分離譜技術(shù)在超聲衍射時(shí)差法信號(hào)處理中的應(yīng)用

1、第29卷第1期聲學(xué)技術(shù)Vo l.29,No.1 2010年2月 Technical Acoustics Feb., 2010分離譜技術(shù)在超聲衍射時(shí)差法信號(hào)處理中的應(yīng)用楊書(shū)榮1,吳偉1,鄔冠華2,王伏喜3(1. 南昌航空大學(xué)航空檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063;2. 南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063;3. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所,河南洛陽(yáng) 471039摘要:超聲衍射時(shí)差(TOFD方法因具有普通超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于中厚板的焊縫檢測(cè)與缺陷定量中。TOFD技術(shù)檢測(cè)的是相對(duì)微弱、指向性差的衍射波信號(hào),被檢測(cè)材料所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲也會(huì)

2、降低檢測(cè)信號(hào)的信噪比,影響了TOFD檢測(cè)的精度。將分離譜技術(shù)用于超聲TOFD檢測(cè)信號(hào)的處理,采用線性平均、極值閾值、極值閾值+最小值、最小值等四種恢復(fù)算法進(jìn)行比較,并在最小值算法的基礎(chǔ)上引入最小值選中次數(shù)加權(quán)算法恢復(fù)信號(hào)。結(jié)果表明:與傳統(tǒng)的濾波方法相比,該方法能有效地提高了回波信號(hào)的信噪比,減小了TOFD檢測(cè)中的缺陷定量誤差。關(guān)鍵詞:TOFD檢測(cè);信號(hào)處理;結(jié)構(gòu)噪聲;分離譜;定量精度中圖分類號(hào):TB556 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-3630(2010-01-0044-04DOI編碼:10.3969/j.issn1000-3630.2010.01.010Application on s

3、plit-spectrum technique in ultrasonicTOFD signal processingYANG Shu-rong1, WU Wei1, WU Guan-hua2, W ANG Fu-xi3(1. Aeronautic Science Key Laboratory for Aeronautic Testing and Evaluation, Nanchang 330063; 2. Key Laboratory of Non-destuctive Testing, Nanchang 330063;3. Luoyang Ship Materrial Research

4、Institute, Luoyang 471039, Henan, ChinaAbstract: With the advantage of precise quantification, ultrasonic time-of-flight-diffraction (TOFD technique has been widely using in weld detection and defect quantification of middle thick plate. The signals detected by using TOFD technique are relatively we

5、ak diffraction wave signals with poor directivity, and the structure noise generated by the detected material will also reduce the signal-to-noise ratio and therefore affect the detection sensitivity of TDFD technique. The split-spectrum technique is used for processing the ultrasonic TOFD detecting

6、 signal in this paper. Four restoration algorithms, i.e. the linear average, the maximal threshold, the maximal threshold+minimal value and the minimal value, are adopted for comparison. In the end the weighted algorithm of minimal number selected based on the minimal value algorithm is used to rest

7、ore the signal. Compared with the traditional filtering method, the results show that this method can effectively increase the signal-to-noise ratio of echo signal and reduce the defect quantitative error of TOFD detection.Key words: TOFD testing; Signal processing; Structure noise; Split-spectrum;

8、Quantitative precision1 引言TOFD超聲波衍射時(shí)間差(time-of-flight-diffrac- tion, TOFD測(cè)量技術(shù)1是一種可以精確定量的檢測(cè)技術(shù),該方法通過(guò)測(cè)量缺陷邊緣的衍射超聲波信號(hào)之間傳播的時(shí)間差,對(duì)缺陷的位置和大小進(jìn)行測(cè)量。該技術(shù)融合了超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)θ毕轀?zhǔn)確地定性和定量。在發(fā)達(dá)國(guó)家,TOFD 檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于中厚板對(duì)接焊縫收稿日期:2009-02-15;修回日期: 2009-04-22基金項(xiàng)目: 航空基金(200700186、江西省教育廳科技項(xiàng)目(EP200608010、南昌航空大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(YC2007020

9、 作者簡(jiǎn)介: 楊書(shū)榮(1977-, 男, 安徽人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)闊o(wú)損檢測(cè)技術(shù)及儀器。通訊作者:楊書(shū)榮, E-mail: ysr_1977 的檢測(cè)與缺陷定量中,國(guó)內(nèi)也在積極推進(jìn)TOFD方法代替射線檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。TOFD法依賴于超聲波與缺陷端部的相互作用而在較大角度范圍內(nèi)發(fā)射的衍射波,檢出衍射波就能確定缺陷的存在,而信號(hào)傳播的時(shí)間差就是缺陷高度量值。缺陷尺寸根據(jù)衍射信號(hào)傳播的時(shí)間而非幅度來(lái)測(cè)量。因此,對(duì)端部衍射信號(hào)的時(shí)間差測(cè)量就成為TOFD缺陷定量的關(guān)鍵。但是超聲信號(hào)容易受到材料的結(jié)構(gòu)噪聲以及儀器電噪聲等噪聲影響,且由于TOFD技術(shù)檢測(cè)的是相對(duì)微弱且指向性差的衍射波信號(hào),導(dǎo)致端點(diǎn)衍射回波

10、容易被雜波所淹沒(méi)或者波幅太低難以識(shí)別,使信號(hào)的時(shí)間差測(cè)量誤差增大,從而使缺陷定量時(shí)的誤差相應(yīng)增大。因此,采用有效的信號(hào)處理方法來(lái)抑制噪聲信號(hào)2,提高衍射回波信號(hào)的信噪比對(duì)缺陷定量以及TOFD成像就顯得尤為重要。第1期楊書(shū)榮等:分離譜技術(shù)在超聲衍射時(shí)差法信號(hào)處理中的應(yīng)用45目前,處理超聲回波信號(hào)的方法有互相關(guān)法和小波變換法。當(dāng)信號(hào)噪聲為高斯白噪聲,接收信號(hào)與參考信號(hào)一致時(shí),互相關(guān)法比較適合3,4。小波變換在處理超聲信號(hào)時(shí)用得比較廣泛,但是,在低頻信號(hào)時(shí),它的時(shí)間測(cè)量精度低;在高頻信號(hào)時(shí),它的頻率測(cè)量精度低。本文在分離譜技術(shù)的基礎(chǔ)上采用最小值被選中次數(shù)加權(quán)算法去除TOFD檢測(cè)信號(hào)中的結(jié)構(gòu)噪聲,與傳

11、統(tǒng)的帶通濾波法相比,可以有效提高TOFD的定量精度。2 分離譜技術(shù)的算法原理超聲檢測(cè)信號(hào)中電噪聲的幅度和相位均是隨機(jī)的,而且各次測(cè)量所得的結(jié)果互不相關(guān),采用基于時(shí)間平均的同步疊加法可以使干擾信號(hào)在很大程度上正負(fù)抵消。結(jié)構(gòu)噪聲是材料中的晶界及組織不均勻?qū)Τ暡ǖ纳⑸渥饔枚鸬纳⑸浠夭?它是與特定頻率有關(guān)的相干噪聲,當(dāng)頻率不同時(shí),其幅度、相位等均有顯著的變化。分離譜法5,6就是利用結(jié)構(gòu)噪聲和目標(biāo)回波對(duì)頻率變化敏感性上的差異而建立起來(lái)的解相關(guān)方法。當(dāng)超聲波頻率變化時(shí),材料結(jié)構(gòu)引起的結(jié)構(gòu)噪聲回波幅度將發(fā)生較大的變化,而缺陷回波的幅度變化將相對(duì)較少。因此,若對(duì)TOFD探頭發(fā)射的寬聲束超聲波信號(hào)進(jìn)行譜分

12、離,那么在不同頻譜段的結(jié)構(gòu)噪聲回波信號(hào)幅度會(huì)有明顯的不同,而缺陷回波的變化幅度則相對(duì)穩(wěn)定,這樣就可以利用分離譜技術(shù)來(lái)提高TOFD衍射信號(hào)的信噪比。分離譜算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。 圖1 分離譜算法流程圖Fig.1 Flow chart of split-spectrum algorithm首先將接收到的數(shù)字化超聲信號(hào)作快速傅立葉變換,得到信號(hào)的全頻譜,并在一定的信號(hào)頻帶內(nèi)設(shè)置若干不同中心頻率、等帶寬的窄帶濾波器,超聲信號(hào)通過(guò)這些窄帶濾波器后將得到一系列中心頻率不同的窄帶信號(hào),這個(gè)過(guò)程稱為信號(hào)分離;再以分離后的不同中心頻率的窄帶信號(hào)為變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算,從而得到經(jīng)過(guò)非線性濾波處理的輸出信號(hào),也

13、即信號(hào)的重建。在信號(hào)分離階段,高斯形帶通濾波器比較適合處理服從正態(tài)分布的信號(hào),并且其時(shí)頻特性均比較理想;信號(hào)恢復(fù)階段是整個(gè)分離譜技術(shù)的關(guān)鍵所在,它是指對(duì)所有的分離信號(hào)引人非線性相關(guān)運(yùn)算,以達(dá)到降低噪聲、提高信噪比的目的。目前常用的恢復(fù)算法有最小值算法、極性閾值法、線性平均法和最小值加極性閾值算法幾種6。文獻(xiàn)7證實(shí),以上算法中最小值算法對(duì)于提高信號(hào)的信噪比具有明顯的作用,但它的缺點(diǎn)是對(duì)濾波器數(shù)目比較敏感,導(dǎo)致此算法不夠穩(wěn)定。本文采用等帶寬高斯型窄帶通濾波器構(gòu)成的濾波器組對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行分離,信號(hào)恢復(fù)是在最小值算法的基礎(chǔ)上,采用分離信號(hào)被選中次數(shù)的加權(quán)恢復(fù)算法8進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)。該方法本質(zhì)上類似于維納濾

14、波器的傳遞函數(shù),無(wú)需信號(hào)和噪聲頻譜的先驗(yàn)知識(shí),對(duì)濾波器的數(shù)目也不敏感,從而能自適應(yīng)地處理寬帶的目標(biāo)反射脈沖波,達(dá)到濾波精度的要求。最小值被選中次數(shù)加權(quán)恢復(fù)算法的原理8為:首先將檢測(cè)到的信號(hào)做傅立葉變換得到信號(hào)的幅度譜,并在一定的幅度能量頻帶內(nèi)設(shè)置若干不同中心頻率的窄帶濾波器,假定這些濾波器的數(shù)目為N 個(gè),待處理的數(shù)字信號(hào)含有M個(gè)采樣點(diǎn),采樣周期為sT,則數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為(1sM T,可以從N個(gè)帶通濾波器輸出端得到N個(gè)備選的窄帶信號(hào)(,1,ix t i= 2,N,每個(gè)窄帶信號(hào)都有各自特定的中心頻率。最小值法的原理就是在M個(gè)采樣點(diǎn)分別對(duì)N個(gè)窄帶信號(hào)(ix t求最小值,并以此最小值作為各瞬時(shí)點(diǎn)的信號(hào)輸出

15、,此時(shí)輸出為(,(min(,j j iy t x t x t x t=1,2,i N="(符號(hào)與原符號(hào)相同,也就是說(shuō),需要在M個(gè)采樣點(diǎn)處進(jìn)行M次選最小值的運(yùn)算。如果單個(gè)窄帶信號(hào)被選中的次數(shù)為im,則總選中次數(shù)為: 12.i NM m m m m=+,由此可定義各窄帶信號(hào)ix的權(quán)值i iw m M=。在統(tǒng)計(jì)意義上,高信噪比頻帶信號(hào)被選中的次數(shù)是最多的,因而,在較大的im處,該頻帶信號(hào)(ix t所對(duì)應(yīng)的中心頻率處將有一個(gè)較高的峰值。如果我們根據(jù)信噪比對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán),對(duì)具有較高信噪比的分離信號(hào)賦予較高的權(quán)值iw,也即重建后的信號(hào)1(Ni iiy t w x t=,那么按此方法恢復(fù)出來(lái)的信號(hào)

16、必然能夠達(dá)到較高的信噪比。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析按照TOFD檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)所用試塊為150mm ×200mm×30mm(長(zhǎng)×寬×高的鋼樣塊,試塊的側(cè)46 聲 學(xué) 技 術(shù) 2010年 圖2 試塊尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of specimen size面從上到下分別打上直徑為3、3、2毫米的橫穿孔,見(jiàn)圖2。采用美國(guó)聲學(xué)物理公司的IPR1210發(fā)射接收卡,射頻輸出口接到工控機(jī)上的PCI8002數(shù)據(jù)采集卡。采集卡的采樣頻率為40MHz 。探頭選用標(biāo)稱角度為60°,中心頻率選擇為5MHz ,晶片直徑為6mm 的TOFD 探頭

17、。探頭分置于試塊模擬缺陷的兩邊,使模擬缺陷剛好位于兩探頭的中間,探頭間距為S =1.73d ,其中d =22mm 為最大埋深,即缺陷軸線高度離板材表面距離。實(shí)驗(yàn)采集到的原始信號(hào)及分離譜算法處理后的結(jié)果如圖3。圖3 分離譜算法處理結(jié)果Fig.3 Processing results of the split-spectrum algorithms從圖3(a的原始信號(hào)波形可以看到,受噪聲的影響,原始信號(hào)的信噪比是比較低的,各目標(biāo)回波的波形也無(wú)法分清,影響了TOFD 法的定位和定量。下面采用分離譜算法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理。根據(jù)分離譜算法的原理,實(shí)驗(yàn)采用N =15個(gè)等帶寬的高斯窄帶通濾波器組成的濾波器組

18、對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行分離(起始濾波器中心頻率為0.9MHz ;相鄰濾波器中心頻率間隔為0.4MHz ;濾波器帶寬為0.8MHz,濾波器帶寬為相鄰濾波器中心頻率間隔的2倍,窄帶濾波器所覆蓋的處理頻閾寬度為信號(hào)頻譜的3dB 帶寬,由此得到中心頻率各不相同的15組窄帶信號(hào)。在信號(hào)恢復(fù)階段采用線性平均、極性閾值、極性閾值+最小值、最小值等四種恢復(fù)算法進(jìn)行信號(hào)的重建,所得結(jié)果分別如圖3(b3(e所示,線性平均算法的處理效果最差,而極性閾值算法和最小值+極性閾值算法雖然濾波效果很明顯,但信號(hào)的失真現(xiàn)象比較嚴(yán)重,最小值算法既滿足了信號(hào)增強(qiáng)的要求,又能減少信號(hào)的失真。但最小值算法的最大缺點(diǎn)是對(duì)濾波器的數(shù)目比較

19、敏感,不同的濾波器數(shù)目將產(chǎn)生差別較大的處理結(jié)果,這個(gè)缺點(diǎn)使得最小值恢復(fù)算法的應(yīng)用受到很大的限制。而本文采用的最小值選中次數(shù)加權(quán)恢復(fù)算法(結(jié)果如圖3(f所示與最小值算法對(duì)信號(hào)的處理效果相差不大,甚至本文的算法對(duì)信號(hào)的增強(qiáng)效果更為明顯。而且最小值選中次數(shù)加權(quán)算法無(wú)需信號(hào)和噪聲頻譜的先驗(yàn)知識(shí),對(duì)濾波器的數(shù)目也不敏感,具有一定的自適應(yīng)能力,從而很好地彌補(bǔ)了最小值算法的缺陷。另外,與傳統(tǒng)的帶通濾波法相比,基于分離譜技術(shù)的最小值選中次數(shù)加權(quán)算法能夠有效地減少結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)衍射回波的干擾,使缺陷端部衍射回波能夠被準(zhǔn)確識(shí)別,減少了時(shí)間測(cè)量的不確定性對(duì)定位和定量精度的影響,從而保證了TOFD 法中缺陷定位和定量的準(zhǔn)

20、確性。假定反射波的中心頻率沒(méi)有發(fā)生漂移,與發(fā)射波的中心頻率相同,則可以用一個(gè)中心頻率為5MHz 的帶通濾波器對(duì)反射波進(jìn)行濾波,其通頻帶寬通常取2MHz 。濾波后的波形與最小值選中次數(shù)加權(quán)算法處理后波形比較如圖4。圖4 最小值加權(quán)算法與傳統(tǒng)的帶通濾波法處理后的信號(hào)波形 Fig4 Signal waveforms after processing by weighed minimumalgorithm and traditional band-pass filtering method從圖4(a中可以看出,由于材料對(duì)超聲高頻部分的衰減使反射波的中心頻率比發(fā)射波的中心頻率更小,而且原始信號(hào)能量最大的

21、頻帶并不是信噪比最高的頻帶,導(dǎo)致濾波效果較差,無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別出目標(biāo)回波,影響了缺陷定量的精度。而經(jīng)過(guò)最小值選中次數(shù)加權(quán)算法處理后的信號(hào)(見(jiàn)圖4(b,各第1期楊書(shū)榮等:分離譜技術(shù)在超聲衍射時(shí)差法信號(hào)處理中的應(yīng)用47目標(biāo)回波的波形清晰,時(shí)間關(guān)系明顯,減少了時(shí)間測(cè)量不確定性對(duì)測(cè)量精度的影響。為了說(shuō)明這一點(diǎn),根據(jù)公式:1221(42d c t cs t=+,式中:c -縱波在材料中的聲速(實(shí)測(cè)為5765m/st -孔的端部衍射波與側(cè)向波的時(shí)差s -兩探頭入射點(diǎn)間距的一半d -孔的埋藏深度(與板面的距離將各參數(shù)代入后計(jì)算兩種方法處理后的檢測(cè)結(jié)果,如表1所示。表1 經(jīng)本文算法和帶通濾波法處理后定位結(jié)果的比較

22、Tabel 1 Comparison of positioning results between the algorithm used in this paper and the band-pass filtering method算法實(shí)際埋深值/mm孔1 孔2 孔3檢測(cè)埋深值/mm孔1 孔2 孔3誤差/%信噪比/dB帶通濾波8.01 14.98 21.97 7.40 13.10 18.77 7.60 12.6 14.618.67本文算法8.01 14.98 21.97 7.54 14.03 20.42 5.80 6.30 7.0029.96由表1可知,基于分離譜技術(shù)的最小值選中次數(shù)加權(quán)算法

23、相比與傳統(tǒng)的帶通濾波法而言,不僅可以大大地提高信號(hào)的信噪比,而且可以增強(qiáng)缺陷定量的準(zhǔn)確性,減小了測(cè)量的誤差。4 結(jié)論TOFD技術(shù)是一種可以精確測(cè)量缺陷埋深和自身高度的超聲檢測(cè)技術(shù),為評(píng)價(jià)被檢測(cè)件的可靠性提供試驗(yàn)數(shù)據(jù),而信號(hào)處理的目的就是為了減小噪聲對(duì)目標(biāo)回波的干擾,使目標(biāo)回波的波形更加清晰,以提高TOFD定量的精度。本文針對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲的特點(diǎn),采用分離譜技術(shù)對(duì)TOFD檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行譜分離,在信號(hào)恢復(fù)階段采用線性平均等四種恢復(fù)算法進(jìn)行信號(hào)的重建,結(jié)果表明,以最小值恢復(fù)算法的處理效果最好,但最小值算法的最大缺點(diǎn)是對(duì)濾波器的數(shù)目比較敏感,導(dǎo)致該算法不夠穩(wěn)定,因此本文在最小值算法的基礎(chǔ)上引入了最小值選中次數(shù)

24、加權(quán)算法,得到以下結(jié)論:(1 采用分離譜技術(shù)對(duì)TOFD檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行譜分離可以提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比;(2 分離譜分離TOFD信號(hào)后的不同恢復(fù)算法對(duì)信噪比影響較大;(3 基于最小值算法的最小值選中次數(shù)加權(quán)算法,能夠有效地去除材料的結(jié)構(gòu)噪聲,大大地提高了信號(hào)的信噪比。(4 采用合適的信號(hào)處理方法可以提高TOFD 定量的精度。本文為超聲TOFD檢測(cè)信號(hào)的處理提供了一種有益的嘗試,并取得了不錯(cuò)的實(shí)際效果。參考文獻(xiàn)1 李衍. 超聲衍射時(shí)差法探傷和定量技術(shù)J. 無(wú)損檢測(cè), 2004, 26(1:47-53.LI Yan. TOFD detection and quantitative techniquesJ

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