超聲無損檢監(jiān)測技術(shù)軍事應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展動向與展望

超聲波是頻率高于20kHz的機(jī)械波，具有頻率高、指向性好、能量集中，穿透性強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。近些年來，超聲波傳感技術(shù)發(fā)展迅速，在醫(yī)療健康領(lǐng)域（健康監(jiān)測、疾病診斷）、工業(yè)領(lǐng)域（設(shè)備無損探傷、厚度測量、超聲成像等）、交通運(yùn)輸領(lǐng)域（無人機(jī)、船舶等定位、追蹤、導(dǎo)航和監(jiān)控等）和軍事應(yīng)用領(lǐng)域（生化戰(zhàn)劑的測量、航空檢測等）得到普及應(yīng)用。超聲無損檢/監(jiān)測技術(shù)由于具有速度快、效率高、檢測成本低等優(yōu)勢，且能夠在極端條件下（高溫高壓、低溫低壓）實(shí)現(xiàn)無源感知、無線傳播獲取物理量，在軍事應(yīng)用領(lǐng)域顯示出巨大潛力。本文在梳理超聲無損檢/監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹幾個發(fā)達(dá)國家在無損檢/監(jiān)測技術(shù)的布局及研究進(jìn)展，結(jié)合軍事應(yīng)用前景，對無損檢/監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行探討與展望。1超聲無損檢/監(jiān)測技術(shù)發(fā)展歷程超聲無損檢測始于20世紀(jì)30年代。1935年，前蘇聯(lián)科學(xué)家SOKOLOV首次對超聲檢測材料中缺陷的技術(shù)申請了保護(hù)。1945年，美國Firestone公司研制出第一臺脈沖回波式超聲檢測設(shè)備。20世紀(jì)60年代，超聲檢測設(shè)備在靈敏度、分辨力和放大器線性等主要性能上取得了突破性進(jìn)展。20世紀(jì)70年代以后，電磁超聲檢測試驗(yàn)成功。1975年，美國康奈爾大學(xué)MAXFIELD和HULBER研究了應(yīng)用于金屬缺陷檢測的電磁超聲換能器（EMAT）。20世紀(jì)90年代，電磁超聲進(jìn)入實(shí)際商業(yè)應(yīng)用。1989年，Innerspec公司發(fā)明了第一臺電磁超聲檢測設(shè)備，并于1994年成為第一個電磁超聲設(shè)備產(chǎn)業(yè)化廠家。1995年，美國約翰霍普金斯大學(xué)OURSLER和WAGNER采用剪切波，研制了窄帶脈沖激光復(fù)合EMAT，應(yīng)用于高溫條件下的超聲檢測。2004年，日本福岡工業(yè)大學(xué)MURAYAMA等報(bào)道了可交替發(fā)射和接收高靈敏度的蘭姆波和SH波、且不受焊接部分影響的EMAT，可對儲罐和管道進(jìn)行檢測。2010年，日本東北大學(xué)URAYAMA等報(bào)道了降低噪聲和改進(jìn)信號處理的EMAT/EC（渦流）雙探針，能夠在高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對管壁變薄的監(jiān)測。2016年，英國華威大學(xué)THRING等使用聚焦EMAT，利用新的提高分辨率的方法，產(chǎn)生了2MHz的瑞利波，可檢測毫米級深度的缺陷。超聲檢/監(jiān)測技術(shù)是超聲領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛的一門技術(shù)，在軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其不但可以保證質(zhì)量和保障安全，而且還可以節(jié)約能源和資源，降低成本，提高成品率，獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益。2超聲無損檢/監(jiān)測技術(shù)發(fā)展動向傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)由于設(shè)備笨重、檢測速度慢、可檢測范圍小及自動化程度低，在檢測大規(guī)模設(shè)施中的潛在損傷中（尤其在復(fù)雜環(huán)境下）可行性差且花費(fèi)巨大。因此，大規(guī)模設(shè)施生命周期內(nèi)多缺陷的智能化檢測問題對無損檢測技術(shù)提出了新挑戰(zhàn)，一方面推動無損檢測技術(shù)向高速、多物理場及多技術(shù)融合等方向發(fā)展；另一方面，也促進(jìn)了無損檢測技術(shù)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的相互融合。無損檢測與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相融合的無源無線聲表面波傳感技術(shù)聲表面波（SAW）傳感器具有強(qiáng)大的抗輻照能力、較寬的溫度工作范圍、無源工作以及固有的固態(tài)單片結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，且可結(jié)合雷達(dá)射頻收發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線信號感知，保證其在惡劣空間環(huán)境中的多參數(shù)壓線檢測性能。此外，聲表面波器件可大批量、低成本制造，可進(jìn)行RFID（射頻識別）編碼，并且體積和重量都很小，可廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)領(lǐng)域高溫高壓高輻射等環(huán)境。2020年，NASA資助美國佩加森公司研究開發(fā)了首個應(yīng)用于無損檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的大型聲表面波無線多傳感器陣列系統(tǒng)。該工作還對無線聲表面波溫度傳感器系統(tǒng)的基本元素進(jìn)行分析與研究，包括測試框架和傳感器陣列、構(gòu)建用于聲表面波器件實(shí)施的新RFID編碼理論、實(shí)現(xiàn)聲表面波器件模擬和新實(shí)施案例，以及后處理技術(shù)的系統(tǒng)配置分析。在美國國家航空航天局的一系列計(jì)劃中（包括小型航天器計(jì)劃），充氣式飛行器和降落傘是太空交通工具安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所必需的兩種系統(tǒng)，這些復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)給設(shè)計(jì)、分析和測試新系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)。新的無源無線傳感器（無需更換電池）可精確測量降落傘和充氣結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，從而使工程師們能夠更好地理解這些復(fù)雜系統(tǒng)的行為，開發(fā)出能滿足任務(wù)需求的更精確的模擬工具和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。該傳感器不但具備足夠的安全裕度，而且不會產(chǎn)生不必要的額外重量和成本。可單獨(dú)識別的無線傳感器被部署在柔性結(jié)構(gòu)的多個位置上，并由集中式讀取器讀取，從而確保在系統(tǒng)部署期間動態(tài)測量應(yīng)變。2020年，NASA資助充氣式航天器和降落傘用無源無線應(yīng)變傳感器研究，該研究中SENSANNA公司開發(fā)了新型無源無線聲表面波應(yīng)變傳感器對降落傘和充氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時應(yīng)變測量。這些設(shè)備可以由約幾十個到一百個可單獨(dú)識別的設(shè)備組成，協(xié)同工作，并由數(shù)據(jù)聚合器同時讀取數(shù)據(jù)，可以保證不會出現(xiàn)傳感器間的干擾。根據(jù)傳輸功率限制和環(huán)境的不同，可以在幾十米或更大范圍內(nèi)無線讀取傳感器標(biāo)簽。為了滿足海軍探測推進(jìn)劑的顆粒裂紋，并通過密封火箭發(fā)動機(jī)殼體進(jìn)行無線傳輸數(shù)據(jù)的需求，2018年美國國防部資助美國智能感知系統(tǒng)公司開發(fā)一種新的推進(jìn)劑健康（PHEM）監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將超聲換能器作為信號發(fā)生器與傳感器進(jìn)行創(chuàng)新集成，采用超低功耗元件和電子設(shè)計(jì)。這種超聲波推進(jìn)劑監(jiān)測傳感器與數(shù)據(jù)傳輸鏈路的獨(dú)特集成，使PHEM可檢測推進(jìn)劑的顆粒裂紋，并通過密封火箭發(fā)動機(jī)外殼的金屬壁完成傳感器數(shù)據(jù)傳輸，其中，壓電傳感器和致動器、低功耗電子器件和超級電容器擁有超過10年的使用壽命。因此，PHEM系統(tǒng)能夠?yàn)檐娪蔑w機(jī)上的推進(jìn)劑驅(qū)動裝置提供長期可靠的監(jiān)控。該項(xiàng)目的第一階段通過設(shè)計(jì)和制造實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的原型，展示PHEM系統(tǒng)的可行性，并展示其探測密封金屬殼內(nèi)推進(jìn)劑顆粒裂紋和傳輸數(shù)據(jù)的能力；項(xiàng)目的第二階段，通過改進(jìn)和優(yōu)化PHEM系統(tǒng)，開發(fā)全功能的原型，并證明其符合海軍要求。SAW傳感器系統(tǒng)可測量溫度、應(yīng)變、氫氣以及磁場的變化，小尺寸的優(yōu)點(diǎn)使其可插入各種應(yīng)用系統(tǒng)。2019~2021年，NASA持續(xù)資助美國佩加森公司研究一套完全可操作的4.3GHz無源傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿足航天航空無線電子內(nèi)部通信要求，研究人員重點(diǎn)開發(fā)以下關(guān)鍵技術(shù)組件：聲表面波無源溫度和應(yīng)變傳感器件、新的傳感器天線和芯片級傳感器天線集成、提供自適應(yīng)射場收發(fā)器的軟件定義無線電（SDR）、SDR控制軟件和提取關(guān)鍵傳感器信息的后處理軟件。初步的研究結(jié)果表明，所有關(guān)鍵技術(shù)組件都可在4.3GHz和200MHz帶寬下構(gòu)建和實(shí)施，這將是SAW傳感器及其無線無源系統(tǒng)技術(shù)的飛躍。用于船舶、管道、容器、混凝土等裂痕的現(xiàn)場無損超聲檢測技術(shù)幾十年來，為了減輕重量和降低船舶重心，5xxx系列鋁合金一直用作海洋船舶的材料。鋁合金的敏化過程會造成晶間腐蝕損傷和應(yīng)力腐蝕裂痕。美國海軍希望能夠開發(fā)一種快速獲取材料狀態(tài)及其敏感性的方法。2018年，美國海軍資助美國技術(shù)數(shù)據(jù)分析公司（TDA）開發(fā)一種緊湊的傳感器套件和監(jiān)控系統(tǒng)，以檢測5xxx系列鋁合金的敏化程度，從而解決批次間的差異問題。TDA公司利用監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)測鋁合金在敏化過程中容易出現(xiàn)的晶間腐蝕損傷和應(yīng)力腐蝕裂痕，減少相同材料之間的脆弱性差異，滿足美國海軍對實(shí)時快速獲取材料的狀態(tài)及其敏感性的需求。在這項(xiàng)研究中，TDA公司采用一種原始方法，利用兩種非破壞性技術(shù)（基于渦流的電導(dǎo)率和超聲衰減）分離出兩個獨(dú)立的成分，即高角度晶界的微觀結(jié)構(gòu)及邊界上物質(zhì)的敏化狀態(tài)。根據(jù)這些參數(shù)，使用近期建立的模型來計(jì)算引起批次間差異的敏化度。通常使用手持式超聲波儀器對鋼制容器、儲罐、墻壁和管道進(jìn)行腐蝕無損監(jiān)測（包括鋼壁的厚度測量），但這種方法既費(fèi)時又費(fèi)力，急需一種適用于密封通道的快速檢測技術(shù)。2018年美國空軍資助國際電子機(jī)械公司研發(fā)密閉通道區(qū)域的腐蝕無損評估技術(shù)。國際電子機(jī)械公司提出了一種快速腐蝕檢測器（RCI），該檢測器使用電磁超聲傳感器，內(nèi)置機(jī)器視覺攝像系統(tǒng)，可自動分類腐蝕類型，繪制腐蝕位置和壁厚圖，同時不需要應(yīng)用耦合劑，也可快速覆蓋大面積壁面，并允許用戶單手高速掃描壁面。用于乏燃料存儲的焊接不銹鋼干式儲罐出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋時，極易造成嚴(yán)重的環(huán)境危害。2019年，美國能源部資助INNESPEC技術(shù)公司開發(fā)用于材料結(jié)構(gòu)健康實(shí)時監(jiān)測的EMAT連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。該研究設(shè)計(jì)了首個冷噴霧EMAT磁致伸縮傳感器原型，用于現(xiàn)場監(jiān)測干儲罐的腐蝕和裂紋擴(kuò)展，同時將破壞和人為干預(yù)降至最低。該項(xiàng)目第一階段評估具有不同粉末壓力推進(jìn)劑配置的便攜式低壓冷噴涂儀器的性能，以及使用手動噴槍在平坦、圓形或具有復(fù)雜幾何形狀的部件上產(chǎn)生均勻貼片的可行性，并測試在所述情況下使用EMAT產(chǎn)生超聲波的效果，最終確定手動磁致伸縮貼片是否適合應(yīng)用于干儲罐監(jiān)測。冷噴涂還允許人們使用導(dǎo)波來檢測之前技術(shù)無法檢測的區(qū)域。該項(xiàng)目的成果將大大促進(jìn)核安全，防止和減少放射性泄漏及其對環(huán)境和人類健康的危害。混凝土裂紋及損傷的檢測技術(shù)也取得重要進(jìn)展。2021年，歐盟INFRASTAR計(jì)劃資助波蘭NeoStrainSpzoo公司和德國聯(lián)邦材料研究所，提出一種利用新型嵌入式超聲波傳感器進(jìn)行多結(jié)構(gòu)損傷檢測的主動技術(shù)。用于極端條件下實(shí)現(xiàn)物理量測量的超聲傳感技術(shù)飛行器在飛行過程中往往面臨著極端環(huán)境條件（高溫、高旋、高壓等），在惡劣環(huán)境下原位實(shí)時獲取系統(tǒng)及環(huán)境參數(shù)，對飛行器的設(shè)計(jì)與防護(hù)具有重要意義。2020年美國國防部資助PhysicalSciences公司研究了一種超聲波傳感器，研究利用超聲脈沖回波技術(shù)的非侵入性和遠(yuǎn)程詢問能力，測量高超音速飛行器外殼板溫度。開發(fā)的重點(diǎn)在于陶瓷/碳纖維基殼體等最具挑戰(zhàn)性的表面材料方面，該方法可擴(kuò)展到其他所有類型的材料，包括金屬和燒蝕材料。該項(xiàng)目所開發(fā)的傳感器能夠處理來自不同深度多個界面的信號。項(xiàng)目第一階段將演示高超聲速、超音速沖壓發(fā)動機(jī)應(yīng)用相關(guān)材料及溫度的原理證明，第二階段將致力于實(shí)際高超聲速試驗(yàn)臺和飛行平臺的系統(tǒng)加固和自動化。美國空軍和航空航天工業(yè)迫切需要能夠在渦輪發(fā)動機(jī)環(huán)境中提供實(shí)時監(jiān)控的惡劣環(huán)境傳感器。2015年美國空軍資助美國公司研發(fā)可提供實(shí)時監(jiān)測且可靠的惡劣環(huán)境傳感器。該項(xiàng)目第一階段驗(yàn)證了在1000℃高溫環(huán)境中無線聲表面波硅酸鑭鎵（LGS）溫度傳感器原型的穩(wěn)定性，第二階段對無線LGS聲表面波傳感器技術(shù)進(jìn)行了成熟度TRL4確認(rèn)，并在渦輪發(fā)動機(jī)測試單元中進(jìn)行了TRL6驗(yàn)證。在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的惡劣環(huán)境下，無線無源小型傳感器能夠在1000℃以上對渦輪發(fā)動機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，可對航空航天工業(yè)產(chǎn)生重大影響，其優(yōu)勢有：①可靠運(yùn)行數(shù)千小時甚至更長時間，并且可在測試單元的熱區(qū)輕松運(yùn)行最少4000小時；②通過在其他傳感器技術(shù)無法工作的位置無線監(jiān)測發(fā)動機(jī)狀況來驗(yàn)證發(fā)動機(jī)的建模和運(yùn)行狀況；③小尺寸和無線傳感器操作，保證了密封、護(hù)罩和其他關(guān)鍵發(fā)動機(jī)位置的完整性；④去除用以提供所需傳感信息的電線，節(jié)省了大量人力成本（傳感器安裝在渦輪機(jī)），減輕了重量，同時提高性能和可靠性；⑤通過更可靠的溫度監(jiān)測，降低發(fā)動機(jī)運(yùn)行（或飛行）成本的同時，提高燃油效率和增加功率。除此之外，無線SAW傳感器技術(shù)也有許多商業(yè)應(yīng)用，如在發(fā)電、石油/天然氣勘探、制造過程控制和其他高溫惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。輻射條件下的超聲傳感技術(shù)研發(fā)也受到關(guān)注。在核工業(yè)中，受限的接觸和高厚度部件通常限制了無損檢測技術(shù)的應(yīng)用。商用超聲檢測傳感器的輻射耐受性局限在1~2mGy的累積劑量，難以滿足應(yīng)用需求。英國創(chuàng)新署部署了由英國創(chuàng)新技術(shù)和科學(xué)有限公司承擔(dān)的“耐輻射超聲波傳感器”研究。該公司主要致力于探索新型輻射彈性探測器的構(gòu)建和測試，為核工業(yè)提供一個可靠的超聲檢測解決方案，以延長檢測和監(jiān)測時間。該研究成果有兩種應(yīng)用場景：①在裂變核反應(yīng)堆附近進(jìn)行高輻射檢測；②在核廢料處理場進(jìn)行低輻射檢測。在核工業(yè)中，超聲波換能器在放射性環(huán)境下響應(yīng)減弱，難以正常工作。針對該情況，英國精密聲學(xué)有限公司開展耐輻射超聲傳感器的開發(fā)，建造和測試新型抗輻射超聲換能器以及各種探頭的裝配技術(shù)，為核工業(yè)提供一種可靠的超聲換能器解決方案。該項(xiàng)目開發(fā)了一系列原型超聲探頭，以滿足特定的在役檢測需求。日本NEDO先導(dǎo)研究項(xiàng)目——具有流量監(jiān)控功能的實(shí)時超聲波多相流量計(jì)研制（2019~2020年，北海道大學(xué)承擔(dān)）共分為3個子課題，分別是：結(jié)合超聲信號和多相流體動力學(xué)定律的數(shù)據(jù)同化流量計(jì)的研制；使用超聲多普勒測量多相流體的脈動特性；使用超聲脈沖回波掃描測量流體界面。JSPS的國際聯(lián)合研究基金項(xiàng)目——聯(lián)合開發(fā)在線超聲多普勒測定技術(shù)（2018~2021年，北海道大學(xué)、瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院承擔(dān)），重點(diǎn)開展3個主題研究，主題1是流速分布測量技術(shù)和流變控制方程的數(shù)據(jù)同化，主題2是通過超聲波和光可視化調(diào)節(jié)空間分布的流變學(xué)，主題3是假定使用機(jī)器學(xué)習(xí)的流變大開發(fā)數(shù)據(jù)構(gòu)建系統(tǒng)。2018年該項(xiàng)目已經(jīng)開發(fā)了一種根據(jù)超聲波多普勒流速分布儀獲得的流速分布來測量不透明流體壓力分布的方法。2019年，項(xiàng)目開發(fā)出一種通過水、油和氣三相流中的超聲波脈沖來測量相分布和流量的技術(shù)。日本防衛(wèi)廳資助了MUT（超聲換能器）聲學(xué)超材料的聲阻抗研究（2018年，日立制作所），該項(xiàng)目基于聲阻抗匹配的物理模型，研發(fā)利用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)實(shí)現(xiàn)主動控制聲學(xué)特性的聲學(xué)超材料。用于爆炸物和彈藥的無損超聲實(shí)時檢測技術(shù)含能材料方面取得的最新成果為開發(fā)了鉛的替代品，替代彈藥配方中傳統(tǒng)的苯甲酸鉛和疊氮鉛。然而，這些無鉛高能材料可能對傳統(tǒng)的彈藥筒黃銅和其他彈藥部件具有意想不到的腐蝕性。因此，在未來的部署中，從彈藥生命周期（即從生產(chǎn)時間到使用時間）的角度，對彈藥部件進(jìn)行實(shí)地測試對于確保武器系統(tǒng)的有效性至關(guān)重要。2020年，美國陸軍資助林泰克公司與美國西南研究院傳感器系統(tǒng)和無損檢測技術(shù)部合作研究了一種基于渦流和超聲波檢測的手持式設(shè)備，用于對小型武器彈藥部件進(jìn)行現(xiàn)場快速無損腐蝕檢測。該研究分為3個階段，第一階段是在實(shí)驗(yàn)室條件下確定對現(xiàn)代爆炸物和彈藥外殼進(jìn)行無損檢測的有效性和方法；第二階段根據(jù)第一階段確定的方法，開發(fā)手持式測試單元原型，并根據(jù)適當(dāng)?shù)能娛聵?biāo)準(zhǔn)、規(guī)格要求進(jìn)行認(rèn)證，并進(jìn)行實(shí)地測試；第三階段預(yù)期將用于現(xiàn)代爆炸物和彈藥殼的無損檢測，并推廣到民用領(lǐng)域。軍事應(yīng)用包括小型武器部件（5.56，7.62mm口徑）、爆炸性彈藥（M42、M55和M61啟動器）、中等口徑（20，25，30，40mm）和潛在大口徑（60，81，105，120mm）彈藥。3結(jié)語與展望1超聲無損檢/監(jiān)測技術(shù)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，在航天器、飛機(jī)、船舶和運(yùn)輸