CN110411948B - 使用激光超声来检测结构的系统和方法 - Google Patents

使用激光超声来检测结构的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用激光超声来检测结构的系统和方法。用于检测结构的方法包括如下步骤：识别所述结构的表面相对于参考系的三维位置；从发射器的输出将激光发射到所述结构的所述表面上，以在所述结构中形成超声波并探测对所述超声波的响应；基于所述表面的所述三维位置，使所述激光在所述结构之上沿着扫描路径运动，以使所述发射器的所述输出距所述表面位于恒定的偏移距离处并且将从所述发射器的所述输出发射的所述激光以恒定的投射角引导至所述表面上；以及基于对所述超声波的所述响应，确定在所述结构中是否存在不一致性。

Description

使用激光超声来检测结构的系统和方法
技术领域
本公开大体上涉及无损检查，更具体地涉及使用激光超声对结构的无损检查。
背景技术
在制造飞行器、交通工具和其它结构时，经常对用于形成这些结构的部件进行检查以确定所述部件对于期望的功能和性能是否具有合适的参数和特性。另外，可以作为日常维修的一部分对所述结构和/或部件进行检查。无损检查通常用于评估部件的特性而不改变部件待用于其期望功能的能力。无损检查的示例包括超声检测、涡流检测、X射线检测和可视检查。
超声检测常用于对由复合材料形成的飞行器部件进行检查。超声检测涉及使音波(即，声波)发射穿过检测对象并探测对该音波的响应。对所述响应进行分析以确定在检测对象中是否存在不一致性。
通常使用传感器来进行超声检测，所述传感器被构造成将音波发送入检测对象中并探测对音波的响应。典型地，通过将传感器放置成与检测对象物理接触而使所述传感器联接至检测对象的表面。在许多情况下，使用诸如水、油、水基凝胶或一些其它液体的联接介质来减少传感器与检测对象之间的声阻抗。但是，在许多情况下将传感器联接至检测对象的表面可能会困难且复杂。例如，当检测对象具有非恒定的几何形状、非平坦表面或其它非平坦特征时，以确保声音按期望的方向(例如垂直于所述表面)进入检测对象的方式将传感器联接至检测对象可能会是困难且复杂的。另外，在许多情况下容纳联接介质可能会是困难且复杂的。此外，在一些情况下使用联接介质对于某些类型的检测对象来说可能根本是不期望的。
激光超声检测是无损检查的示例，其通过无需与检测对象物理接触就能对检测对象进行检查而克服了将传感器物理联接至检测对象的困难和复杂性。典型地，激光超声检测使用激光束在检测对象中生成超声波并且使用另一单独的激光束探测对超声波的响应以生成关于检测对象的数据。但是，在许多情况下，用单通道激光器(例如，单发射激光器和接收激光器)对检测对象的检查对于实际实施来说太慢。为了解决该问题，可以使用激光器阵列。但是，典型地用于激光超声检测的高能激光器的大小、重量和成本可能会使得使用激光器阵列不切实际。为了解决该问题，可以使用低能激光器阵列。但是，使用低能激光器需要在激光器阵列的整个扫描过程保持适当的对准和相隔距离，以尤其在检测对象具有非恒定的几何形状时生成可用数据。在许多情况下，保持适当的对准和相隔是困难的，并且可能需要复杂的机械控制系统来保持激光器与部件的对准，这会显著地降低激光超声检测系统的扫描速率。
因而，本领域技术人员在激光超声检测领域继续进行研发努力。
发明内容
在一实施例中，公开的使用激光超声来检测结构的方法包括如下步骤：(1)识别所述结构的表面相对于参考系的三维位置；(2)从发射器的输出将激光发射到所述结构的所述表面上，以在所述结构中形成超声波并探测对所述超声波的响应；(3)基于所述表面的所述三维位置，使所述激光在所述结构之上沿着扫描路径运动，以使所述发射器的所述输出距所述表面位于恒定的偏移距离处并且将从所述发射器的所述输出发射的所述激光以恒定的投射角引导至所述表面上；以及(4)基于对所述超声波的所述响应，确定在所述结构中是否存在不一致性。
在一实施例中，公开的激光超声检测系统包括：被构造成发出激光的激光源；和发射器，所述发射器与所述激光源光学耦合，并被构造成从所述发射器的输出将所述激光发射到结构的表面上。所述激光被构造成在所述结构中形成超声波并且探测对所述超声波的响应。所述激光超声检测系统还包括运动机构，所述运动机构联接至所述发射器，并被构造成使所述发射器相对于所述结构运动。所述激光超声检测系统还包括计算机。所述计算机被构造成识别所述表面相对于参考系的三维位置。所述计算机进一步被构造成基于所述表面的所述三维位置控制所述运动机构以使所述激光沿着扫描路径在所述结构上运动，其中，所述发射器的所述输出距所述表面位于恒定的距离处并且从所述发射器的所述输出发射出的所述激光以恒定的投射角被引导在所述表面上。所述计算机进一步被构造成基于对所述超声波的所述响应来确定在所述结构中是否存在不一致性。
从下面的详述、附图和所附权利要求将明了所公开系统和方法的其它实施例。
附图说明
图1是飞行器的实施例的示意性立体图；
图2是检测环境的实施例的示意性框图；
图3是待使用激光超声检测的结构的实施例的示意性立体图；
图4是检测环境的实施例的示意性图示；
图5是发射到结构的表面上的激光图案的实施例的示意性图示；
图6是发射到结构的表面上的激光图案的实施例的示意性图示；
图7是激光超声检测系统的实施例的一部分的示意性框图；
图8是发射到结构的表面上以在结构中形成超声波的激光的实施例的示意性图示；
图9是发射到结构的表面上以探测对超声波的响应的激光的实施例的示意性图示；
图10是激光超声检测系统的实施例的一部分的示意性图示；
图11是使用激光超声来检测结构的方法的实施例的流程图；
图12是结构的表面相对于参考系的三维位置的实施例的示意性图示；
图13是结构的表面相对于参考系的三维位置的实施例的示意性图示；
图14是发射到结构的表面上的激光图案的实施例的示意性图示；
图15是发射到结构的表面上的激光图案的实施例的示意性图示；
图16是沿着扫描路径发射到结构的表面上的激光图案的实施例的示意性图示；
图17是沿着扫描路径发射到结构的表面上的激光图案的实施例的示意性图示；以及
图18是实施例飞行器制造和和维护方法的流程图。
具体实施方式
如下详细描述涉及示出了本公开所描述的具体实施方式和/或实施例的附图。具有不同结构和操作的其它实施方式和/或实施例并未脱离本公开的范围。在不同视图中相似的附图标记可以指代相同的特征、元件或构件。
下面提供了根据本公开主题的示例性非排他性实施例，其可以但不是必须被要求保护。
图1是飞行器1200的示例性实施例。在该示例性实施例中，飞行器1200是固定翼飞行器。飞行器1200包括机体1202以及多个高级系统1204和内饰1206。高级系统1204的实施例包括推进系统1208、电气系统1210、液压系统1212、环境系统1214和通信系统1216中的一个或多个。在其它实施例中，飞行器1200可以包括任何数量的其它类型的系统。
在一实施例中，飞行器1200包括机体1202。机体1202形成了机身1218。机身1218限定了飞行器1200的内饰1206，其可以包括客舱和/或货舱。机身1218是飞行器1200的主体，并包括被构造成容纳乘务员、一个或多个乘客和/或货物的任何合适的中央结构。在示例性实施例中，机身1218是细长的、大致筒形的机身。
机身1218包括位于飞行器1200的前端的机头部分1222以及位于飞行器1200的后端的机尾部分1224。如这里所用的，术语“前”和“后”具有对于本领域技术人员来说熟知的惯常意义，并且是指相对于飞行器1200的运动方向的位置。机尾部分1224还包括垂直尾翼1226和至少一个水平尾翼1228。
飞行器1200还包括一对机翼1220(也分别称为机翼1220)。各机翼1220联接至机身1218。机翼1220包括被构造成向飞行器1200提供升力的任何合适的翼面结构。在示例性实施例中，机翼1220是在后掠翼锥形俯视图中从机身1218的下部延伸的细长结构。在其它实施例中，机翼1220是笔直的或三角洲形。在又一些实施例中，机翼1220是梯形、恒定的、椭圆形、半椭圆形或本领域已知的其它构造。
在示例性实施例中，推进系统1208包括例如借助挂架安装至机翼1220的涡轮风扇发动机。在一实施例中，各发动机被容置在机舱中，其包括入口和喷嘴。在其它实施例中，发动机可以安装至机身1218或诸如机尾部分1224的其它飞行器结构。在各种其它实施例中，推进系统1208可以包括更多或更少的发动机，并且可以使用其它类型发动机(例如，涡轮螺旋桨发动机)。
飞行器1200还可以包括各种飞行控制表面。所述飞行控制表面包括用于调节和控制飞行器1200的飞行和气动特性的任何气动装置。飞行控制表面的实施例包括位于机翼1220的尾端上的襟翼、位于水平尾翼1228的尾端上的升降舵、位于垂直尾翼1226的尾端上的方向舵，以及诸如前端襟翼、副翼和扰流板的其它控制表面。
在一实施例中，飞行器1200包括形成机体1202、机身1218、机翼1220、垂直尾翼1226、水平尾翼1228和飞行器1200的其它结构的各种结构构件。这些结构构件的实施例包括蒙皮面板、桁条、翼梁、肋和其它类型的部件。这些结构构件借助各种方法中的任一方法联接在一起，这些方法包括但不限于借助各种紧固件的连接、共固化、结构结合(例如，粘接结合)或一体形成。
飞行器1200是具有可用激光超声检测系统检查的复合结构的飞行器的实施例。例如，可以使用激光超声检测系统检查复合蒙皮面板、复合桁条和其它复合结构。
图2示出了检测环境100的实施例。检测环境100是其中用激光超声检测系统102来检测结构200的环境的实施例。在各种实施例中，结构200包括待使用激光超声检测系统102来检测的任何物品或对象。
如这里所用的，术语“检测”和诸如涉及检测结构200的类似术语是指无损检测(NDT)、无损查验(NDE)、无损检查(NDI)、无损评估(NDE)以及用于检查和/或评估结构、材料或部件的性能而不永久改变或致使所检测物品受损的其它分析技术。
在一实施例中，激光超声检测系统102包括激光源104。激光源104被构造成发出激光106。激光超声检测系统102还包括发射器-接收器(通常称为发射器108)。发射器108与激光源104光学耦合。发射器108被构造成从发射器108的输出110将激光106发射到结构200的表面202上。在激光检测操作期间，激光106呈发射激光和接收激光的形式。激光106(例如，发射激光)被构造成在结构200中形成或以其他方式产生超声波204。激光106(例如，接收激光)被构造成探测对超声波204的响应206。
激光超声检测系统102还包括运动机构112。运动机构112联接至发射器108。运动机构112被构造成使发射器108相对于结构200运动。
激光超声检测系统102还包括计算机114。计算机114被构造成识别表面202相对于参考系118的三维位置208。计算机114还被构造成基于表面202的三维位置208控制运动机构112以使激光106沿着扫描路径116在结构200上运动，在扫描路径116中，发射器108的输出110距表面202位于恒定的距离处并且从发射器108的输出110发射出的激光106以恒定的投射角被引导在表面202上。计算机114还被构造成基于对超声波204的响应206来确定在结构200中是否存在不一致性212。
如这里所用的，诸如涉及结构200的表面202的术语“表面”具有对于本领域技术人员来说熟知的通常含义，并包括结构200的外表面的在超声检测操作期间被发射有激光106的任何部分。
如这里所用的，参考系118是相对于检测环境100限定的参考坐标系。在一实施例中，参考系118是由X轴、Y轴和Z轴限定的三维卡迪尔坐标系。在另一实施例中，参考系118可以采用诸如极坐标系的其它参考系。
如这里所用的，诸如涉及结构200的表面202的三维位置208的三维位置由位于参考坐标系中的点(诸如参考系)的三维坐标表示。在一实施例中，三维位置208成在参考系118中表面202上的点的XYZ坐标的形式。
如这里所用的，不一致性212包括但并不限于结构200中的不期望水平或多孔性、分层以及其它不期望的特征或特性。
结构200可以包括或由数种材料244形成。如这里所用的，“数个”项目意思是一个或多个项目。以这种方式，数种材料244包括一种或多种材料。
在一实施例中，结构200是复合结构并且数种材料244是数种复合材料。换言之，复合结构包括或由数种复合材料形成。通常，复合结构是坚韧且重量轻的，并且通过将两种或更多种功能复合材料组合而成。在其它实施例中，数种材料244还可以包括金属材料、塑料材料或其它合适类型的材料。
在一实施例中，数种复合材料包括基质材料和加强材料。在一实施例中，基质材料呈热固性树脂(例如，环氧树脂)、热塑性聚合物(聚酯、乙烯基酯、尼龙等)或其它类型的基质材料的形式。在一实施例中，加强材料呈纤维(例如，玻璃纤维、碳纤维、芳纶等)或其它类型的加强材料的形式。纤维可以是单向的，或者可以呈编织或无纺布或者织物的形式。
在一实施例中，结构200是层状结构。层状结构包括或由多层形成。在一实施例中，多层中的一层或多层包括或由数种复合材料形成。
结构200可以呈任何数量的形式。在一实施例中，结构200是飞行器1200(图1)的一部分(例如，结构构件的)，或者是飞行器1200的结构的一部分。在一实施例中，结构200是飞行器1200的复合部件，例如机身1218、机翼1220、垂直尾翼1226、水平尾翼1228或飞行器1200的其它结构。在一实施例中，结构200是形成机身1218、机翼1220、垂直尾翼1226、水平尾翼1228或飞行器1200的另一结构(诸如蒙皮面板、桁条、翼梁、肋、翼盒、加强件或其它类型的部件)中的至少一者的一个或多个复合结构构件。
本公开认识到：复合结构有益地用于飞行器中以减少飞行器的重量，这改善了诸如有效负载能力和燃料效率的性能特征。复合结构还为飞行器的各种部件提供了更长的使用寿命。
在制造复合结构时，典型地将多层复合材料铺放在工具上。所述层可以包括呈薄板形式的纤维。薄板可以呈织物、带、落纤的形式或其它合适的形式。在一些情况下，可以将树脂浸渍或预浸在薄板中。这些类型的薄板通常称为预浸料。预浸料的不同层可以按不同取向铺放，并且可以根据正制造的复合结构的性能需求而使用不同数量的层。
本公开还认识到：在复合结构的制造期间或使用期间可能将不一致性引入复合结构。由于构成复合结构的层的间距，针对不一致性的一些部位或一些类型检查复合结构会比预期更困难。此外，使用传统的无损检查技术可能并不能探测一些不一致性。
另外本公开认识到：检查具有非恒定几何形状的复合结构会比预期更困难。通常，为了从激光超声检测生成准确且有用的信息，必须对激光束的发射器相对于正检测的对象的位置进行控制，以使激光束行进的距离(例如，发射器的输出与对象的表面之间的偏移距离)以及激光束与表面的碰撞角在整个扫描过程中保持恒定。在使用低能激光器进行激光超声检测时该位置控制尤为重要。当表面的几何形状沿着对象的一个或多个主轴线有很少或没有变化时，该位置控制并不是过分困难。但是，当对象的表面的几何形状沿着对象的所有主轴线变化时，保持适当的对准和相隔会比预期更困难，并且可能在各部位处需要复杂的机械控制、复杂的激光控制或手动预设以保持激光器相对于表面的取向。
图3是结构200的示例性实施例。在该示例性实施例中，结构200是飞行器1200(图1)的加强件214，诸如机翼1220、垂直尾翼1226或水平尾翼1228的桁条或翼梁。结构200的表面202的任何部分或者结构200的表面202上的多个部分222(图2)中的任一者相对于结构参考系210具有相应的三维位置208。
如这里所用的，结构参考系210是相对于结构200上的点限定并且相对于结构200刚性的参考坐标系。在一实施例中，结构参考系210是由X轴、Y轴和Z轴限定并且例如与结构200的主轴线对准的三维卡迪尔坐标系。
在一实施例中，结构参考系210形成检测环境100的参考系118。在一实施例中，结构参考系210变换以与检测环境的参考系118对准。如这里所用的，诸如涉及参考系的变换的术语“变换”和类似术语是指三维旋转和/或平移，其中一个参考系与另一参考系基本对准或者一个坐标系的正交轴线与另一坐标系的正交轴线基本对准。
在一实施例中，结构200沿其各个主轴线具有非恒定几何形状。如这里所用的，术语“主轴线”是指物品的正交轴线。在一实施例中，结构200的主轴线包括第一轴线216、垂直于第一轴线216的第二轴线218以及垂直于第一轴线216和第二轴线218的第三轴线220。在示例性实施例中，第一轴线216沿着结构200的长度尺寸(例如，纵向轴线)形成，第二轴线218沿着结构200的宽度尺寸(例如，横向轴线)形成，并且第三轴线220沿着结构200的厚度或深度尺寸形成。因此，在示例性实施例中，表面202的外形轮廓或外形形状的变化由表面202沿第三轴线220的变化来表示。
在一实施例中，由于结构200的非恒定几何形状，表面202相对于结构参考系210的三维位置208沿着结构200的各个主轴线或者在结构200的各个主要尺寸(例如，长度、宽度和厚度)中改变。换言之，当在结构参考系210的YZ平面(由结构参考系210的Y轴和Z轴限定的虚拟平面)中观察时并且/或者当在结构参考系210的XZ平面(由结构参考系210的X轴和Z轴限定的虚拟平面)中观察时，表面202的外形形状改变。
在一实施例中，表面202相对于结构参考系210的外形形状由表面202上的多个点222中每个点的三维位置208限定。表面202上的每个点222具有与表面202上的任何其它点222不同的相应三维位置208。在一实施例中，每个点222的三维位置208是相对于结构参考系210的XYZ坐标，由此也具有相对于检测环境100的参考系118的XYZ坐标。
在示例性实施例中，表面202上的第一点224具有相应的第一三维位置208，表面202上的第二点226具有相应的第二三维位置208，表面202上的第三点228具有相应的第三三维位置208，表面202上的第四点230具有相应的第四三维位置208，等等。各第一点224、第二点226、第三点228和第四点230的相应三维位置208是不同的。
更具体地，在示例性实施例中，第一点224和第二点226具有相同的X坐标(例如，沿着结构参考系210的X轴的相同位置)。第一点224和第二点226具有不同的Y坐标(例如，沿着结构参考系210的Y轴的不同位置)。第一点224、第三点228和第四点230具有相同的Y坐标(例如，沿着结构参考系210的Y轴的相同位置)。第一点224、第三点228和第四点230具有不同的X坐标(例如，沿着结构参考系210的X轴的不同位置)。第一点224、第二点226、第三点228和第四点230具有不同的Z坐标(例如，沿着结构参考系210的Z轴的不同位置)。
图4示出了其中使用所公开的激光超声检测系统102来检测结构200的检测环境100的实施例。在示例性实施例中，结构200是飞行器的一部分，并且包括诸如复合蒙皮面板的蒙皮面板232和诸如复合加强件的加强件214。在一实施例中，加强件214与蒙皮面板232永久地联接。作为实施例，加强件214可以借助各种类型的紧固件(未示出)连接至蒙皮面板232，加强件214可以与蒙皮面板232共固化，加强件214可以结构结合(例如，粘接结合)至蒙皮面板232，或者它们的组合。尽管结构200的示例性实施例仅包括一个联接至蒙皮面板232的加强件214，但在其它实施例中，附加加强件214(例如，附加桁条)或其它类型的加强件214(例如，翼梁)可以联接至蒙皮面板232。
运动机构112被构造成相对于结构200运动或以其他方式操纵发射器108，以使从发射器108的输出110发出的激光106沿着结构200的表面202沿扫描路径116指向(例如，在结构200的表面202之上或横过结构200的表面202扫描或运动)。在各种实施例中，可以使用数种不同类型的系统来实施运动机构112。
在一实施例中，运动机构112包括或呈机器人122的形式。机器人122例如可以是被构造成使发射器108相对于结构200关于数个轴运动的扫描机器臂。在一实施例中，机器人122包括基部、一个或多个臂以及能操作以使各种臂运动的一个或多个致动器(例如，伺服电机)。应注意，机器人122可以包括更多或更少数量的臂和/或不同类型的构件，使得可以提供发射器108的任何期望范围的旋转和/或平移运动。在其它实施例中，运动机构112可以包括桁架式机器人或其它合适类型的运动系统。
在一实施例中，发射器108呈末端执行器128的形式或者结合在末端执行器128中。末端执行器128可移除地联接至机器人122。机器人122被构造成使末端执行器128相对于结构200运动。
激光源104被构造成发出激光106。在一实施例中，在激光超声检测操作的第一部分期间，激光106具有被构造成使超声波穿过结构200行进的能量。如这里所用的，超声波204是由于激光106形成在结构200中的音波或声波。在激光超声检测操作的第二部分期间，激光106具有被构造成不在结构200中导致音波并被构造成检测对于激光106的响应的能量。该响应包括用于识别对于结构200中的超声波204的响应的信息。
在一实施例中，激光超声检测系统102还包括探测器126。探测器126被构造成探测激光能并产生数据132(图2)。在一实施例中，探测器126包括数个探测器。在一实施例中，探测器126包括数个光探测器。在一实施例中，当激光106遇到结构200中的超声波204时，激光106的返回路径会改变。探测器126被构造成探测该改变。
在一实施例中，数据132用于识别关于结构200的信息252。该信息252包括但不限于结构200的厚度、结构200的材料组成(例如，材料244)、在结构200上和/或中是否存在任何不期望的不一致性212的标示以及/或者其它类型的信息。
在一些实施例中，由探测器126产生的数据132包括多个数据点。通常，增加包含在数据132中的数据点的数量使得使用当前可用的信号处理技术能实现较高的信噪比。在一实施例中，可以通过增加激光106扫描结构200的速率、通过多次扫描表面202的相同区域、通过将激光106在表面202上布置成图案或点阵列、或者它们的组合，而增加数据132中的数据点的数量。
在一实施例中，激光源104和探测器126是激光超声检测系统102的分开部件。在一实施例中，激光源104和探测器126被组合成激光超声检测系统102的单个部件。在一实施例中，激光源104和探测器126中的一者或两者形成发射器108的一部分并且/或者被结合在末端执行器128中。在一实施例中，激光源104和探测器126中的一者或两者独立于发射器108，并且/或者与末端执行器128分开。
在一实施例中，如图4所示，激光源104和探测器126借助光学通信链路130而与发射器108光学耦合。在一实施例中，光学通信链路130包括数个光纤。
计算机114被构造成控制激光超声检测系统102的操作。计算机114还被构造成分析由激光超声检测系统102生成的数据132。在一实施例中，计算机114可以是一个或多个计算机。当存在多于一个的计算机时，这些计算机可以通过诸如网络的通信媒介而彼此通信。
在一实施例中，计算机114包括控制器138(图2)(例如，被实施在计算机内的控制器)。控制器138被构造成控制运动机构112(例如，机器人122)、激光源104、探测器126和激光超声检测系统102的其它部件的操作。在各种实施例中，使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实施控制器138。当采用软件时，可以按存储在计算机可读存储介质(例如，非暂时性计算机可读存储介质)上并被构造成由处理器执行的程序代码或指令的形式来实施待进行的操作。当采用硬件时，该硬件可以包括进行操作以执行所述操作的电路。
在各种实施例中，硬件可以呈电路系统、集成电路、特定用途集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件或被构造成执行数个操作的一些其它合适类型的硬件的形式。在可编程逻辑器件的情况下，该器件被构造成执行数个操作。该器件可以在晚些时候被改装或者可以被永久构造成执行数个操作。可编程逻辑装置的实施例例如包括可编程逻辑阵列、可编程阵列逻辑、现场可编程逻辑阵列、现场可编程门阵列(FPGA)以及其它合适的硬件装置。
在一实施例中，计算机114借助数据通信链路134而与运动机构112、激光源104、探测器126通信联接。在一实施例中，数据通信链路134包括数个有线连接、数个无线连接或它们的组合。计算机114被构造成借助数据通信链路134而向运动机构112、激光源104、探测器126提供操作指令。计算机114还被构造成借助数据通信链路134而从探测器126接收数据132(图2)。
在一实施例中，计算机114还包括处理器140(图2)。在一实施例中，处理器140被构造成执行存储在内部存储器142、外部存储器(未示出)或它们的组合上的程序代码或指令。处理器140可以呈任何逻辑处理单元的形式，诸如中央处理单元(CPU)、微处理器、数字信号处理器(DSP)、其它合适的逻辑处理器或它们的组合中的一者或多者。内部存储器142可以呈任何数据存储单元的形式，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、固态存储器、易失性或非易失性存储装置、其它合适的数据存储或它们的组合中的一者或多者。处理器140被构造成对由探测器126基于由发射器108探测的响应生成的数据132进行分析。该分析可以包括指明在结构200中是否存在数个不一致性212。
另外，计算机114还包括数个输入/输出(I/O)装置144(图2)。I/O装置144的实施例包括但不限于键区、键盘、触敏显示屏、液晶显示(LCD)屏、麦克风、扬声器、通信端口或它们的任何组合中的一者或多者。计算机114被构造成生成指明在结构200中是否存在数个不一致性212的信息。该信息可以呈数个不同形式，诸如警报、报告、图像、基于结构200的超声检测的其它合适信息或它们的组合。
在一实施例中，警报可以指明是否存在不一致性212。警报可以被显示在联接至计算机114的显示装置上。
在一实施例中，图像可以被显示在计算机114的显示装置上。图像可以是当在结构200中存在不一致性212时有图形指示器的、结构200的一部分或全部的图像。图形指示器可以被显示在图像中与结构200中被探测出不一致性212的部位相对应的部位。在其它实施例中，当不存在不一致性212时，图形指示器可以被显示以指明没有不一致性212。
在一实施例中，报告可以识别结构200中的任何不一致性212。报告还可以包括其它信息，诸如不一致性的位置、不一致性的类型、不一致性的大小以及其它合适类型的信息。
在一实施例中，运动机构112(例如，机器人122)的姿势和发射器108(例如，末端执行器128)的姿势可以是计算机114已知的，或者可以是计算机114能确定的。如这里所用的，诸如涉及发射器108的姿势的术语“姿势”是指物品相对于参考系的位置和/或取向。在一实施例中，运动机构112可以包括一个或多个传感器(例如，编码器、簧片开关、位置传感器、接触开关、加速计等)或者被定位并构造成感测、测量或以其他方式确定表明发射器108相对于参考系118的当前位置、速度、加速度和/或取向的信息的其它装置。
在一实施例中，发射器108包括发射器参考系136。如这里所用的，发射器参考系136是相对于发射器108上的点限定并且对于发射器108刚性的参考坐标系。在一实施例中，发射器参考系136是由X轴、Y轴和Z轴限定的三维卡迪尔坐标系。
在一实施例中，计算机114从各种传感器或装置以及/或者从致动器接收表明运动机构112相对于参考系118的位置和/或取向的信息。计算机114然后例如通过进行发射器参考系136相对于参考系118的变换而计算地确定发射器108相对于参考系118的姿势。
参照图4和图5，发射器108被构造成将激光106以图案120的形式发射到结构200的表面202上。激光106的图案120是结构200的表面202上的被激光106照亮的多个区域。取决于激光106至表面202上的投射角，这些区域可以是圆形、椭圆形、方形、倾斜的或具有一些其它形状。在一实施例中，激光106呈多个激光束的形式，并且由激光106的多个激光束(也称为激光束阵列)形成激光106的图案120。在一实施例中，激光106呈多个激光束阵列的形式，并且由激光106的多个激光束阵列形成激光106的图案120。在一实施例中，多个激光束阵列中的每一者彼此对准。在一实施例中，多个激光束阵列中的至少一者相对于多个激光束阵列中的至少另一者偏移或错开。
在图5所示的实施例中，图案120呈由激光106形成的布置成线性图案的多个斑点172的形式。在一实施例中，多个斑点172中的每一者由激光106的多个激光束中的相应一者形成。
在一实施例中，多个斑点172中的相邻斑点的中心之间的线性距离为约0.08英寸(80毫寸或2毫米)。多个斑点172的该间距使得能每0.08英寸收集描述表面202上的点的特征的数据132。在一实施例中，可以通过增加由激光106的多个激光束形成的斑点172的密度(例如，通过减少多个斑点172中的相邻斑点的中心之间的线性距离和/或在图案120的长度上增加斑点172的数量)而增加数据132中的数据点的数量。在一实施例中，激光106的图案120足够密集(例如，在图案120的长度上具有足够数量的斑点172)，以使得能描述结构200的较小特征部的特征。在一实施例中，增加由激光106的多个激光束形成的斑点172的密度还可以减少表面202上的区域需要被扫描的次数，并由此增加激光超声检测系统102的扫描率。
在一实施例中，图案120是或呈线124的形式。通过由激光106形成的斑点172的线性布置来限定线124。在一实施例中，图案120是直线。换言之，发射器108被构造成将激光106的图案120以直线的形式发射到结构200的表面202上。在一实施例中，线124是连续线。在另一实施例中，线124是非连续线。
在另一实施例中，图案120呈由激光106形成的单个斑点172的形式。
通常，使用线性图案而非单个点对结构200的超声检测使得能对结构200进行更快速地检测。
在其它实施例中，图案120可以具有类似于矩形或其它合适形状的形状。
在一实施例中，图案120具有第一(例如，主要)线性尺寸174和第二(例如，次要)线性尺寸176。第一线性尺寸174限定了由多个斑点172形成的图案120的长度尺寸。在一实施例中，在图案120的第一线性尺寸174上激光106的激光束阵列的斑点172的数量限定了图案120的密度。第二线性尺寸176限定了由斑点172的斑点大小形成的图案120的宽度尺寸。
在一实施例中，图案120的第一线性尺寸174小于等于约6英寸(152毫米)。在一实施例中，图案120的第一线性尺寸174小于等于约2英寸(50毫米)。在一实施例中，图案120的第一线性尺寸174小于等于约1英寸(25毫米)。
在一实施例中，形成图案120的各斑点172具有小于等于约5毫米的斑点大小。因此，在一实施例中，图案120的第二线性尺寸176小于等于约5毫米。在一实施例中，形成图案120的各斑点172具有小于等于约1毫米的斑点大小。因此，在一实施例中，图案120的第二线性尺寸176小于等于约1毫米。
参照图6，运动机构112(图2)操纵发射器108以使激光106的图案120横过结构200的表面202例如沿箭头175(图5)的方向沿着扫描路径116运动以扫描结构200。随着激光106沿着扫描路径116运动，结构200的表面202上的图案120(例如，各斑点172)的位置在图6中用虚线表示。
在一实施例中，形成图案120的斑点172中的一个或多个可以接触或至少局部叠置一个或多个直接相邻的斑点172，以使表面202上的相同区域被激光106的图案120的多于一个的斑点172覆盖。换言之，激光106的图案120是连续线。在一实施例中，斑点172中的一个或多个可以与直接相邻的斑点172间隔开，以使表面202的一部分未被激光106的图案120的斑点172覆盖。换言之，激光106的图案120是非连续线。
参照图7，在一实施例中，激光超声检测系统102包括超声发生器148。超声发生器148被构造成生成并发出第一激光156。超声发生器148是诸如激光源104(图2)的激光源的实施例。第一激光156是发射或超声生成激光的实施例，诸如激光106(图2)。在一实施例中，超声发生器148包括或呈激光器186的形式。在一实施例中，激光器186被构造成发出第一激光156。
在一实施例中，第一激光156是相干光。在一实施例中，超声发生器148被构造成生成相干光。换言之，激光器186是相干光源。在一实施例中，第一激光156是或呈激光束(相干光的聚焦光束)的形式。在一实施例中，第一激光156是或呈脉冲激光束的形式。由激光能量脉冲形成脉冲激光束。换言之，由以束的形式发出的激光脉冲形成脉冲激光束。
在一些实施例中，激光器186是激光发生器、激光器二极管阵列或一些其它合适的相干光源。在一实施例中，激光器186是低功率或低能的基于光纤的激光器。在一实施例中，激光器186是气体激光器。在一实施例中，激光器186是二氧化碳(CO2)激光器。在一实施例中，激光器186是掺铝钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。
在一实施例中，超声发生器148被构造成生成具有数个第一特性166的第一激光156。各第一特性166具有在选定范围内的值。对于各第一特性166的范围被选择以按如下方式生成第一激光156，即：当第一激光156遇到结构200时使得在结构200中形成第一超声波234而不会在选定的容差外在结构200中导致任何不期望的不一致性。在一些实施例中，第一特性166包括但不限于第一波长、第一脉冲重复率、第一斑点大小、第一脉冲持续时间、第一脉冲能量、第一强度和其它第一特性。
在一实施例中，激光超声检测系统102包括超声接收器150。超声接收器150被构造成生成并发出第二激光158。超声接收器150是诸如激光源104和探测器126(图2)的激光源和探测器的组合的实施例。第二激光158是诸如激光106(图2)的接收或超声探测激光的实施例。在一实施例中，超声接收器150包括或呈干涉仪164的形式。在一实施例中，干涉仪164被构造成发出第二激光158。
在一实施例中，第二激光158是相干光。在一实施例中，超声接收器150被构造成生成相干光。换言之，干涉仪164是相干光源。在一实施例中，第二激光158是或呈激光束(相干光的聚焦光束)的形式。在一实施例中，第二激光158是或呈脉冲激光束的形式。由激光能量脉冲形成脉冲激光束。换言之，由以束的形式发出的激光脉冲形成脉冲激光束。
在一些实施例中，干涉仪164包括激光发生器、激光器二极管阵列或一些其它合适的相干光源。在一实施例中，干涉仪164是低功率或低能的基于光纤的激光器。在一实施例中，干涉仪164包括气体激光器。在一实施例中，干涉仪164是掺铝钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。
在一实施例中，超声接收器150被构造成生成具有数个第二特性168的第二激光158。各第二特性168具有在选定范围内的值。对于各第二特性168的范围被选择以按如下方式生成第二激光158，即：当第二激光158遇到结构200时使得不在结构200中形成超声波。在一些实施例中，第二特性168包括但不限于第二波长、第二脉冲重复率、第二斑点大小、第二脉冲持续时间、第二脉冲能量、第二强度和其它第二特性。
在一些实施例中，第一激光156的第一特性166和第二激光158的第二特性168中的至少一些是不同的。
在一实施例中，可以基于形成结构200的材料244、结构200的厚度和其它合适因素来选择激光106的波长。在一实施例中，可以按如下方式对第一激光156选择波长，即：当将第一激光156发射到结构200的表面202上时增加来自第一激光156的能量吸收。例如，当结构200由一种或多者复合材料形成时，对第一激光156选择的波长可以从约300毫米至约30,000毫米。
脉冲重复率是为了形成脉冲激光束而发出激光能量脉冲的速率。可以鉴于频率来描述脉冲重复率。在一实施例中，超声发生器148被构造成生成脉冲激光束使得脉冲激光束具有在约10,000赫兹和约500,000赫兹之间的脉冲重复率。在该范围内的脉冲重复率可以视为高脉冲重复率。在一实施例中，对于脉冲重复率选定的范围被选择成使得脉冲重复率足够高，以使脉冲激光束沿结构200运动的速率在选定容差内。具体地，用于脉冲重复率的高值使得脉冲激光束扫描结构200的速率也高。换言之，随着脉冲重复率升高，扫描率也会增加。
斑点大小是由激光106(诸如脉冲激光束)在结构200的表面上照射的区域的大小。在一实施例中，激光超声检测系统102被构造成生成诸如呈脉冲激光束形式的激光106，使得斑点大小小于约1毫米。
在一实施例中，对于第一激光156可以选择脉冲持续时间或脉冲长度，以生成用于第一超声波234的期望频率。在一实施例中，对于用于形成第一超声波234的第一激光156可以选择约1纳秒至约200纳秒的脉冲持续时间。在一实施例中，对于用于探测第一响应236中的第二超声波238的第二激光158可以选择约50微秒至约100微秒的脉冲持续时间。通常，第一激光156的脉冲持续时间被选择成充分长，以使第一激光156照射表面202长到足以使超声波的超声脉冲穿过结构200进行完整的来回行程。
脉冲能量可以是包含在形成激光106的各激光能量脉冲内的能量的量。在一实施例中，诸如脉冲激光束的第一激光156被生成使得脉冲能量在如下选择的范围内，即：使得能在结构200中形成第一超声波234而不会在选定容差外在结构200中形成数个不一致性。在一实施例中，超声发生器148被构造成生成诸如脉冲激光束的第一激光156，以使脉冲能量在约1微焦耳至约10,000微焦耳的范围内。
在一实施例中，可以基于希望在遇到结构200的表面202时由第一激光156发射至结构200中的能的量来选择强度。对于第一激光156可以将强度选择成：当第一激光156被发射到结构200的表面202上时提供期望水平的第一超声波234。对于第一激光156和第二激光158可以将强度选择成减少或避免对结构200的表面202的损伤。强度还可以根据针对脉冲长度和斑点大小选择的值进行改变。
在一些实施例中，可以使用斑点大小和脉冲能量的组合而生成在期望范围内的光通量。如这里所用的，术语“通量”是指流经单位面积的能量。在一实施例中，可以生成诸如脉冲激光束的激光106使得每脉冲光通量在约0.1毫焦耳/平方厘米至约1000毫焦耳/平方厘米之间。对于每脉冲光通量选择的该范围内的值可以被选择成使得脉冲激光束不会在选定容差外在结构200上和/中导致任何不一致性。
在一些实施例中，可以通过增加在正扫描的表面202的相应区域之上斑点172的数量(例如，增加图案120的密度)而增加激光106扫描结构200的扫描率。因而，与激光106具有不那么密集的图案120以及低重复率时相比，在激光106具有更密集的图案120以及高重复率时生成的数据132可以具有更高的信噪比。通常，更高的脉冲重复率会增加表面202上的点或区域被激光106照射的次数。来自表面202上的同一点或区域上激光106的多个脉冲的响应的数据点可以被平均并具有较高的信噪比。
尽管对于第一特性166和/或第二特性168已指定了具体值，但这些值是为了例示目的提供的而并不旨在限制可以使用的其它值。第一特性166和/或第二特性168的选择可以根据相应光源、结构200中的材料和其它因素而改变。
在一实施例中，超声发生器148与发射器108光学耦合。发射器108被构造成从发射器108的输出110将第一激光156以第一图案160的形式发射到结构200的表面202上。第一激光156的第一图案160是表面202上被第一激光156照射的多个区域。第一图案160是图案120(图2)的实施例。在一实施例中，第一图案160呈线124(图2)的形式。
在一实施例中，超声接收器150与发射器108光学耦合。发射器108被构造成从发射器108的输出110将第二激光158以第二图案162的形式发射到结构200的表面202上。第二激光158的第二图案162是表面202上被第二激光158照射的多个区域。第二图案162是图案120(图2)的实施例。在一实施例中，第二图案162呈线124(图2)的形式。
在一些实施例中，第二激光158的第二图案162与第一激光156的第一图案160基本排成一行。在一实施例中，第一激光156的线124和第二激光158的线124基本对准和/或基本覆盖结构200的表面202上的相同区域。
参照图8，在一实施例中，第一激光156被构造成：当第一激光156遇到结构200时，在结构200内生成、形成或以其他方式产生第一超声波234。换言之，第一超声波234可以在第一激光156被发射到结构200的表面202上时出现。第一激光156中的能量在结构200中导致热弹性膨胀。热弹性膨胀在结构200中导致第一超声波234。第一超声波234是超声波204(图2)的实施例。
在一实施例中，第一超声波234例如基于具体实施而具有从约20千赫到约10兆赫的频率。例如，第一超声波234的频率可以取决于用于形成结构200的材料244(图2)、激光激发的脉冲宽度以及其它合适的因素。
参照图9，在一实施例中，第一超声波234被构造成生成第一响应236的形式。换言之，第一响应236是由第一超声波234产生的反馈。在一实施例中，第一响应236包括由于在结构200内行进的第一超声波234(图8)的散射、反射、调制和其它变化而出现的第二超声波238。换言之，第一响应236由响应于第一超声波234出现的第二超声波238形成。第二超声波238是超声波204(图2)的实施例。第一响应236是响应206(图2)的实施例。
在一实施例中，通过将第二激光158发射到结构200的表面202上并且探测对于第二激光158的第二响应240而探测到第一响应236。在一实施例中，第二响应240是已被第一响应236偏转的第三激光242。第三激光242是第二激光158的从表面202反射的部分。例如，由在结构200内行进的第一超声波234导致的第二超声波238(例如，第一响应236)到达结构200的表面202，并在表面202上产生或以其他方式形成被探测的机械振动。第二响应240是响应206(图2)的实施例。
在一实施例中，使用超声接收器150来探测第一响应236，超声接收器150发出第二激光158(例如，参照激光)并探测表面202上的机械振动作为第二响应240。在一实施例中，当探测到第二响应240时，超声接收器150向计算机114(图2)发送数据132。计算机114使用数据132来产生表明在结构200中是否存在不一致性212的信息。
在例示实施例中，激光超声检测系统102用于检测结构200的其中结构200的表面202具有变化的外形形状的部分。激光超声检测系统102还用于检测结构200的其中存在非平坦特征的部分。非平坦特征可以包括但不限于半径、边缘、凹槽和其它非平坦特征中的至少一者。
如图8和图9所示，在激光超声检测操作期间，发射器108的输出110相对于结构200的表面202被定位在预定的偏移距离180处。随着第一激光156和第二激光158横过结构200的表面202沿着扫描路径116(图2)运动，发射器108的输出110相对于表面202被保持在基本恒定的偏移距离180处。
在一实施例中，偏移距离180是指结构200的表面202与发射器108的输出110之间的线性距离。换言之，偏移距离180代表激光106在可接受的容差内从发射器108向表面202行进的距离。在一实施例中，发射器108的输出110与结构200的表面202之间的偏移距离180在约9毫米至约11毫米之间。在一实施例中，偏移距离180为约10毫米。当基于具体实施定位发射器108的输出110时，也可以使用其它偏移距离180。随着第一激光156和第二激光158横过结构200的表面202沿着扫描路径116(图2)运动，发射器108的输出110相对于结构200的表面202被保持在基本恒定的偏移距离180处。
在激光超声检测操作期间，来自发射器108的输出110的各第一激光156和第二激光158的发射相对于参考系(诸如检测环境100的参考系118、发射器参考系136或结构参考系210)以预定的投射角182取向。随着第一激光156和第二激光158横过结构200的表面202沿着扫描路径116(图2)运动，各第一激光156和第二激光158相对于相应的参考系被保持在基本恒定的投射角182。
如这里所用的，投射角182是指激光106(例如，第一激光156和第二激光158)相对于相应参考系的角度取向，其在可接受的容差内实现了激光106与结构200的表面202之间的期望碰撞角184。在一实施例中，碰撞角184介于约88度与约92度之间。在一实施例中，碰撞角184为约90度。
参照图10，在一实施例中，发射器108还包括发射器壳体146。在一实施例中，发射器壳体146包括框架或一些其它类型的物理结构。发射器壳体146在图10中用点划线表示。在一实施例中，发射器壳体146呈末端执行器128的形式并且被构造成联接至机器人122(图4)。
在示例性实施例中，超声发生器148和超声接收器150与发射器108相关联。超声发生器148被构造成将激光106(例如，第一激光156)光学发射至发射器108。超声接收器150被构造成将激光106(例如，第二激光158)光学发射至发射器108。超声接收器150还被构造成探测对于超声波204(图2)的响应206。
在一实施例中，激光超声检测系统102包括第一光纤阵列152。第一光纤阵列152包括成阵列布置的多个光纤。可以使用被构造成在光纤内承载光的任何类型的光纤来实施第一光纤阵列152的光纤。对于第一光纤阵列152可以使用任何数量的光纤和/或其它类型的阵列。
第一光纤阵列152将超声发生器148和发射器108光学耦合在一起。第一光纤阵列152被构造成从超声发生器148接收第一激光156，并从发射器108的输出110将第一激光156以第一图案160的形式发射到结构200的表面202上。来自第一光纤阵列152的第一激光156被构造成在结构200中导致激发。换言之，来自第一光纤阵列152的第一激光156被构造成在结构200内生成第一超声波234。
在一实施例中，激光超声检测系统102包括第二光纤阵列154。第二光纤阵列154包括成阵列布置的多个光纤。可以使用被构造成在光纤内承载光的任何类型的光纤来实施第二光纤阵列154的光纤。对于第二光纤阵列154可以使用任何数量的光纤和/或其它类型的阵列。
第二光纤阵列154将超声接收器150和发射器108光学耦合在一起。第二光纤阵列154被构造成从超声接收器150接收第二激光158，并从发射器108的输出110将第二激光158以第二图案162的形式发射到结构200的表面202上。第二光纤阵列154被构造成接收(例如，探测)对第二激光158的第二响应240(图9)。第二激光158未被构造成在结构200内产生超声波。相反，第二激光158被构造成反射、散射或以其他方式与结构200的表面202、结构200的表面202周围的空气或二者相互作用，使得第二激光158的被反射回并被第二光纤阵列154接收的部分(例如，第三激光178)可以被第一响应236中到达结构200的表面202的第二超声波238影响。
在一些实施例中，发射到表面202上的第一图案160与第二图案162之间在时间上存在重叠。通过该重叠，第二光纤阵列154可以用于在产生第一超声波234的同时或之前监视第一响应236。
在其它实施例中，第一光纤阵列152中的各光纤可以相继而不是同时发射第一激光156。另外，第一光纤阵列152中的光纤成组可以相继发射第一激光156。可以按类似的方式由第二光纤阵列154发射第二激光158。在其它实施例中，可以使用不同的相位、波长或二者来发射第一激光156和第二激光158。
在一些实施例中，诸如延迟线和延迟电路的机构将超声发生器148和/或超声接收器150中的激光源分开。这些机构可以减少光纤中的串音，而该串音会导致第一光纤阵列152中的第一激光156和第二光纤阵列154中的第二激光158从一根光纤退出而进入另一根光纤。换言之，不同的相位、波长、时间或它们的一些组合可以用于减少第一光纤阵列152和第二光纤阵列154内的光纤之间的串音。
在一实施例中，发射器108还包括数个光学元件170。光学元件170被构造成引导和/或修改第一激光156和第二激光158从发射器108的输出110到结构200的表面202上的发射。另外，光学元件170还将第二响应240(例如，第三激光178)引导至第二光纤阵列154。在一些实施例中，光学元件170包括透镜、反光镜、衍射光学元件、偏光器、波片、周期极化铌酸锂晶体或其它合适的光学元件中的至少一者。
在一实施例中，光学元件170被构造成使从第一光纤阵列152发射的第一激光156成形以形成第一图案160。以类似的方式，光学元件170被构造成使从第二光纤阵列154发射的第二激光158成形以形成第二图案162。在一些实施例中，光学元件170可用于改变第一激光156和/或第二激光158的偏振、第一激光156和/或第二激光158的颜色以及第一激光156和/或第二激光158的其它参数。
在一实施例中，光学元件170包括柱面透镜188。柱面透镜188被构造成使得由第一光纤阵列152发射的第一激光156形成具有线性形状的光束。换言之，柱面透镜188被构造成成形第一激光156。在一实施例中，柱面透镜188被构造成使得第一激光156在结构200的表面202上形成作为连续线的第一图案160。在一实施例中，柱面透镜188可以起作用以使得第一激光156的第一图案160具有带有高斯分布的强度。在一实施例中，高斯分布相对于结构200的表面202上的平面是沿着X和Y方向的。
在一实施例中，第一光纤阵列152间隔开以使第一图案160照射结构200的表面202上的各个区域的图案。在一实施例中，第一光纤阵列152和/或光学元件170被构造成从发射器108的输出110发射第一激光156作为第一激光束阵列(诸如第一脉冲激光束阵列)。
在一实施例中，第一图案160呈线124(图4)的形式。在一实施例中，第一图案160由结构200的表面202上的第一激光束阵列的交叉或重叠而形成。
在一实施例中，第二光纤阵列154间隔开以使第二图案162照射结构200的表面202上的各个区域的图案。在一实施例中，第二光纤阵列154和/或光学元件170被构造成从发射器108的输出110发射第二激光158作为第二激光束阵列(诸如第二脉冲激光束阵列)。
在一实施例中，第二图案162呈线124(图4)的形式。在一实施例中，第二图案162由结构200的表面202上的第二激光束阵列的交叉或重叠而形成。
在一实施例中，光学元件170包括数个反光镜190。这些反光镜被构造成管理第一激光156的第一激光束阵列和/或第二激光158的第二激光束阵列行进以到达结构200的表面202所沿的方向。反光镜190还被构造成控制第二响应240的第三激光178行进所沿的方向。
在一实施例中，第一光纤阵列152的光纤可以成组并被覆盖以形成光线束192。在一实施例中，光线束192的一端与准直器194光学耦合。在一实施例中，准直器194与激光器186光学耦合。在一实施例中，第一激光156被发送穿过准直器194。准直器194被构造成使得第一激光156相干。
在另一实施例中，超声发生器148包括数个准直器194。在一实施例中，第一光纤阵列152的各光纤与相应的准直器194光学耦合。
在一实施例中，干涉仪164是硬件装置并被构造成识别来自形成第二响应240(图9)的第三激光178的信息。在一实施例中，干涉仪164可以包括数个干涉仪。由干涉仪164识别的信息可以例如包括移位、偏转、表面速度和可用于识别由接收第二响应240中的第三激光178的第二光纤阵列154探测的第二响应240的其它信息。
在一实施例中，超声接收器150还包括数个准直器196。在一实施例中，第二光纤阵列154的各光纤与相应的准直器196光学耦合。在一实施例中，可以使用不同类型的准直器来实施准直器196。例如，准直器196可以选自非球面透镜准直器、球面透镜准直器、自聚焦透镜准直器或一些其它合适类型的准直器中的至少一者。准直器196被构造成使得第二激光158相干。
在一实施例中，第二响应240中的第三激光242在第二光纤阵列154的一端处被接收或探测，并且沿着与第二激光158的发射相反的方向被发射穿过第二光纤阵列154。在一实施例中，第二光纤阵列154的相对端耦合至干涉仪164。在该实施例中，干涉仪164是第二激光158的源并接收第二响应240。
本公开认识到：随着激光106横过结构200的表面202沿扫描路径116运动，为了保持激光106基本恒定的偏移距离180和投射角182，需要了解表面202的外形形状和/或表面202相对于参考系118的三维位置208。
再次参照图2，在一实施例中，计算机114被构造成利用三维点云数据248来识别结构200的表面202上的多个点222的三维位置208。在一实施例中，识别表面202上的多个点222相对于结构参考系210的三维位置208。在该实施例中，计算机114还被构造成相对于参考系118定位表面202上的多个点222的三维位置208。在一实施例中，计算机114例如被构造成通过执行指令或实施软件工具，而在结构参考系210上进行变换操作使得结构参考系210与参考系118对准并且相对于参考系118来定位表面202上的多个点222的三维位置208。
在各种实施例中，由多种方法中的任一方法来生成代表结构200的表面202的三维点云数据248。在一实施例中，计算机114被构造成从结构200的三维模型246提取代表结构200的表面202的三维点云数据248。在一实施例中，计算机114还被构造成基于表面202的三维点云数据248来确定表面202上的多个点222相对于参考系118的三维位置208。
在各种实施例中，由多种不同方法中的任一方法来生成结构200的三维模型246。在一实施例中，使用实施在计算机(诸如计算机114的处理器140或其它计算机系统)上的计算机辅助设计(CAD)工具或软件来生成三维模型246。
在一实施例中，使用数个图像250来生成三维模型246。在各种实施例中，由多种不同方法中的任一方法来生成结构200的图像250。在一实施例中，激光超声检测系统102被构造成捕获结构200的图像250。在一实施例中，在超声检测操作开始之前捕获图像250。在一实施例中，例如随着激光106横过表面202运动以扫描结构200，在超声检测操作的进行期间,捕获图像250。
在一实施例中，激光超声检测系统102包括传感器198。传感器198被构造成捕获结构200的图像250。在一实施例中，计算机114被构造成基于结构200的图像250生成结构200的三维模型246。在其它实施例中，计算机114例如被构造成通过执行指令或实施软件工具，而直接从结构200的图像250提取代表结构200的表面202的三维点云数据248。
在一实施例中，传感器198包括传感器壳体。传感器壳体包括框架或一些其它类型的物理结构。在一实施例中，传感器198呈末端执行器128的一部分的形式，或者以其他方式被构造成联接至发射器108或机器人122(图4)。
传感器198包括多种类型的图像捕获系统中的任一者。在一实施例中，传感器198包括或呈立体视觉系统的类型的形式。在一实施例中，传感器198包括或呈结构光系统的类型的形式。在一实施例中，传感器198包括或呈三维激光扫描器或其它类型的激光计量系统的类型的形式。
在一实施例中，传感器198包括数个相机。在一实施例中，所述数个相机被构造成捕获呈数个二维图像形式的图像250。
在一实施例中，传感器198包括数个光源。所述数个光源被构造成照射结构200的表面202的一部分。在一实施例中，所述数个光源被构造成将结构光发射到结构200的表面202上。所述数个相机被构造成捕获表面202的数个图像250以及从表面202反射的结构光。
在一实施例中，计算机114的处理器140例如被构造成通过执行指令或实施软件工具，而接收数个图像250以及基于一个或多个图像处理操作来确定结构200的表面202的外形形状中的变化。在一实施例中，使用实施在计算机(诸如计算机114的处理器140或其它计算机系统)上的软件工具来进行该图像处理操作。
可以通过任何其它合适的光学手段来实现确定结构200的表面202的外形形状。在一实施例中，传感器198包括或呈激光计量装置的形式，其使用点云方法测量三维空间中的表面202的多个点222。从三维点云数据248提取结构200的表面202的三维位置208或者外形形状。在一实施例中，用激光测距仪来测量各点222。在一实施例中，传感器198包括或呈轮廓曲线仪的形式，其使用激光线扫描来测量结构200的表面202的外形。激光线扫描系统沿一条线生成表面202的二维外形。
在扫描期间在表面202上定位激光106包括例如使用运动机构112使发射器108相对于结构200运动以使激光106沿扫描路径116运动。在一些实施例中，扫描路径116是使用来自传感器198的输入生成的动态计算路径、基于结构200的三维模型246(例如，CAD描述)的预先计划的路径或二者的组合。本公开认识到：物理结构、更具体地复合结构、会随结构的CAD描述而改变。
参照图11，还公开了使用激光超声来检测结构的示例性方法1000。例如，所公开方法1000用于使用激光超声检测系统102来检测结构200。
在一实施例中，方法1000包括识别结构200的表面202相对于参考系118的三维位置208的步骤(方框1002)。
在一实施例中，方法1000包括如下步骤(方框1004)：从发射器108的输出110将激光106发射到结构200的表面202上，以在结构200中形成超声波204并且探测对超声波204的响应206。
在一实施例中，方法1000包括如下步骤(方框1006)：基于表面202的三维位置208使激光106在结构200之上沿着扫描路径116运动，以使发射器108的输出110距表面202位于恒定偏移距离180处，并且将从发射器108的输出110发射的激光106以恒定的投射角182引导至表面202上。
在一实施例中，方法1000包括如下步骤(方框1008)：基于对超声波204的响应206，确定在结构200中是否存在不一致性212。
参照图12和图13，在一实施例中，表面202上的多个点222中的每一个相对于参考系118具有相应的三维位置208。三维位置208包括参考系118中的XYZ坐标。表面202上的多个点222中一者的Z坐标与表面202上的多个点222中另一者的Z坐标不同。
在一实施例中并且如图12所示，第一点224(例如，多个点222中的第一点)具有第一XYZ坐标，并且第二点226(例如，多个点222中的第二点)具有第二XYZ坐标。第一点224具有第一Z坐标(Z1)，第二点226具有第二Z坐标(Z2)。第一Z坐标(Z1)和第二Z坐标(Z2)是不同的。第一Z坐标(Z1)和第二Z坐标(Z2)的差值256代表在参考系118的YZ平面中沿Y轴在第一Y坐标(Y1)和第二Y坐标(Y2)之间表面202的外形形状的变化。
在一实施例中并且如图13所示，第一点224(例如，多个点222中的第一点)具有第一XYZ坐标，第三点228(例如，多个点222中的第二点)具有第二XYZ坐标，并且第四点230具有第三XYZ坐标。第一点224具有第一Z坐标(Z1)，第三点228具有第二Z坐标(Z2)，并且第四点230具有第三Z坐标(Z3)。第一Z坐标(Z1)、第二Z坐标(Z2)和第三Z坐标(Z3)是不同的。第一Z坐标(Z1)和第二Z坐标(Z2)的差值256代表在参考系118的XZ平面中沿X轴在第一X坐标(X1)和第二X坐标(X2)之间表面202的外形形状的变化。第二Z坐标(Z2)和第三Z坐标(Z3)的差值256代表在参考系118的XZ平面中沿X轴在第二X坐标(X2)和第三X坐标(X3)之间表面202的外形形状的变化。第一Z坐标(Z1)和第三Z坐标(Z3)的差值256代表在参考系118的XZ平面中沿X轴在第一X坐标(X1)和第三X坐标(X3)之间表面202的外形形状的变化。
参照图11，在一实施例中，方法1000包括如下步骤(方框1010)：将从发射器108的输出110发射的激光106在结构200的表面202上形成为图案120。
在一实施例中，方法1000包括如下步骤(方框1012)：将表面202上的图案120定位成使得位于激光106的图案120内(包含位于图案120上)的、表面202上的多个点222中的任两个点的Z坐标的差值256小于等于阈值254。
在一实施例中，根据方法1000，阈值254小于等于约1/8英寸(3毫米)。在其它实施例中，阈值254可以大于1/8英寸。阈值254可以取决于各种因素，诸如结构200的材料244的类型、用于生成激光106的激光源104的类型、激光106的特性以及其它因素。
通常，阈值254代表表示表面202的外形形状在一距离之上的变化(例如，表面202的斜坡)的最大容许差值256，其中呈激光106的图案120形式的激光106可以精确地用于生成描述结构200的特征的数据132。例如，在其中位于激光106的图案120内(包含位于图案120上)的、多个点222中的任两个点的差值256大于阈值254的情形下，对于激光106横过激光106的图案120，偏移距离180和/或投射角182可能不会保持恒定。
在一实施例中，根据方法1000，激光106的图案120呈激光106的线124的形式。
在一实施例中，方法1000包括如下步骤：识别表面202上的多个点222中的第一点和表面202上的多个点222中的第二点，其中沿着在多个点222中的第一点和多个点222中的第二点之间延伸的直线258定位(包含在直线258上)的、表面202上的多个点222中的任两个点在参考系118中的Z坐标的差值256小于等于阈值254。
在一实施例中，方法1000包括如下步骤：使得激光106的线124与在多个点222中的第一点和多个点222中的第二点之间延伸的直线258对准。
参照图14，在一实施例中，生成在第一点224(例如，多个点222中的第一点)和第二点226(例如，多个点222中的第二点)之间延伸的直线258。在该实施例中，沿着在第一点224和第二点226之间延伸的直线258定位(包含在直线258上)的、多个点222中的任两个点的Z坐标的差值256大于阈值254。因此，激光106的线124不会与在第一点224和第二点226之间延伸的直线258对准以扫描结构200。在一实施例中，生成在第一点224(例如，多个点222中的第一点)和第四点230(例如，多个点222中的第二点)之间延伸的直线258。在该实施例中，沿着在第一点224和第四点230之间延伸的直线258定位(包含在直线258上)的、多个点222中的任两个点的Z坐标的差值256大于阈值254。因此，激光106的线124不会与在第一点224和第四点230之间延伸的直线258对准以扫描结构200。在一实施例中，生成在第一点224(例如，多个点222中的第一点)和第三点228(例如，多个点222中的第二点)之间延伸的直线258。在该实施例中，沿着在第一点224和第三点228之间延伸的直线258定位(包含在直线258上)的、多个点222中的任两个点的Z坐标的差值256小于阈值254。因此，激光106的线124会与在第一点224和第三点228之间延伸的直线258对准以扫描结构200。
在一实施例中，方法1000包括如下步骤：将激光106的线124配合在多个点222中的第一点与多个点222中的第二点之间(包含在第一点和第二点上)。
在一实施例中，可以例如通过如下方式来设定线124的大小，即：设置和/或调整激光106的图案120的第一线性尺寸174，以使激光106的图案120的第一线性尺寸174小于等于在多个点222中的第一点和多个点222中的第二点之间延伸的直线258(诸如在第一点224和第三点228之间延伸的直线258)的线性尺寸。
在一实施例中，方法1000包括如下步骤：识别表面202上的多个点222中的第三点和表面202上的多个点222中的第四点，其中沿着在多个点222中的第三点和多个点222中的第四点之间延伸的第二直线260定位(包含在第二直线260上)的、表面202上的多个点222中的任两个点在参考系118中的Z坐标的差值256小于等于阈值。
参照图11，在一实施例中，方法1000包括如下步骤(方框1014)：在直线258(在多个点222中的第一点和多个点222中的第二点之间延伸)与第二直线260(在多个点222中的第三点和多个点222中的第四点之间延伸)之间选择激光106的扫描路径116。
在一实施例中，方法1000包括如下步骤：使得激光106的线124横过表面202沿扫描路径116运动。
在一实施例中，方法1000包括如下步骤：使得激光106的线124与在多个点222中的第三点和多个点222中的第四点之间延伸的第二直线260对准。
参照图15，在一实施例中，生成在表面202上的第五点262(例如，多个点222中的第三点)和表面202上的第六点264(例如，多个点222中的第四点)之间延伸的第二直线260。在该实施例中，沿着在第五点262和第六点264之间延伸的第二直线260定位(包含在第二直线260上)的、多个点222中的任两个点的Z坐标的差值256小于阈值254。因此，激光106的线124将横过表面202沿扫描路径116运动，以使激光106的线124与在第五点262和第六点264之间延伸的第二直线260对准以进一步扫描结构200。
在一实施例中，计算机114例如被构造成通过执行指令或实施软件工具而生成扫描路径116。在一实施例中，计算机114的处理器140例如被构造成通过执行指令或实施软件工具而计算扫描路径116。在一实施例中，处理器140例如被构造成通过执行指令或实施软件工具而计算扫描路径116相对于参考系118的矢量。在一实施例中，至少部分地基于使用多个点222的三维位置208计算得到的表面202上的多个点222的差值256、激光106的图案120的第一线性尺寸174、预定的偏移距离180、预定的投射角182和其它因素来确定扫描路径116。
通常预先确定激光106行进以适当地检测结构200的扫描路径116。在一实施例中，基于结构200的类型生成初步扫描路径。通过基于结构200的三维模型246(例如，CAD描述)、传感器198所生成的实时部件几何形状、激光106的图案120的尺寸和/或密度、激光超声元件的间距、超声物理学所允许的最大速度(例如，声音穿过部件所用的时间)和其它因素调整初步扫描路径而生成最终扫描路径116。
参照图11，在一实施例中，方法1000包括如下步骤(方框1016)：随着激光106的线124横过表面202沿扫描路径116在直线258(在多个点222中的第一点和多个点222中的第二点之间延伸)与第二直线260(在多个点222中的第三点和多个点222中的第四点之间延伸)之间运动，调整发射器108的姿势，以使发射器108的输出110距表面202位于恒定的偏移距离180处并且使得从发射器108的输出110发射的激光106以恒定的投射角182引导到表面202上。
在一实施例中，计算机114例如被构造成通过执行指令或实施软件工具而判明发射器108相对于检测环境100的参考系118的姿势。在一实施例中，处理器140例如被构造成通过执行指令或实施软件工具，而计算发射器参考系136相对于参考系118和/或结构参考系210的位置和/或取向中的差异以及基于发射器参考系136在参考系118中的位置和/或取向来确定发射器108的姿势。在一实施例中，处理器140例如被构造成通过执行指令或实施软件工具，而计算随着发射器108相对于结构200的表面202运动，发射器108的合适姿势以随着激光106的线124沿扫描路径116运动而保持恒定的偏移距离180和恒定的投射角182。在一实施例中，控制器138被构造成控制运动机构112的运动，以随着激光106的线124沿扫描路径116运动而调整发射器108的姿势。
参照图15，在一实施例中，根据方法1000，结构200包括或呈加强件214的形式。加强件214是飞行器1200(图1)的部件。加强件214包括第一轴线216。在多个点222中的第一点和多个点222中的第二点之间延伸的直线258以及在多个点222中的第三点和多个点222中的第四点之间延伸的第二直线260均平行于加强件214的第一轴线216取向。
参照图16，在一实施例中，根据方法1000，激光106的扫描路径116垂直于加强件214的第一轴线216。在一实施例中，扫描路径116从加强件214的一侧延伸至加强件214的相反侧，并且垂直于第一轴线216而与加强件214交叉。在图16中，随着线124沿扫描路径116运动，表面202上各种相继位置处的激光106的线124用虚线表示。扫描路径116被选择成使得激光106的线124横过加强件214来回穿越。在一实施例中，扫描路径116被选择成使得随着激光106的线124沿扫描路径116运动，激光106的线124覆盖表面202的一部分或表面202上的相同区域多于一次。在一实施例中，当激光106的线124到达扫描路径116的外范围(例如，靠近加强件214的侧部)时，激光106的线124沿第一轴线216以指示(index)266运动。指示266被选择成使得随着激光106的线124沿扫描路径116运动，激光106的线124覆盖表面202的一部分或表面202上的相同区域多于一次。
参照图17，在一实施例中，根据方法1000，激光106的扫描路径116相对于加强件214的第一轴线216倾斜。在一实施例中，扫描路径116从加强件214的一侧延伸至加强件214的相反侧，并且倾斜于第一轴线216而与加强件214交叉。在图17中，随着线124沿扫描路径116运动，表面202上各种相继位置处的激光106的线124用虚线表示。扫描路径116被选择成使得激光106的线124横过加强件214来回穿越。在一实施例中，扫描路径116被选择成使得随着激光106的线124沿扫描路径116运动，激光106的线124覆盖表面202的一部分或表面202上的相同区域多于一次。
在一实施例中，方法1000包括如下步骤：基于表面202的三维模型246模拟激光106的扫描路径116，使得随着激光106的线124横过结构200的表面202运动，位于激光106的线124内(包含位于线124上)的、表面202上的多个点222中的任两个点的Z坐标的差值256小于等于阈值254。
在一实施例中，使用能关于结构200的三维模型246模拟机器人路径的软件工具来生成扫描路径116的模拟。
因而，这里公开的激光超声检测系统102和方法1000可以使得能快速无损检测具有各种不同截面形状和/或表面外形形状的结构。
这里公开的系统102和方法1000的实施例可以在各种潜在应用尤其是在例如包括航空航天应用的运输业中发现用途。现在参照图1和图18，可在如图18的流程图所示的飞行器制造和维护方法1100和如图1所示的飞行器1200的背景下使用系统102和方法1000的实施例。所公开实施例的飞行器应用可以包括使用系统102来超声检测飞行器1200的复合结构。
如图18所示，在前期生产过程中，示例性方法1100可包括飞行器1200的规格和设计(方框1102)及材料采购(方框1104)。在飞行器1200的生产过程中，可进行飞行器1200的部件和子组件制造(方框1106)以及系统整合(方框1108)。此后，飞行器1200可经过认证和交付(方框1110)以便进入服役(方框1112)。所公开的系统102和方法1000可以形成部件和子组件制造(方框1106)和/或系统整合(方框1108)的一部分。例行维护可包括飞行器1200的一个或多个系统的改造、重构、翻新等。
可由系统集成商、第三方及/或运营商(例如客户)进行或执行示例性方法的各个过程。为了本描述之目的，系统集成商可包括但不限于任一数量的飞行器制造商与主系统分包商；第三方可包括但不限于任一数量的供应商、转包商以及供货商；并且运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
这里所示或所述的系统102和方法1000的实施例可在图18所示的流程图中显示的制造和服务方法1100的任一个或多个阶段期间采用。例如，能以类似飞行器1200进入服役(方框1112)中生产的部件或子组件的方式装配或制造对应于部件和子组件制造(方框1106)的部件或子组件。而且，可在系统整合(方框1108)以及认证和交付(方框1110)期间利用系统102、方法1000的一个或多个实施例或者它们的组合。类似地，可在例如但不限于飞行器1200进入服役(方框1112)以及维护(方框1114)期间利用系统102、方法1000的一个或多个实施例或者它们的组合。
为了例示的目的提供了飞行器1200(图1)的实施例，并不旨在意味着对不同实施例可实施的方式进行架构限制。例如，飞行器1200被显示为商用客机，但是在其它实施例中飞行器1200可以是其它类型的飞行器，诸如私人客机、货机、旋翼机、无人驾驶飞行器或其它合适类型的飞行器。
虽然关于飞行器描述了所公开系统102和方法1000的示例性实施例，但其它实施例也可以应用于其它类型的平台。所述平台例如可以是移动平台、固定平台、陆基结构、海基结构或空基结构。更具体的，所述平台可以是水面舰艇、坦克、人员运输车、火车、航天器、空间站、卫星、潜水艇、汽车、制造设施、建筑物或其它合适的平台。
此外，所公开系统102和方法1000的示实施例可以应用于其它类型的复合结构。例如，可以使用激光超声检测系统来检查除了平台之外的复合结构。除了平台之外的复合结构可以包括医疗设备、假肢或任何其它期望的产品。
这里提及“实施例”意思是结合该实施例描述的一个或多个特征、结构、元件、部件、特性和/或操作步骤包含在根据本公开主题的至少一个实施方式和/或实施中。由此，在整个本公开中用语“一实施例”、“另一实施例”以及类似用语可以但不是必须指代相同的实施例。此外，描述任一个实施例特征的主题可以但不是必须包括描述任何其它实施例特征的主题。
如这里所用的，“被构造成”执行特定功能的系统、设备、结构、物品、元件、部件或硬件实际上能够在没有任何变动的情况下执行所述特定功能，而不仅仅是在进一步修改之后具有执行所述特定功能的潜力。换言之，为了执行特定功能的目的而具体选择、生成、实现、利用、编程和/或设计“被构造成”执行所述特定功能的系统、设备、结构、物品、元件、部件或硬件。如这里所用的，“被构造成”是指系统、设备、结构、物品、元件、部件或硬件的现存特性，其使得系统、设备、结构、物品、元件、部件或硬件在没有进一步修改的情况下执行所述特定功能。为了本公开的目的，被描述为“被构造成”执行特定功能的系统、设备、结构、物品、元件、部件或硬件可以额外或替代地被描述为“适于”和/或“操作”以执行所述功能。
除非另外表示，术语“第一”、“第二”等这里仅用作标号，并不旨在对这些术语所涉及的事项施加顺序、位置或等级要求。此外，提及“第二”事项并不需要或排除更低数量事项(例如“第一事项”)以及/或者更高数量事项(例如“第三事项”)的存在。
如这里所用的，“被联接”、“联接”以及类似术语是指两个或更多个元件彼此接合、链接、紧固、连接、连通或以其它方式相关联(例如，机械、电、流体、光学、电磁)。在各种实施例中，这些元件可以直接或间接相关联。作为例子，元件A可以与元件B直接关联。作为另一例子，元件A可以例如借助另一元件C与元件B间接关联。应理解，不必表示各种所公开元件当中的所有关联。因而，也可以存在除了附图中所示之外的联接。
如这里所用的，术语“约”代表接近但并非精确地是所述条件、量或值且仍执行期望功能或实现期望结果的条件、量或值。例如，术语“约”可以指在所述量或值的少10％内、少5％内、少1％内、少0.1％内以及少0.01％内的量或值。
如这里所用的，术语“基本”可以包括精确的以及可以被视为是精确的程度的类似的。仅为了例示的目的，而且并非作为限制性实施例，术语“基本”可以量化为精确或实际的+/-5％变动。例如，用语“A与B基本相同”可以包含如下条件，其中：A与B精确地相同、或者A在B的+/-5％变动内、反之亦然。
在上面提及的图2和图7中，连接各种元件和/或部件的实线(如果有的话)可以代表机械、电、流体、光学、电磁和其它联接和/或它们的组合。应理解，不必表示各种所公开元件当中的所有关系。因而，也可以存在除了框图中所示之外的联接。连接表示各种元件和/或部件的方框的点划线(如果有的话)代表在功能和目的上与由实线所代表的相似的联接；但是，由点划线代表的联接或者可以被选择性地提供，或者可以涉及本公开的替代实施例。同样，由虚线代表的元件和/或部件(如果有的话)表示本公开的替代实施例。可以在不脱离本公开范围的情况下，从具体实施例中省略实线和/或点划线所示的一个或多个元件。环境元件(如果有的话)用虚线表示。为了清楚起见，也可以显示虚拟(假想)元件。本领域技术人员应理解，图2和图7中所示的一些特征可以按各种方式进行组合，而不必包括图2和图7、其它附图和/或所附公开中所述的其它特征，即使该组合或这些组合在这里没有明确例示。类似的是，不限于所呈现实施例的附加特征可以与这里所示且所述的一些或所有特征组合。
在上面提及的图11和图18中，方框可以代表操作和/或其部分，并且连接各种方框的线并不暗示操作或其部分的任何具体顺序或从属性。由点划线表示的方框代表替代操作和/或其部分。连接各种方框的点划线(如果有的话)代表操作或其部分的替代从属性。应理解，不必表示各种所公开操作当中的所有从属性。图11和图18以及描述这里阐述的所公开方法的操作的所附公开不应被解释为必须确定操作待执行顺序。相反，尽管示出了一个示例性顺序，但应理解可以在适当的时候修改操作的顺序。因而，可以对所例示操作进行修改、添加和/或省略，并且某些操作可以按不同顺序执行或基本同时执行。另外，本领域技术人员将理解不必执行所述的所有操作。
另外，本公开包括在下面列举段落中描述的实施例：
A1.一种使用激光超声来检测结构200的方法1000，所述方法1000包括：识别所述结构200的表面202相对于参考系118的三维位置208；从发射器108的输出110将激光106发射到所述结构200的表面202上，以在所述结构200中形成超声波204并探测对所述超声波204的响应206；基于所述表面202的所述三维位置208，使所述激光106在所述结构200之上沿着扫描路径116运动，以使所述发射器108的输出110距所述表面202位于恒定的偏移距离180处并且将从所述发射器108的输出110发射的所述激光106以恒定的投射角182引导至所述表面202上；以及基于对所述超声波204的所述响应206，确定在所述结构200中是否存在不一致性212。
A2.根据A1所述的方法1000，其中：所述表面202上的多个点222中的每一个相对于所述参考系118具有相应的三维位置208；所述三维位置208包括所述参考系118中的XYZ坐标；并且所述表面202上的所述多个点222中一者的Z坐标与所述表面202上的所述多个点222中另一者的Z坐标不同。
A3.根据A2所述的方法1000，所述方法进一步包括：将从所述发射器108的输出110发射的所述激光106在所述结构200的表面202上形成为图案120；以及将所述表面202上的所述图案120定位成使得位于所述激光106的所述图案120内且包含位于所述图案120上的、所述表面202上的所述多个点222中的任两个点的Z坐标的差值256小于等于阈值254。
A4.根据A3所述的方法1000，其中：所述阈值254小于等于1/8英寸。
A5.根据A3或A4所述的方法1000，其中：所述激光106的所述图案120呈所述激光106的线124的形式。
A6.根据A5所述的方法1000，所述方法进一步包括：识别所述表面202上的所述多个点222中的第一点和所述表面202上的所述多个点222中的第二点，其中沿着在所述多个点222中的所述第一点和所述多个点222中的所述第二点之间延伸的直线258定位且包含在所述直线258上的、所述表面202上的所述多个点222中的任两个点在所述参考系118中的Z坐标的差值256小于等于所述阈值254；以及使得所述激光106的所述线124与在所述多个点222中的所述第一点和所述多个点222中的所述第二点之间延伸的所述直线258对准。
A7.根据A6所述的方法1000，所述方法进一步包括：识别所述表面202上的所述多个点222中的第三点和所述表面202上的所述多个点222中的第四点，其中沿着在所述多个点222中的所述第三点和所述多个点222中的所述第四点之间延伸的第二直线260定位且包含在所述第二直线260上的、所述表面202上的所述多个点222中的任两个点在所述参考系118中的Z坐标的差值256小于等于所述阈值254；在在所述多个点222中的所述第一点和所述多个点222中的所述第二点之间延伸的所述直线258与在所述多个点222中的所述第三点和所述多个点222中的所述第四点之间延伸的所述第二直线260之间选择所述激光106的扫描路径116；使得所述激光106的所述线124横过所述表面202沿所述扫描路径116运动；以及使得所述激光106的所述线124与在所述多个点222中的所述第三点和所述多个点222中的所述第四点之间延伸的所述第二直线260对准。
A8.根据A7所述的方法1000，所述方法进一步包括：随着所述激光106的所述线124横过所述表面202沿所述扫描路径116在在所述多个点222中的所述第一点和所述多个点222中的所述第二点之间延伸的所述直线258与在所述多个点222中的所述第三点和所述多个点222中的所述第四点之间延伸的所述第二直线260之间运动，调整所述发射器108的姿势，以使所述发射器108的所述输出110距所述表面202位于所述恒定的偏移距离180处并且使得从所述发射器108的所述输出110发射的所述激光106以所述恒定的投射角182引导到所述表面202上。
A9.根据A7所述的方法1000，其中：所述结构200包括飞行器1200的加强件214；所述加强件214包括第一轴线216；并且在所述多个点222中的所述第一点和所述多个点222中的所述第二点之间延伸的所述直线258以及在所述多个点222中的所述第三点和所述多个点222中的所述第四点之间延伸的所述第二直线260均平行于所述加强件214的所述第一轴线216取向。
A10.根据A9所述的方法1000，其中：所述激光106的所述扫描路径116垂直于所述加强件214的所述第一轴线216。
A11.根据A9所述的方法1000，其中：所述激光106的所述扫描路径116相对于所述加强件214的所述第一轴线216倾斜。
A12.根据A5所述的方法1000，所述方法进一步包括：提供所述结构200的所述表面202的三维点云数据248；基于所述表面202的所述三维点云数据248，识别所述表面202上的所述多个点222相对于结构参考系210的三维位置208；以及使所述结构参考系210与所述参考系118对准。
A13.根据A12所述的方法1000，所述方法进一步包括：提供所述结构200的三维模型246；以及从所述结构200的所述三维模型246提取所述表面202的所述三维点云数据248。
A14.根据A13所述的方法1000，所述方法进一步包括：捕获所述结构200的图像250；以及基于所述结构200的所述图像250生成所述结构200的所述三维模型246。
A15.根据A13或A14所述的方法1000，所述方法进一步包括：基于所述表面202的所述三维模型246，模拟所述激光106的所述扫描路径116，使得随着所述激光106的所述线124横过所述结构200的所述表面202运动，位于所述激光106的所述线124内且包含位于所述线124上的、所述表面202上的所述多个点222中的任两个点的Z坐标的差值256小于等于所述阈值254。
B1.一种激光超声检测系统102，所述激光超声检测系统102包括：被构造成发出激光106的激光源104；发射器108，所述发射器108与所述激光源104光学耦合并被构造成从所述发射器108的输出110将所述激光106发射到结构200的表面202上，其中所述激光106被构造成在所述结构200中形成超声波204并且探测对所述超声波204的响应206；运动机构112，所述运动机构112联接至所述发射器108并被构造成使所述发射器108相对于所述结构200运动；计算机114，所述计算机114被构造成：识别所述表面202相对于参考系118的三维位置208；基于所述表面202的所述三维位置208控制所述运动机构112以使所述激光106沿着扫描路径116在所述结构200上运动，在所述扫描路径116中，所述发射器108的所述输出110距所述表面202位于恒定的距离180处并且从所述发射器108的所述输出110发射出的所述激光106以恒定的投射角182被引导在所述表面202上；和基于对所述超声波204的所述响应206来确定在所述结构200中是否存在不一致性212。
B2.根据B1所述的激光超声检测系统102，其中：所述发射器108被构造成将所述激光106以图案120的形式发射在所述结构200的所述表面202上；以及所述激光106的所述图案120在所述表面202上被定位成使得位于所述激光106的所述图案120内且包含位于所述图案120上的、所述表面202上的多个点222中的任两个点的Z坐标的差值256小于等于阈值254。
B3.根据B2所述的激光超声检测系统102，其中：所述计算机114被进一步构造成：从所述结构200的三维模型246提取所述表面202的三维点云数据248；以及基于所述表面202的所述三维点云数据248，识别所述表面202上的所述多个点222相对于所述参考系118的三维位置208。
B4.根据B3所述的激光超声检测系统102，所述激光超声检测系统102进一步包括传感器198，所述传感器198被构造成捕获所述结构200的图像250，其中所述计算机114被进一步构造成基于所述结构200的所述图像250生成所述结构200的所述三维模型246。
B5.根据B3或B4所述的激光超声检测系统102，其中：所述计算机114被进一步构造成基于所述表面202的所述三维点云数据248选择所述激光106的所述扫描路径116，使得随着所述激光106的所述图案120横过所述结构200的所述表面202运动，位于所述激光106的所述图案120内且包含位于所述图案120上的、所述表面202上的所述多个点222中的任两个点的Z坐标的差值256小于等于所述阈值254。
尽管已显示并描述了所公开系统和方法的各种实施例，但在阅读了本说明书时本领域技术人员会明了修改。本申请包括这样的修改并且仅受权利要求书的范围的限制。

Claims (10)

1.一种使用激光超声来检测结构（200）的方法（1000），所述方法（1000）包括：
识别所述结构（200）的表面（202）相对于参考系（118）的三维位置（208）；
从发射器（108）的输出（110）将激光（106）发射到所述结构（200）的所述表面（202）上，以在所述结构（200）中形成超声波（204）并探测对所述超声波（204）的响应（206）；
基于所述表面（202）的所述三维位置（208），使所述激光（106）在所述结构（200）之上沿着扫描路径（116）运动，以使所述发射器（108）的所述输出（110）距所述表面（202）位于恒定的偏移距离（180）处并且将从所述发射器（108）的所述输出（110）发射的所述激光（106）以恒定的投射角（182）引导至所述表面（202）上；以及
基于对所述超声波（204）的所述响应（206），确定在所述结构（200）中是否存在不一致性（212），
其中：
所述表面（202）上的多个点（222）中的每一个相对于所述参考系（118）均具有相应的三维位置（208）；
所述三维位置（208）包括所述参考系（118）中的XYZ坐标；并且
所述表面（202）上的所述多个点（222）中一者的Z坐标与所述表面（202）上的所述多个点（222）中另一者的Z坐标不同，
所述方法进一步包括：
将从所述发射器（108）的所述输出（110）发射的所述激光（106）在所述结构（200）的所述表面（202）上形成为图案（120）；以及
将所述表面（202）上的所述图案（120）定位成使得位于所述激光（106）的所述图案（120）内且包含位于所述图案（120）上的、所述表面（202）上的所述多个点（222）中的任两个点的Z坐标的差值（256）小于等于阈值（254），
其中：所述激光（106）的所述图案（120）呈所述激光（106）的线（124）的形式，
所述方法进一步包括：
识别所述表面（202）上的所述多个点（222）中的第一点和所述表面（202）上的所述多个点（222）中的第二点，其中沿着在所述多个点（222）中的所述第一点和所述多个点（222）中的所述第二点之间延伸的直线（258）定位且包含在所述直线（258）上的、所述表面（202）上的所述多个点（222）中的任两个点在所述参考系（118）中的Z坐标的差值（256）小于等于所述阈值（254）；
使得所述激光（106）的所述线（124）与在所述多个点（222）中的所述第一点和所述多个点（222）中的所述第二点之间延伸的所述直线（258）对准；
识别所述表面（202）上的所述多个点（222）中的第三点和所述表面（202）上的所述多个点（222）中的第四点，其中沿着在所述多个点（222）中的所述第三点和所述多个点（222）中的所述第四点之间延伸的第二直线（260）定位且包含在所述第二直线（260）上的、所述表面（202）上的所述多个点（222）中的任两个点在所述参考系（118）中的Z坐标的差值（256）小于等于所述阈值（254）；
在所述直线（258）与所述第二直线（260）之间选择所述激光（106）的扫描路径（116）；
使所述激光（106）的所述线（124）横过所述表面（202）沿所述扫描路径（116）运动；以及
使所述激光（106）的所述线（124）与在所述多个点（222）中的所述第三点和所述多个点（222）中的所述第四点之间延伸的所述第二直线（260）对准。
2.根据权利要求1所述的使用激光超声来检测结构（200）的方法（1000），其中：所述阈值（254）小于等于1/8英寸。
3.根据权利要求1所述的使用激光超声来检测结构（200）的方法（1000），其中：
所述结构（200）包括飞行器（1200）的加强件（214）；
所述加强件（214）包括第一轴线（216）；并且
在所述多个点（222）中的所述第一点和所述多个点（222）中的所述第二点之间延伸的所述直线（258）以及在所述多个点（222）中的所述第三点和所述多个点（222）中的所述第四点之间延伸的所述第二直线（260）均平行于所述加强件（214）的所述第一轴线（216）取向。
4.根据权利要求3所述的使用激光超声来检测结构（200）的方法（1000），其中：所述激光（106）的所述扫描路径（116）垂直于所述加强件（214）的所述第一轴线（216）。
5.根据权利要求3所述的使用激光超声来检测结构（200）的方法（1000），其中：所述激光（106）的所述扫描路径（116）相对于所述加强件（214）的所述第一轴线（216）倾斜。
6.一种激光超声检测系统（102），所述激光超声检测系统（102）包括：
被构造成发出激光（106）的激光源（104）；
发射器（108），所述发射器（108）与所述激光源（104）光学耦合，并被构造成从所述发射器（108）的输出（110）将所述激光（106）发射到结构（200）的表面（202）上，其中所述激光（106）被构造成在所述结构（200）中形成超声波（204）并且探测对所述超声波（204）的响应（206）；
运动机构（112），所述运动机构（112）联接至所述发射器（108），并被构造成使所述发射器（108）相对于所述结构（200）运动；
计算机（114），所述计算机（114）被构造成：
识别所述表面（202）相对于参考系（118）的三维位置（208）；
基于所述表面（202）的所述三维位置（208）控制所述运动机构（112）以使所述激光（106）沿着扫描路径（116）在所述结构（200）上运动，其中所述发射器（108）的所述输出（110）距所述表面（202）位于恒定的距离（180）处并且从所述发射器（108）的所述输出（110）发射出的所述激光（106）以恒定的投射角（182）被引导在所述表面（202）上；和
基于对所述超声波（204）的所述响应（206）来确定在所述结构（200）中是否存在不一致性（212），
其中：
所述表面（202）上的多个点（222）中的每一个相对于所述参考系（118）均具有相应的三维位置（208）；
所述三维位置（208）包括所述参考系（118）中的XYZ坐标；并且
所述表面（202）上的所述多个点（222）中一者的Z坐标与所述表面（202）上的所述多个点（222）中另一者的Z坐标不同，
所述计算机（114）被进一步构造成：
将从所述发射器（108）的所述输出（110）发射的所述激光（106）在所述结构（200）的所述表面（202）上形成为图案（120）；以及
将所述表面（202）上的所述图案（120）定位成使得位于所述激光（106）的所述图案（120）内且包含位于所述图案（120）上的、所述表面（202）上的所述多个点（222）中的任两个点的Z坐标的差值（256）小于等于阈值（254），
其中：所述激光（106）的所述图案（120）呈所述激光（106）的线（124）的形式，
所述计算机（114）被进一步构造成：
识别所述表面（202）上的所述多个点（222）中的第一点和所述表面（202）上的所述多个点（222）中的第二点，其中沿着在所述多个点（222）中的所述第一点和所述多个点（222）中的所述第二点之间延伸的直线（258）定位且包含在所述直线（258）上的、所述表面（202）上的所述多个点（222）中的任两个点在所述参考系（118）中的Z坐标的差值（256）小于等于所述阈值（254）；
使得所述激光（106）的所述线（124）与在所述多个点（222）中的所述第一点和所述多个点（222）中的所述第二点之间延伸的所述直线（258）对准；
识别所述表面（202）上的所述多个点（222）中的第三点和所述表面（202）上的所述多个点（222）中的第四点，其中沿着在所述多个点（222）中的所述第三点和所述多个点（222）中的所述第四点之间延伸的第二直线（260）定位且包含在所述第二直线（260）上的、所述表面（202）上的所述多个点（222）中的任两个点在所述参考系（118）中的Z坐标的差值（256）小于等于所述阈值（254）；
在所述直线（258）与所述第二直线（260）之间选择所述激光（106）的扫描路径（116）；
使所述激光（106）的所述线（124）横过所述表面（202）沿所述扫描路径（116）运动；以及
使所述激光（106）的所述线（124）与在所述多个点（222）中的所述第三点和所述多个点（222）中的所述第四点之间延伸的所述第二直线（260）对准。
7.根据权利要求6所述的激光超声检测系统（102），其中：
所述发射器（108）被构造成将所述激光（106）以图案（120）的形式发射在所述结构（200）的所述表面（202）上；以及
所述激光（106）的所述图案（120）在所述表面（202）上被定位成使得位于所述激光（106）的所述图案（120）内且包含位于所述图案（120）上的、所述表面（202）上的多个点（222）中的任两个点的Z坐标的差值（256）小于等于阈值（254）。
8.根据权利要求7所述的激光超声检测系统（102），其中：所述计算机（114）被进一步构造成：
从所述结构（200）的三维模型（246）提取所述表面（202）的三维点云数据（248）；以及
基于所述表面（202）的所述三维点云数据（248），识别所述表面（202）上的所述多个点（222）相对于所述参考系（118）的三维位置（208）。
9.根据权利要求8所述的激光超声检测系统（102），所述激光超声检测系统（102）进一步包括传感器（198），所述传感器（198）被构造成捕获所述结构（200）的图像（250），其中所述计算机（114）被进一步构造成基于所述结构（200）的所述图像（250）生成所述结构（200）的所述三维模型（246）。
10.根据权利要求8或9所述的激光超声检测系统（102），其中：所述计算机（114）被进一步构造成基于所述表面（202）的所述三维点云数据（248）选择所述激光（106）的所述扫描路径（116），使得随着所述激光（106）的所述图案（120）横过所述结构（200）的所述表面（202）运动，位于所述激光（106）的所述图案（120）内且包含位于所述图案（120）上的、所述表面（202）上的所述多个点（222）中的任两个点的Z坐标的差值（256）小于等于所述阈值（254）。
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