超声无损检/监测技术军事应用领域的发展动向与展望
超声波是频率高于20 kHz的机械波，具有频率高、指向性好、能量集中，穿透性强等特点，应用领域广泛。近些年来，超声波传感技术发展迅速，在医疗健康领域（健康监测、疾病诊断）、工业领域（设备无损探伤、厚度测量、超声成像等）、交通运输领域（无人机、船舶等定位、追踪、导航和监控等）和军事应用领域（生化战剂的测量、航空检测等）得到普及应用。超声无损检/监测技术由于具有速度快、效率高、检测成本低等优势，且能够在极端条件下（高温高压、低温低压）实现无源感知、无线传播获取物理量，在军事应用领域显示出巨大潜力。本文在梳理超声无损检/监测技术的基础上，重点介绍几个发达国家在无损检/监测技术的布局及研究进展，结合军事应用前景，对无损检/监测技术的发展趋势进行探讨与展望。1 超声无损检/监测技术发展历程超声无损检测始于20世纪30年代。1935年，前苏联科学家SOKOLOV首次对超声检测材料中缺陷的技术申请了保护。1945年，美国Firestone公司研制出第一台脉冲回波式超声检测设备。20世纪60年代，超声检测设备在灵敏度、分辨力和放大器线性等主要性能上取得了突破性进展。20世纪70年代以后，电磁超声检测试验成功。1975年，美国康奈尔大学MAXFIELD和HULBER研究了应用于金属缺陷检测的电磁超声换能器（EMAT）。20世纪90年代，电磁超声进入实际商业应用。1989年，Innerspec公司发明了第一台电磁超声检测设备，并于1994年成为第一个电磁超声设备产业化厂家。1995年，美国约翰霍普金斯大学OURSLER和WAGNER采用剪切波，研制了窄带脉冲激光复合EMAT，应用于高温条件下的超声检测。2004年，日本福冈工业大学MURAYAMA等报道了可交替发射和接收高灵敏度的兰姆波和SH波、且不受焊接部分影响的EMAT，可对储罐和管道进行检测。2010年，日本东北大学URAYAMA等报道了降低噪声和改进信号处理的EMAT/EC（涡流）双探针，能够在高温环境下实现对管壁变薄的监测。2016年，英国华威大学THRING等使用聚焦EMAT，利用新的提高分辨率的方法，产生了2 MHz的瑞利波，可检测毫米级深度的缺陷。超声检/监测技术是超声领域应用极为广泛的一门技术，在军事领域应用广泛，其不但可以保证质量和保障安全，而且还可以节约能源和资源，降低成本，提高成品率，获得显著经济效益。2 超声无损检/监测技术发展动向传统无损检测技术由于设备笨重、检测速度慢、可检测范围小及自动化程度低，在检测大规模设施中的潜在损伤中（尤其在复杂环境下）可行性差且花费巨大。因此，大规模设施生命周期内多缺陷的智能化检测问题对无损检测技术提出了新挑战，一方面推动无损检测技术向高速、多物理场及多技术融合等方向发展；另一方面，也促进了无损检测技术与结构健康监测技术的相互融合。2.1 无损检测与结构健康监测相融合的无源无线声表面波传感技术声表面波（SAW）传感器具有强大的抗辐照能力、较宽的温度工作范围、无源工作以及固有的固态单片结构等优点，且可结合雷达射频收发技术实现无线信号感知，保证其在恶劣空间环境中的多参数压线检测性能。此外，声表面波器件可大批量、低成本制造，可进行RFID（射频识别）编码，并且体积和重量都很小，可广泛应用于航空航天工业领域高温高压高辐射等环境。2020年，NASA资助美国佩加森公司研究开发了首个应用于无损检测和结构健康监测的大型声表面波无线多传感器阵列系统。该工作还对无线声表面波温度传感器系统的基本元素进行分析与研究，包括测试框架和传感器阵列、构建用于声表面波器件实施的新RFID编码理论、实现声表面波器件模拟和新实施案例，以及后处理技术的系统配置分析。在美国国家航空航天局的一系列计划中（包括小型航天器计划），充气式飞行器和降落伞是太空交通工具安全与经济运行所必需的两种系统，这些复杂的系统结构给设计、分析和测试新系统带来了挑战。新的无源无线传感器（无需更换电池）可精确测量降落伞和充气结构的应变，从而使工程师们能够更好地理解这些复杂系统的行为，开发出能满足任务需求的更精确的模拟工具和设计结构。该传感器不但具备足够的安全裕度，而且不会产生不必要的额外重量和成本。可单独识别的无线传感器被部署在柔性结构的多个位置上，并由集中式读取器读取，从而确保在系统部署期间动态测量应变。2020年，NASA资助充气式航天器和降落伞用无源无线应变传感器研究，该研究中SENSANNA公司开发了新型无源无线声表面波应变传感器对降落伞和充气结构进行实时应变测量。这些设备可以由约几十个到一百个可单独识别的设备组成，协同工作，并由数据聚合器同时读取数据，可以保证不会出现传感器间的干扰。根据传输功率限制和环境的不同，可以在几十米或更大范围内无线读取传感器标签。为了满足海军探测推进剂的颗粒裂纹，并通过密封火箭发动机壳体进行无线传输数据的需求，2018年美国国防部资助美国智能感知系统公司开发一种新的推进剂健康（PHEM）监测系统。该系统将超声换能器作为信号发生器与传感器进行创新集成，采用超低功耗元件和电子设计。这种超声波推进剂监测传感器与数据传输链路的独特集成，使PHEM可检测推进剂的颗粒裂纹，并通过密封火箭发动机外壳的金属壁完成传感器数据传输，其中，压电传感器和致动器、低功耗电子器件和超级电容器拥有超过10年的使用寿命。因此，PHEM系统能够为军用飞机上的推进剂驱动装置提供长期可靠的监控。该项目的第一阶段通过设计和制造实验室规模的原型，展示PHEM系统的可行性，并展示其探测密封金属壳内推进剂颗粒裂纹和传输数据的能力；项目的第二阶段，通过改进和优化PHEM系统，开发全功能的原型，并证明其符合海军要求。SAW传感器系统可测量温度、应变、氢气以及磁场的变化，小尺寸的优点使其可插入各种应用系统。2019~2021年，NASA持续资助美国佩加森公司研究一套完全可操作的4.3 GHz无源传感器系统，该系统满足航天航空无线电子内部通信要求，研究人员重点开发以下关键技术组件：声表面波无源温度和应变传感器件、新的传感器天线和芯片级传感器天线集成、提供自适应射场收发器的软件定义无线电（SDR）、SDR控制软件和提取关键传感器信息的后处理软件。初步的研究结果表明，所有关键技术组件都可在4.3 GHz和200 MHz带宽下构建和实施，这将是SAW传感器及其无线无源系统技术的飞跃。2.2 用于船舶、管道、容器、混凝土等裂痕的现场无损超声检测技术几十年来，为了减轻重量和降低船舶重心，5xxx系列铝合金一直用作海洋船舶的材料。铝合金的敏化过程会造成晶间腐蚀损伤和应力腐蚀裂痕。美国海军希望能够开发一种快速获取材料状态及其敏感性的方法。2018年，美国海军资助美国技术数据分析公司（TDA）开发一种紧凑的传感器套件和监控系统，以检测5xxx系列铝合金的敏化程度，从而解决批次间的差异问题。TDA公司利用监测系统预测铝合金在敏化过程中容易出现的晶间腐蚀损伤和应力腐蚀裂痕，减少相同材料之间的脆弱性差异，满足美国海军对实时快速获取材料的状态及其敏感性的需求。在这项研究中，TDA公司采用一种原始方法，利用两种非破坏性技术（基于涡流的电导率和超声衰减）分离出两个独立的成分，即高角度晶界的微观结构及边界上物质的敏化状态。根据这些参数，使用近期建立的模型来计算引起批次间差异的敏化度。通常使用手持式超声波仪器对钢制容器、储罐、墙壁和管道进行腐蚀无损监测（包括钢壁的厚度测量），但这种方法既费时又费力，急需一种适用于密封通道的快速检测技术。2018年美国空军资助国际电子机械公司研发密闭通道区域的腐蚀无损评估技术。国际电子机械公司提出了一种快速腐蚀检测器（RCI），该检测器使用电磁超声传感器，内置机器视觉摄像系统，可自动分类腐蚀类型，绘制腐蚀位置和壁厚图，同时不需要应用耦合剂，也可快速覆盖大面积壁面，并允许用户单手高速扫描壁面。用于乏燃料存储的焊接不锈钢干式储罐出现应力腐蚀裂纹时，极易造成严重的环境危害。2019年，美国能源部资助INNESPEC技术公司开发用于材料结构健康实时监测的EMAT连续监测系统。该研究设计了首个冷喷雾EMAT磁致伸缩传感器原型，用于现场监测干储罐的腐蚀和裂纹扩展，同时将破坏和人为干预降至最低。该项目第一阶段评估具有不同粉末压力推进剂配置的便携式低压冷喷涂仪器的性能，以及使用手动喷枪在平坦、圆形或具有复杂几何形状的部件上产生均匀贴片的可行性，并测试在所述情况下使用EMAT产生超声波的效果，最终确定手动磁致伸缩贴片是否适合应用于干储罐监测。冷喷涂还允许人们使用导波来检测之前技术无法检测的区域。该项目的成果将大大促进核安全，防止和减少放射性泄漏及其对环境和人类健康的危害。混凝土裂纹及损伤的检测技术也取得重要进展。2021年，欧盟INFRASTAR计划资助波兰NeoStrain Spzoo公司和德国联邦材料研究所，提出一种利用新型嵌入式超声波传感器进行多结构损伤检测的主动技术。2.3 用于极端条件下实现物理量测量的超声传感技术飞行器在飞行过程中往往面临着极端环境条件（高温、高旋、高压等），在恶劣环境下原位实时获取系统及环境参数，对飞行器的设计与防护具有重要意义。2020年美国国防部资助Physical Sciences公司研究了一种超声波传感器，研究利用超声脉冲回波技术的非侵入性和远程询问能力，测量高超音速飞行器外壳板温度。开发的重点在于陶瓷/碳纤维基壳体等最具挑战性的表面材料方面，该方法可扩展到其他所有类型的材料，包括金属和烧蚀材料。该项目所开发的传感器能够处理来自不同深度多个界面的信号。项目第一阶段将演示高超声速、超音速冲压发动机应用相关材料及温度的原理证明，第二阶段将致力于实际高超声速试验台和飞行平台的系统加固和自动化。美国空军和航空航天工业迫切需要能够在涡轮发动机环境中提供实时监控的恶劣环境传感器。2015年美国空军资助美国环境技术公司（Environetix）研发可提供实时监测且可靠的恶劣环境传感器。该项目第一阶段验证了在1000 ℃高温环境中无线声表面波硅酸镧镓（LGS）温度传感器原型的稳定性，第二阶段对无线LGS声表面波传感器技术进行了成熟度TRL 4确认，并在涡轮发动机测试单元中进行了TRL 6验证。在该项目设计的恶劣环境下，无线无源小型传感器能够在1000 ℃以上对涡轮发动机进行监测，可对航空航天工业产生重大影响，其优势有：① 可靠运行数千小时甚至更长时间，并且可在测试单元的热区轻松运行最少4000小时；② 通过在其他传感器技术无法工作的位置无线监测发动机状况来验证发动机的建模和运行状况；③ 小尺寸和无线传感器操作，保证了密封、护罩和其他关键发动机位置的完整性；④ 去除用以提供所需传感信息的电线，节省了大量人力成本（传感器安装在涡轮机），减轻了重量，同时提高性能和可靠性；⑤ 通过更可靠的温度监测，降低发动机运行（或飞行）成本的同时，提高燃油效率和增加功率。除此之外，无线SAW传感器技术也有许多商业应用，如在发电、石油/天然气勘探、制造过程控制和其他高温恶劣环境中的应用。辐射条件下的超声传感技术研发也受到关注。在核工业中，受限的接触和高厚度部件通常限制了无损检测技术的应用。商用超声检测传感器的辐射耐受性局限在1~2 mGy的累积剂量，难以满足应用需求。英国创新署部署了由英国创新技术和科学有限公司承担的“耐辐射超声波传感器”研究。该公司主要致力于探索新型辐射弹性探测器的构建和测试，为核工业提供一个可靠的超声检测解决方案，以延长检测和监测时间。该研究成果有两种应用场景：① 在裂变核反应堆附近进行高辐射检测；② 在核废料处理场进行低辐射检测。在核工业中，超声波换能器在放射性环境下响应减弱，难以正常工作。针对该情况，英国精密声学有限公司开展耐辐射超声传感器的开发，建造和测试新型抗辐射超声换能器以及各种探头的装配技术，为核工业提供一种可靠的超声换能器解决方案。该项目开发了一系列原型超声探头，以满足特定的在役检测需求。日本NEDO先导研究项目——具有流量监控功能的实时超声波多相流量计研制（2019~2020年，北海道大学承担）共分为3个子课题，分别是：结合超声信号和多相流体动力学定律的数据同化流量计的研制；使用超声多普勒测量多相流体的脉动特性；使用超声脉冲回波扫描测量流体界面。JSPS的国际联合研究基金项目——联合开发在线超声多普勒测定技术（2018~2021年，北海道大学、瑞士联邦技术学院承担），重点开展3个主题研究，主题1是流速分布测量技术和流变控制方程的数据同化，主题2是通过超声波和光可视化调节空间分布的流变学，主题3是假定使用机器学习的流变大开发数据构建系统。2018年该项目已经开发了一种根据超声波多普勒流速分布仪获得的流速分布来测量不透明流体压力分布的方法。2019年，项目开发出一种通过水、油和气三相流中的超声波脉冲来测量相分布和流量的技术。日本防卫厅资助了MUT（超声换能器）声学超材料的声阻抗研究（2018年，日立制作所），该项目基于声阻抗匹配的物理模型，研发利用MEMS（微机电系统）技术实现主动控制声学特性的声学超材料。2.4 用于爆炸物和弹药的无损超声实时检测技术含能材料方面取得的最新成果为开发了铅的替代品，替代弹药配方中传统的苯甲酸铅和叠氮铅。然而，这些无铅高能材料可能对传统的弹药筒黄铜和其他弹药部件具有意想不到的腐蚀性。因此，在未来的部署中，从弹药生命周期（即从生产时间到使用时间）的角度，对弹药部件进行实地测试对于确保武器系统的有效性至关重要。2020年，美国陆军资助林泰克公司与美国西南研究院传感器系统和无损检测技术部合作研究了一种基于涡流和超声波检测的手持式设备，用于对小型武器弹药部件进行现场快速无损腐蚀检测。该研究分为3个阶段，第一阶段是在实验室条件下确定对现代爆炸物和弹药外壳进行无损检测的有效性和方法；第二阶段根据第一阶段确定的方法，开发手持式测试单元原型，并根据适当的军事标准、规格要求进行认证，并进行实地测试；第三阶段预期将用于现代爆炸物和弹药壳的无损检测，并推广到民用领域。军事应用包括小型武器部件（5.56，7.62 mm口径）、爆炸性弹药（M42、M55和M61启动器）、中等口径（20，25，30，40 mm）和潜在大口径（60，81，105，120 mm）弹药。3 结语与展望超声无损检/监测技术在军事领域应用前景广阔，在航天器、飞机、船舶和运输管道等的无损检测、恶劣环境感知、数据融合支持决策等领域发挥重要作用。超声传感技术可进行非破坏性的结构健康监测，能够快速准确检测裂纹、泄漏、腐蚀等缺陷，防止和减少放射性泄漏，促进核安全。超声传感不依赖于照明条件，能够抵抗雾的干扰，在高温高压等恶劣环境下进行实时快速感知，可应用于航空航天以及海上作业等领域。未来超声无损检/监测技术的发展趋势如下：用于无损检测与结构健康监测相融合的无源无线声表面波传感技术成为新的发展方向。传统无损检测技术由于设备笨重、检测速度慢、可检测范围小及自动化程度低等问题，在检测大规模设施中的潜在损伤，特别是在复杂环境下的损伤时，可行性差且花费巨大。大型设施生命周期内多缺陷的智能化检测需要无损检测与结构健康监测相融合的无源无线声表面波传感技术。极端条件下实现物理量的测量仍是未来超声传感技术的发展重点。飞行器在飞行过程中往往伴随着高温、高旋、高压等恶劣环境，因此，恶劣环境下温度、压力等参数的原位实时获取，仍然是超声传感技术在无损检测领域的发展重点。超声传感器向着集成化、微型化、多功能化的方向发展。为满足各种机载、车载、航载的需求，传感器的应用需与机械或电子系统集成使用，推动声表面波传感器系统向着集成化、微型化、多功能化方向发展，因而各种新型材料以及先进制造技术的进步将给超声传感器的发展带来巨大推动力，超声传感器本身无源无线传输的特性，亦将在集成化微型化多功能化方面发挥重要作用。作者：朱相丽1,2，张敬1,2，刘庚冉3，王文4，刘小平1,2工作单位：1.中国科学院 文献情报中心；2.中国科学院大学 经济与管理学院；3.军事科学院 战略评估咨询中心；4.中科院声学研究所第一作者简介：朱相丽，博士，副研究员，主要从事学科战略情报研究、学科态势评估研究和日本科技政策研究工作。
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