管道超声内检测技术目前面临的突出问题是检测数据量太大，无法实现全部数据的存储和实时处理，无法同时实现多种缺陷快速检测。本课题拟开展基于稀疏采样的超声传感器复合阵列快速检测壁厚变化类缺陷、渗漏孔、轴向及周向裂纹的机理和方法研究。首次提出超声专业字典概念，实现超声检测回波信号最稀疏表达；创新性运用稀疏采样原理，提出超声传感器检测回波信号稀疏采样机理与前端物理实现方法；创新提出稀疏采样值快速解算缺陷回波信号特征参数方法，无需重建检测信号，解决稀疏采样值恢复原始检测信号的时间贪婪性问题；采用超声传感器复合阵列方法，建立阵列空间结构参数与缺陷回波特征参数关联模型，实现稀疏采样条件下不同空间趋向缺陷重构。本课题将为解决目前管道超声内检测技术难题提供科学依据。

以管道缺陷为检测对象，以超声波为检测手段，研究了基于稀疏采样的管道缺陷超声波复合阵列内检测技术，在准确保留超声检测信号特征参数信息的基础上，大幅度减少了检测过程中产生的超声回波信号采集数据量，便于全部检测数据的有效存储和实时处理。结合超声复合阵列传感器，能够快速检测出壁厚变化类、渗漏孔、轴向及周向裂纹多种类型的缺陷。通过本项目的研究，建立了专用的超声专业字典，实现了检测脉冲超声信号的最稀疏表达；在理论上建立了超声检测信号稀疏采样的理论框架，并且采用硬件电路首次实现了超声检测信号物理稀疏采样，突破了传统奈奎斯特采样的局限，电路性能满足设计要求；在不重构原检测信号的基础上，直接由稀疏采样得到的数据解算出了回波信号的声学特征参量，解决了稀疏采样值恢复原始检测信号的时间贪婪性问题；建立了超声传感器复合阵列空间结构参数与缺陷回波特征参数关联模型，实现了稀疏采样条件下不同类型缺陷重构与可视化成像。达到了项目申请时的既定目标。 2100433B

为了减轻负载，在航天、航空等现代工业制造中，越来越多地采用薄板多栅格焊接结构。受限于多栅格结构的复杂性以及结构中板材的厚度，现有的常规无损检测技术难以实施有效的焊接质量评定。因此，薄板多栅格焊接结构的质量检测一直是亟待解决的技术难题。针对这一技术问题，本项目提出采用超声Lamb 波技术实现声波一处激发、多缝检测的方法，并开展了复杂结构焊接缺陷超声检测机理及缺陷信号识别的研究工作。首先，采用基础实验和模拟仿真相结合的研究方法，探索了超声Lamb 波在复杂结构中的检测机理。相关研究主要包括：分析了不同模态超声Lamb波的激励条件、波结构，研究了不同条件下的回波模态识别；定量及定性研究了多栅格焊接结构中超声Lamb波的传播行为及与缺陷体的作用过程；分析了声波在栅格结构几何尺寸突变处及缺陷体处发生的反射及透射行为；通过模拟仿真实现了超声Lamb波传播过程的可视化，并对典型缺陷体超声Lamb波检测回波信号进行了预测；最终选择了行之有效的超声Lamb模态及频率。以检测机理的理论研究为指导，研究了超声Lamb波信号中的缺陷特征信息的识别方法，主要包括：基于HHT的缺陷尺寸量化测量；噪声信号抑制及缺陷信号复原；基于相位信息识别的走时提取；基于声影技术的栅格结构缺陷快速检测方法；高灵敏度线聚焦超声检测方法等。研究结果表明：HHT对于识别栅格结构检测的Lamb波模式具有效性，同时IMF1分量瞬时幅值的峰值对缺陷尺寸具有较好的表征效果；基于子波相关的改进小波噪声抑制具有更好的噪声去除效果，且具有更好的鲁棒性；基于改进维纳滤波技术的处理技术能有效提取信号的相位及走时信息；基于声影技术的缺陷快速检测方法，能够实现栅格结构中3条焊缝的同时检测。本项目的研究成果为薄板复杂结构构件难于实施无损检测的问题提供解决思路，进而为保证该种构件的生产质量及使用安全可靠性奠定基础。对于生产中的质量控制、节约原材料、改进工艺以及保障安全运行都有着极为重要的现实意义。 2100433B

针对大型锻件结构尺寸大，形状复杂，通常为粗大晶粒结构，生产制造过程中易产生白点、裂纹等危害性极大缺陷，以及大型锻件应用场景的极端重要性，本项目立足于发展大型锻件超声阵列无损评价方法，突破缺陷感知和识别关键技术，提出阵列全场、定量缺陷成像识别新方法。主要研究内容包括：1）研究了构件中缺陷超声散射场提取方法，分析了大型锻件中典型缺陷与超声波相互作用机理；2）进行了不同检测参数下大型锻件典型缺陷超声阵列成像数值仿真及检测实验研究，分析了超声阵列检测参数对缺陷检测效果的影响；3）进行了基于超声阵列成像技术的缺陷识别及定量评价方法研究，并将其应用于实际大型锻件损伤检测与识别中。通过项目研究工作，取得以下研究结果：1）利用子阵列的思想，建立了缺陷超声散射系数计算模型。研究了超声散射系数分布与缺陷方向的关系，提出一种基于散射系数分布的裂纹缺陷方向识别方法。2）基于仿真及检测实验获得的全矩阵数据，提取缺陷部位的散射系数分布，研究相控阵探头位置及子阵列参数对散射系数分布的影响。在确定最佳检测位置的基础上，利用主成分分析法评价子阵列参数对裂纹识别效果的影响，并优化出最佳的检测参数，为实际大型锻件检测提供基础；3）基于子阵列的概念，在普通全聚焦成像基础上，提出了一种基于矢量全聚焦的超声阵列裂纹方向识别方法，并将其应用于试块中不同方向人工裂纹的检测；4）通过数值仿真和检测试验，研究了金属夹杂缺陷的材料类型对超声检测信号的时域、频率的影响，提出了可用于夹杂缺陷表征的超声特征参数；同时，基于超声阵列获得的全矩阵数据，将全聚焦成像技术应用于夹杂缺陷的检测，实现了夹杂缺陷的检测与定位；5）将基于矢量全聚焦和散射系数分布的缺陷识别方法应用于典型锻件中缺陷的检测及识别，结果表明，两种方法可以很好实现大型锻件中裂纹缺陷检测及方向识别，误差较小。课题研究工作为实际大型锻件裂纹及夹杂缺陷检测提供了可行的解决方案。

以宇航焊接结构（件）FSW焊接头缺陷检测及评价为背景，本项目尝试发展一种基于激光超声的FSW典型焊缝缺陷（根部未焊合、S线和孔洞）表征及质量评价的理论和方法。主要研究内容包括：设计FSW焊缝缺陷激光超声检测系统，提出采用激光定相位阵列激发超声波的新方法；建立典型FSW焊缝缺陷（根部未焊合、S线和孔洞）试样的纵波、导波和界面波评价体系；探究从反射纵波/直达纵波幅度比值、频散曲线以及界面波衰减等角度提取缺陷信息的方法；发展支持向量机知识提取与建模方法探究FSW焊缝缺陷的定量识别与分类策略。试图为解决FSW接头焊接缺陷定量描述和识别分类的难题提供有价值的科学方法和技术途径，并形成一定的理论方法及其技术应用的创新性结果。