1 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)近年來已被廣泛應(yīng)用于中厚板對(duì)接焊縫的檢測(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)衍射回波容易被雜波所淹沒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。

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)過程如圖 1 所示。

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 非線性濾波處理的輸出信號(hào)，也即信號(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)上類似于維納濾波器的傳遞函數(shù)，無需信號(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 ( 1)sM 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)xiti =1,2, , 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，此時(shí)輸出為i =1 ,2,N}(符號(hào)與原符號(hào)相同)，也就是說，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：，由此可定義各窄帶信號(hào)ix 的權(quán)值。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)xi 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)，那么按此方法恢復(fù)出來的信號(hào)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)面從上到下分別打上直徑為 3、 3、 2毫米的橫穿孔，見圖 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。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。

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(b)~3(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)確性。假定反射波的中心頻率沒有發(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。

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)能量最大的頻帶并不是信噪比最高的頻帶，導(dǎo)致 濾波效果較差，無法準(zhǔn)確識(shí)別出目標(biāo)回波，影響了缺陷定量的精度。而經(jīng)過最小值選中次數(shù)加權(quán)算法處理后的信號(hào)(見圖 4(b))，各目標(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。為了說明這一點(diǎn)，根據(jù)公式：式中：

c -縱波在材料中的聲速(實(shí)測(cè)為 5765m/s)

t -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。

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)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。

摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)