自適應(yīng)濾波在不銹鋼超聲檢測上的應(yīng)用

郭北濤 李耀鵬

摘要：介紹了奧氏體不銹鋼在超聲檢測中具有檢測難度大，信噪比低的缺點(diǎn)，給出了超聲檢測系統(tǒng)的軟硬件總體構(gòu)成，包括以計(jì)算機(jī)為核心，利用FPGA強(qiáng)大邏輯處理能力，實(shí)現(xiàn)超聲檢測信號(hào)的發(fā)射接收，采集處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和輸出等。為了有效解決在強(qiáng)噪聲背景下提取微弱超聲信號(hào)的問題，設(shè)計(jì)了一種易于軟硬件實(shí)現(xiàn)的基于LMS自適應(yīng)算法的改進(jìn)型濾波器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該濾波器能更有效抑制強(qiáng)噪聲，提取有效弱信號(hào)，并能進(jìn)一步提高自適應(yīng)濾波器的魯棒性、收斂速度和檢測精度。

關(guān)鍵詞：超聲檢測;LMS算法;自適應(yīng)濾波

引言

奧氏體不銹鋼被廣泛應(yīng)用于石油化工和核工業(yè)等領(lǐng)域，因此對(duì)奧氏體鋼零部件進(jìn)行無損檢測是保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全運(yùn)行不可缺少的工序。但是奧氏體鋼的超聲檢測是有一定困難，主要在于：奧氏體鋼冷卻時(shí)不發(fā)生相變，易形成粗大的枝狀晶粒;面心立方晶格對(duì)雜質(zhì)的較小固溶度使晶界夾雜濃度大大增加，使得奧氏體不銹鋼對(duì)超聲信號(hào)的散射很大;散射使信號(hào)的衰減增大，使缺陷信號(hào)的強(qiáng)度大大降低，被粗晶粒的相干散射信號(hào)的湮沒，使小缺陷檢測信號(hào)較難從雜亂的噪聲中識(shí)別，使得信噪比較低?。

針對(duì)不銹鋼信噪比低造成誤檢率和漏檢率上升的現(xiàn)象，人們目前主要從兩個(gè)方面來增加粗晶材料超聲檢測的可靠性和檢測能力。一是制作寬帶聚焦式探頭以提高某一深度區(qū)間的檢測能力;二是利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)增強(qiáng)粗晶材料的信噪比，提高檢測能力，如反卷積法、頻譜分析法、時(shí)頻分析法、小波包去噪技術(shù)、模糊控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。本文著重從易于軟硬件實(shí)現(xiàn)的一種基于LMS算法（最小均方誤差算法least-mean-square）的自適應(yīng)濾波方法進(jìn)行研究。結(jié)果表明，此方法能夠有效抑制材料噪聲，明顯增強(qiáng)缺陷信息。

1.超聲檢測系統(tǒng)總體方案

超聲探傷系統(tǒng)的工作原理為：通過發(fā)射電路，產(chǎn)生高壓尖脈沖激勵(lì)超聲探頭產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波，工件返回的超聲波通過放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，放大后信號(hào)經(jīng)過濾波電路進(jìn)行去噪。FPGA對(duì)電路進(jìn)行邏輯控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。FPGA通過PCI總線橋接芯片PCI9054連接到PCI總線。上位機(jī)通過總線控制超聲波發(fā)射、信號(hào)接收、放大濾波、數(shù)據(jù)采集、顯示和數(shù)據(jù)處理等一系列的操作。

基于虛擬儀器技術(shù)的圖形化語言LabVIEW?軟件的功能強(qiáng)大，集成度高，程序運(yùn)行速度快、性能穩(wěn)定，人機(jī)交互界面簡潔明了。用戶可以使用LabVIEW在電腦屏幕上創(chuàng)建一個(gè)圖形化的用戶界面，即可設(shè)計(jì)出完全符合自己要求的虛擬儀器。通過這個(gè)圖形主控界面，使用者可以進(jìn)行超聲檢測的相關(guān)操作如設(shè)置硬件、分析采集到的數(shù)據(jù)和進(jìn)行測試曲線顯示等?。采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，各個(gè)模塊分別執(zhí)行相應(yīng)的功能。

根據(jù)功能要求，整個(gè)超聲檢測系統(tǒng)的軟件主要包括以下兩大部分：①系統(tǒng)對(duì)硬件的管理：如對(duì)FPGA參數(shù)配置包括模擬處理板的參數(shù)控制、DAC增益控制、數(shù)字處理板的參數(shù)控制、系統(tǒng)報(bào)警控制、發(fā)射延遲參數(shù)調(diào)節(jié)等參數(shù)設(shè)置;②系統(tǒng)軟件編制部分：包括信號(hào)處理的自適應(yīng)濾波算法;探傷波形實(shí)時(shí)處理如檢波方式、雜波抑制參數(shù)、峰值包絡(luò)方式、跟蹤閘門等;波形顯示包括探傷波形顯示、界面顯示和網(wǎng)絡(luò)化等。

2.自適應(yīng)濾波算法

將自適應(yīng)應(yīng)用于微弱信號(hào)處理中，濾除晶粒噪聲的影響，以期提取出有用的信號(hào)。自適應(yīng)濾波器與普通濾波器相比，有兩個(gè)重要的特點(diǎn)：①自適應(yīng)濾波器的濾波參數(shù)（系數(shù)）能隨著外界信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性的變化而動(dòng)態(tài)地調(diào)整，始終保持最佳的濾波狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。②自適應(yīng)濾波器除了濾波器的硬件以外還包括算法，算法是自適應(yīng)濾波器的基礎(chǔ)，自適應(yīng)濾波算法決定了濾波器如何根據(jù)外界信號(hào)的變化來調(diào)整自身的參數(shù)（系數(shù)），自適應(yīng)算法的好壞直接影響著濾波效果?。

最小均方（least-mean-square，LMS）誤差算法因其結(jié)構(gòu)比較簡單，涉及到的計(jì)算量小，系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，易于用軟硬件實(shí)現(xiàn)，因而在實(shí)踐中被廣泛采用。

LMS算法的濾波器輸出為：

（1）

其中：

（2）

（3）

是期望輸入向量，是濾波器權(quán)因子。

當(dāng)N較小時(shí)可由式（1）直接計(jì)算得到最優(yōu)解，但當(dāng)N較大時(shí)，因含有矩陣求逆運(yùn)算，計(jì)算量將變得很大。為了減小計(jì)算量另一種改進(jìn)算法為：通過對(duì)濾波器權(quán)系數(shù)進(jìn)行修正，使濾波器的輸出信號(hào)與期望信號(hào)之間的均方誤差最小，得到LMS算法的另一表達(dá)式：

（4）

其中：

（5）

（6）

（7）

是歸一化收斂因子，是濾波器系數(shù)的個(gè)數(shù)，是輸入信號(hào)功率估計(jì)，是用以降低過去輸入影響的“遺忘因子”。為了保證LMS算法的收斂性，其收斂因子必須在如下范圍內(nèi)選取。

（8）

式中，是輸入信號(hào)自相關(guān)矩陣的最大特征值。

3.結(jié)論

為了驗(yàn)證系統(tǒng)采集超聲信號(hào)的效果，?選擇縱波直探頭25Z20N，超聲信號(hào)進(jìn)行采集，?然后運(yùn)用自適應(yīng)濾波器對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行濾波?？傻玫狡交諗啃院们揖雀叩某暀z測曲線，?表明自適應(yīng)濾波對(duì)超聲信號(hào)具有良好的濾波效果。濾波器具有了更高的跟蹤能力，更好的濾波效果和較為理想的測試精度。適用于對(duì)超聲信號(hào)降噪并對(duì)后期的缺陷信號(hào)的準(zhǔn)確定量和定性分析具有重要作用。