使用此類方法時還需考慮物理模型的局限性、數(shù)據(jù)依賴性和計算效率等因素。
三、面向極端服役環(huán)境的相控陣測量方法
當(dāng)前，面向極端環(huán)境的相控陣超聲檢測研究較少，尤其在核聚變領(lǐng)域。核聚變被視為未來清潔能源的關(guān)鍵，但對等離子體材料(PFM)的研究是關(guān)鍵瓶頸之一。
PFM需承受高溫、粒子輻射及中子嬗變產(chǎn)生的氫氦影響，這對材料性能提出了極高的要求。我國的全超導(dǎo)托卡馬克裝置“EAST東方超環(huán)”中，包層、偏濾器都采用純鎢作為PFM，但存在低溫脆性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度高和輻照脆化等問題。在聚變反應(yīng)時，壁面需要承受14 MeV的高能中子輻照轟擊，最高溫度可達到1800℃，容易形成輻照損傷和熱裂紋。
Wang等使用了機械手帶動15 MHz單探頭對偏濾器穹頂進行離線的水浸C掃描成像，可檢出?1.6 mm的平底孔缺陷。當(dāng)前，仍缺乏針對輻照損傷的相控陣檢測機理研究及抗輻射相控陣探頭開發(fā)，這將影響核聚變堆用材料的缺陷檢測技術(shù)發(fā)展。
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