由韩国先进科学技术研究院（KAIST）科研团队开发的激光超声扫描系统，主要包括以下几个部分：提供超声激励信号的Nd：YAG固体激光器、用于超声传感的PSV全场扫描式激光多普勒测振仪和用于扫描的检流计。通过扫描激励激光或测量激光（或同时进行），可以在目标表面生成超声波场图像并进行处理，以识别和定位复合材料或金属结构中的裂纹等缺陷。

激光扫描系统还可获取目标结构上的撞击定位所需的训练数据集。系统采用非接触式方法，无需在目标结构安装传感器，能够创建具有高时空分辨率的超声波场图像，具有广泛的应用前景。

图1 由KAIST科研团队开发的激光超声扫描系统

激光超声扫描系统的研发

图1显示的是由KAIST开发的激光超声扫描系统。对结构上的特定点进行激励，扫描目标区域得出超声波场图像（图2a）。或者反过来，给对目标区域进行扫描式激励，测量固定点得出超声波场图像（图2b）。此外，扫描系统还可以与贴片式压电换能器搭配使用（图2c）。

图2:三种不同的扫描方案:（a）定点式激励和扫描式测量，（b）扫描式激励和定点式测量，（c）贴片式PZT激励和扫描式测量

非接触式分层检测

     如图3所示，使用激光超声扫描系统来检测波音公司提供的多层复合材料板中的隐形分层。超声波在传输过程中遇到内部分层时，会在分层处产生波的散射和绕射，如（图4左）所示。KAIST采用驻波滤波器以突出分层效果，如（图4右）所示。

图3 波音公司提供的多层复合材料板

图4 使用波场图像检测分层（左），进一步图形处理后（右）

激光超声扫描系统用于撞击定位

     接下来，如图5所示，激光扫描系统用于精确定位铝制机身所受撞击位置，该飞机机身由美国俄亥俄州代顿的空军研究实验室提供。弯曲的测试段上装有两个垂直板和三个水平加强筋，这增加了试样的复杂性，在机身内表面装有7个PZT传感器。首先，开启激励后，使用PSV系统测量撞击位置的响应，得出撞击位置与PZT传感器之间的脉冲响应函数（IRF）。然后，将各种潜在撞击位置和PZT传感器的测量数据组成训练数据集IRFs。

a）PSV系统  b）前视图  c）后视图  d）侧视图

图5 铝制机身的撞击定位测试

图6 真实撞击试验中得出的撞击定位结果

红色：可能的撞击位置；黑色：实际的撞击位置

     一旦实际的撞击事件发生，则记录撞击响应并与训练数据IRFs相对比。最后，从训练数据集中选择相关性最大的训练数据IRF，并确定撞击位置。如图6所示，尽管被测样本很复杂，相关图成功地定位了撞击事件。

总结与展望

与传统贴片式传感器不同，新研制的激光超声扫描系统可非接触式远距离进行测试，无需基线数据即可自动检测损伤，进行损伤诊断。正是因为不依赖于先前的基线数据，系统可将因温度和加载条件的变化而产生的错误警报降到最低。

鸣谢

    本研究由韩国国家研究基金会国家研究实验室计划(2010-0017456)和位于俄亥俄州代顿的美国空军研究实验室资助

    同时感谢波音公司