靳朋飛,張艷花,楊 錄
(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)
內(nèi)梅花彈體,如圖1所示,它左端是內(nèi)壁有六個(gè)圓弧槽的小徑薄壁管,中間為一段小徑棒,右端是壁厚稍大的一截小徑薄壁管。這種結(jié)構(gòu)區(qū)別于單一的筒形,棒形結(jié)構(gòu),屬于小徑薄壁異形構(gòu)件。針對(duì)此類構(gòu)件,一般采取復(fù)合超聲無損檢測(cè)技術(shù)[1],采取多探頭組合每一探頭只針對(duì)單一類型或特定區(qū)域缺陷檢測(cè),最后依據(jù)實(shí)際情況將多組數(shù)據(jù)融合形成聯(lián)合判據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的識(shí)別和類型判定。
圖1 內(nèi)梅花彈體結(jié)構(gòu)圖
由于工件內(nèi)壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜,針對(duì)外表面缺陷(如圖1,缺陷A)檢測(cè)的軸向探頭[2]會(huì)受到工件內(nèi)部臺(tái)階的影響,形成一組高回波脈沖信號(hào)—臺(tái)階波,同理,周向探頭若要檢測(cè)工件內(nèi)弧頂處的傷信號(hào),必然會(huì)接受到工件內(nèi)棱角反射的超聲波—棱波。
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的在線檢測(cè)過程中,由于這兩種干擾信號(hào)的存在,使得回波信號(hào)變得復(fù)雜,極大地增加了缺陷的判定難度。由于使用單一帶寬的濾波方法很難將這兩種干擾消除,因此本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)包絡(luò)提取的方法來實(shí)現(xiàn)在這種復(fù)雜背景噪聲的情況下缺陷信號(hào)的識(shí)別。
超聲信號(hào)的處理過程可以認(rèn)為根據(jù)不同類型信號(hào)頻域特征設(shè)計(jì)不同帶寬的濾波器將信號(hào)分離提取的過程。
對(duì)筒形,棒形等單一結(jié)構(gòu)工件,其掃描數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為式(1)所示:
其中,F(xiàn)(i)為探頭獲取的掃描數(shù)據(jù),F(xiàn)(i)可以被認(rèn)為是由S(i)—傷信號(hào),B(i)—背景噪聲,Q(i)—趨勢(shì)項(xiàng)疊加而成,σ1,σ2為背景噪聲與趨勢(shì)項(xiàng)的系數(shù),其初始值為1。這三種類型數(shù)據(jù)一般在頻率上區(qū)分性很大,可以通過設(shè)定合適帶寬的濾波器提取S(i)。
內(nèi)梅花彈體結(jié)構(gòu)的工件,對(duì)其掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行A型顯示,如圖2曲線tjhs所示,其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為:
或
T(i)為臺(tái)階信號(hào),L(i)為棱波信號(hào),這兩種信號(hào)是由于工件內(nèi)表面結(jié)構(gòu)特殊所產(chǎn)生的,在這些區(qū)域若存在傷,則它們的回波信號(hào)會(huì)相互“疊加”,而且T,Q在頻率上區(qū)分性很小,給傷信號(hào)的提取判定增加了難度。
設(shè)信號(hào)樣本長(zhǎng)度為N,相鄰點(diǎn)的時(shí)間間隔為τ,函數(shù)值為f(iτ),(0≤i≤N)。第 i點(diǎn)的滑動(dòng)平均值為其所在區(qū)間[im,i+m]的平均值,即:
其方差
針對(duì)當(dāng) i處于區(qū)間[0,m-1],[N-m+1,N]時(shí)的端點(diǎn)效應(yīng),采取端點(diǎn)延拓的方法,延拓長(zhǎng)度取決于滑動(dòng)平均的點(diǎn)數(shù)m,即左右端點(diǎn)各延拓m點(diǎn)。延拓后的信號(hào)樣本長(zhǎng)度為N+2m,原信號(hào)所處區(qū)間為[m,N-m],且
然后根據(jù)公式(4),對(duì)區(qū)間[m,N-m]的信號(hào)樣本求滑動(dòng)平均值。
滑動(dòng)平均其本質(zhì)相當(dāng)于低通濾波器[3,4],隨著滑動(dòng)點(diǎn)數(shù)m增大其低通截止頻率fc會(huì)減小,實(shí)際應(yīng)用中滑動(dòng)平均用來抑制高頻噪聲,而不是用來分頻?;瑒?dòng)點(diǎn)數(shù)m往往需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取,本文中針對(duì)臺(tái)階波和棱波的數(shù)據(jù)處理過程就是基于滑動(dòng)平均算法,它利用了滑動(dòng)平均的低通濾波特性,同時(shí)也針對(duì)滑動(dòng)平均的平滑效果所產(chǎn)生的損耗進(jìn)行了補(bǔ)償。
圖2 數(shù)據(jù)預(yù)處理
如圖3所示:
(1)數(shù)據(jù)對(duì)齊:臺(tái)階波產(chǎn)生都是由其內(nèi)壁結(jié)構(gòu)引起,會(huì)出現(xiàn)在每一通道數(shù)據(jù)的固定位置,因此只需將包含臺(tái)階波部分的數(shù)據(jù)提取后單獨(dú)處理。
(2)去除背景噪聲:數(shù)據(jù)的預(yù)處理如圖2,曲線xsu2,過程完成對(duì)背景噪聲的濾除,此過程對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行十點(diǎn)滑動(dòng)平均處理,相當(dāng)于將背景噪聲等高頻干擾濾除。
(3)大包絡(luò)提取及損耗補(bǔ)償:臺(tái)階波所處數(shù)據(jù)區(qū)域是固定的,這里將臺(tái)階波區(qū)域的大包絡(luò)看作“趨勢(shì)項(xiàng)”,利用滑動(dòng)平均的低通特性通過選取合適的滑動(dòng)點(diǎn)數(shù)m(這里選取m=100)可以將趨勢(shì)項(xiàng)提取,但是這一過程會(huì)產(chǎn)生損耗,如圖3,曲線xsu3,需要通過滑動(dòng)平均前后臺(tái)階波區(qū)域數(shù)據(jù)均值計(jì)算損耗比,將其作為系數(shù)對(duì)有損耗的曲線進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫奖徽J(rèn)為沒有損耗的趨勢(shì)項(xiàng)xsu4。
(4)傷信號(hào)提取:這里依據(jù)誤差理論,傷信號(hào)看作“粗大誤差”,這里通過設(shè)定閾值g,對(duì)偏離“趨勢(shì)項(xiàng)”超過閾值部分判定為“粗大誤差”,只不過這里采取的不是剔除而是提取,相當(dāng)于將包含兩個(gè)頻率特征的信號(hào)去除了其中的低頻部分,這一過程相當(dāng)于對(duì)信號(hào)的高通濾波,但是提取的傷信號(hào)已經(jīng)去除了低頻的趨勢(shì)項(xiàng)和高頻部分的背景噪聲,因此提取后的信號(hào)只包含了傷信號(hào)。
(5)信號(hào)的還原:針對(duì)提取后的傷信號(hào)設(shè)定合適的閾值,根據(jù)滿足要求的傷信號(hào)的分布,計(jì)算原信號(hào)的系數(shù)分布σi,i∈(0,N),其中有傷部分 σi,i∈(0,N)(或大于 1),無傷部分σi=0,將這一系數(shù)分布數(shù)組乘入T(i)處理后的信號(hào)xsu2可以得到濾除背景噪聲B(i)及臺(tái)階波T(i)的傷信號(hào)S(i),即圖3,曲線ysu。最后將消除臺(tái)階波后信號(hào)還原到原來數(shù)組,通過選取合適帶寬的濾波方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體處理。
圖3 包絡(luò)提取與信號(hào)還原過程
由圖4可以看出,包含棱波的數(shù)據(jù)其可讀性很差,無法直接對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行傷判定??梢苑治龀觯獠ㄖ辉趦?nèi)棱角處產(chǎn)生,其幅值雖然高,但是其連續(xù)時(shí)間短,可以認(rèn)為其具有高頻特性,因此采取這種基于低通濾波器的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),會(huì)達(dá)到很理想的效果。
圖4 棱波處理結(jié)果
若只通過A型數(shù)據(jù)顯示(時(shí)間幅度顯示),很難判定顯示在工件表面的分布位置及缺陷類型,而實(shí)際應(yīng)用中往往需要直觀的將缺陷的分布和缺陷類型進(jìn)行顯示,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為灰度值并對(duì)其進(jìn)行二維成像是一種快捷有效的方法。
圖5 棱波去除前
圖6 棱波去除后
由A型顯示到B型顯示的轉(zhuǎn)換規(guī)則由工件形狀和探頭掃描路徑及掃描精度決定。本文的數(shù)據(jù),探頭周向掃描為400點(diǎn),軸向?yàn)?0點(diǎn),而由工件參數(shù)可以看出,其長(zhǎng)寬比應(yīng)為110∶100,因此這里的掃描圖是經(jīng)過拉伸處理的,由圖5,圖6可以看出,其X方向上分辨率較低。
通過超聲B型成像結(jié)果,如圖5,圖6所示,可以直觀地看出這種基于動(dòng)態(tài)包絡(luò)提取的方法能夠?qū)崿F(xiàn)臺(tái)階波和棱波等干擾信號(hào)的分離去除,極大減輕了缺陷識(shí)別和提取的難度,實(shí)現(xiàn)了算法設(shè)計(jì)的最初目的。
對(duì)傷信號(hào)的提取本質(zhì)上仍是通過濾波方法實(shí)現(xiàn)的,文章針對(duì)臺(tái)階波及棱波具有的固定特征,通過對(duì)其大包絡(luò)線提取并通過計(jì)算損耗進(jìn)行包絡(luò)補(bǔ)償?shù)倪^程可以被認(rèn)為是信號(hào)的低頻部分趨勢(shì)項(xiàng)代替信號(hào)本身,利用其能量上的差異,通過包絡(luò)實(shí)現(xiàn)傷信號(hào)的提取。
這種基于滑動(dòng)平均的動(dòng)態(tài)包絡(luò)提取方法的設(shè)計(jì)針對(duì)快速工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)過程,具有穩(wěn)定性與快速特點(diǎn),且易于在Matlab和VC++等上位機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn),在針對(duì)此類小徑薄壁異型構(gòu)件的超聲數(shù)據(jù)處理方面具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[1]劉松平,郭恩明,陳積懋,等.金屬薄壁管件復(fù)合超聲檢測(cè)技術(shù)[J].無損探傷,2005,5(10):6-10.
[2]曹海軍.異型構(gòu)件超聲檢測(cè)技術(shù)[J].硬質(zhì)合金,2010,3(6):168-170.
[3]裴益軒,郭民.滑動(dòng)平均法的基本原理及應(yīng)用[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2001,1:21-23.
[4]張艷花,楊錄.在連續(xù)噪聲背景下分離脈沖信號(hào)的一種方法[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào),1996,2:134-138.