脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測PCA-ICA 聯(lián)合消噪技術(shù)*

劉相彪，李 勇，陳振茂，閆 貝，李一力

(西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室核能結(jié)構(gòu)安全檢測與完整性評(píng)價(jià)研究中心，陜西 西安710049)

0 引 言

鐵磁性管道在石油開采領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但由于其惡劣的服役環(huán)境，極容易產(chǎn)生腐蝕缺陷，如不定期進(jìn)行無損檢測，將危及到油田正常生產(chǎn)［1，2］。脈沖遠(yuǎn)場渦流(pulsed remote field eddy current，PRFEC)技術(shù)［1，3～6］作為一種新興的電磁無損檢測技術(shù)，國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)鐵磁性管道檢測存在顯著的優(yōu)勢(shì)。然而在實(shí)際檢測中，由于管道自身機(jī)械加工條件不同和地殼應(yīng)力等因素的影響，在管道不同位置處會(huì)存在磁導(dǎo)率不均等變化，而這一變化與缺陷對(duì)脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測信號(hào)的影響極其相似，使得檢測信號(hào)信噪比較低，容易造成缺陷的誤判和漏檢。

如何有效消除磁導(dǎo)率不均等管道自身材質(zhì)因素對(duì)鐵磁性材料電磁無損檢測結(jié)果的干擾，一直是人們關(guān)注的問題。Atherton DL 等人提出了通過局部磁飽和方法降低磁導(dǎo)率不均對(duì)檢測信號(hào)的影響［7］，但這種方法也增加了檢測探頭的復(fù)雜性，不易于實(shí)現(xiàn)。Mandayam S 等人提出利用小波變換構(gòu)造出一種只對(duì)缺陷引起變化敏感的特征量［8］，從而消除磁導(dǎo)率不均對(duì)檢測結(jié)果的影響，但是此種方法依懶于事先所構(gòu)造的模型與特征量，在實(shí)際檢測中效果不理想。羅飛路等人提出了基于獨(dú)立分量分析(independent component analysis，ICA)技術(shù)［9～11］消除磁導(dǎo)率不均的方法［12］。該方法要求觀測信號(hào)數(shù)目大于或等于源信號(hào)數(shù)目，在實(shí)際應(yīng)中，受限于造價(jià)、應(yīng)用條件等各種因素的制約，常存在單觀測通道的情況，該方法應(yīng)用受到限制。

本文通過對(duì)主成分分析(principal component analysis，PCA)技術(shù)［13～15］與ICA 技術(shù)的進(jìn)一步研究，結(jié)合PCA 與ICA 技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，提出了基于PCA－ICA 聯(lián)合消噪技術(shù)。該技術(shù)利用PCA 將單通道信號(hào)加以變換，提取前二階主成分構(gòu)建虛擬雙通道信號(hào)作為ICA 輸入矩陣，采用擴(kuò)展特征矩陣聯(lián)合近似對(duì)角化(flexible joint approximative diagonalization of eigenmatrix，F(xiàn)JADE)算法［16］實(shí)現(xiàn)了單通道信號(hào)欠定條件下缺陷信號(hào)與磁導(dǎo)率不均等噪聲信號(hào)的分離。

1 PCA-ICA 聯(lián)合消噪技術(shù)研究

1.1 PCA－ICA 方法提出

PCA 技術(shù)是一種建立在統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上的正交線性變換，它把給定的一組相關(guān)變量通過線性變換轉(zhuǎn)成另一組互不相關(guān)的變量，這些新的變量按照方差依次遞減的順序排列，稱為主成分。每階主成分都是原始特征的線性組合，可以構(gòu)建多通道虛擬信號(hào)，用以彌補(bǔ)ICA 技術(shù)存在觀測信號(hào)數(shù)目必須大于或等于源信號(hào)數(shù)目的不足。此外，經(jīng)PCA 處理后的第一主成分最大限度上保留了原始特征信息，可以用來評(píng)定ICA 分離后的結(jié)果。

ICA 技術(shù)是信號(hào)處理領(lǐng)域在近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)盲源信號(hào)處理方法，該方法可以有效地從觀測到的混合信號(hào)中分離出各個(gè)獨(dú)立分量。然而，ICA 技術(shù)存在觀測信號(hào)數(shù)目必須大于或等于源信號(hào)數(shù)目的局限性，無法對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中常常存在單通道信號(hào)欠定的情況進(jìn)行盲源分離。

鑒于此，本文結(jié)合PCA 與ICA 技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)，提出PCA－ICA 聯(lián)合消噪技術(shù)。該技術(shù)基于PCA 引入虛擬雙通道觀測信號(hào)，有效地解決了單通道信號(hào)無法進(jìn)行ICA 分離的局限性。PCA－ICA 聯(lián)合消噪技術(shù)具體操作方法如下:

1)將單通道傳感器掃查所得信號(hào)二維矩陣M(列為單個(gè)掃查點(diǎn)傳感器信號(hào))進(jìn)行PCA 分析;

2)提取前兩階主成分P1與P2并進(jìn)行歸一化處理(除以最大值)，構(gòu)建虛擬雙通道信號(hào);

3)將P1，P2作為ICA 輸入矩陣，采用FJADE 算法計(jì)算得出獨(dú)立分量IC1與IC2;

4)分別計(jì)算獨(dú)立分量IC1，IC2與主成分P1的相關(guān)系數(shù)，選取相關(guān)系數(shù)最大的獨(dú)立分量作為去噪后的目標(biāo)信號(hào)。

1.2 仿真研究

為了探究PCA－ICA 聯(lián)合消噪技術(shù)在脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測中的應(yīng)用，在仿真研究中引入磁導(dǎo)率不均作為噪聲源。

建立鐵磁性管道脈沖遠(yuǎn)場渦流二維軸對(duì)稱有限元模型，模型參數(shù)表1 所示。激勵(lì)線圈匝數(shù)為1 000 匝，方波激勵(lì)電流信號(hào)最大幅值為1 A，占空比為20%，頻率為40 Hz。傳感器位于距激勵(lì)線圈上端2.5 倍管徑處。

表1 仿真模型參數(shù)Tab 1 Parameters of the simulation model

在管道外壁上依次設(shè)置:周向磁導(dǎo)率不均(長×深為8.0 mm×1.0 mm，電導(dǎo)率為3.5 MS/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為100.0)，周向腐蝕缺陷(長×深為20.0 mm×1.0 mm，電導(dǎo)率為0 MS/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0)，周向磁導(dǎo)率不均(長×深為8.0 mm×1.0 mm，電導(dǎo)率為3.5 MS/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為300.0)，周向腐蝕缺陷(長×深為20.0 mm×1.0 mm，電導(dǎo)率為0 MS/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0)。其位置如圖1 所示。

圖1 缺陷與磁導(dǎo)率不均位置Fig 1 Position of defects and non-uniform permeability

傳感器位于磁導(dǎo)率不均和缺陷時(shí)單個(gè)脈沖遠(yuǎn)場渦流信號(hào)與信號(hào)峰值—探頭位置掃查曲線，如圖2、圖3 所示。從圖2可以看出:磁導(dǎo)率不均與缺陷均可造成檢測信號(hào)峰值、峰值時(shí)間等變化，二者在掃查曲線(圖3)上的表征十分相似，影響了缺陷檢出與定量分析。

圖2 脈沖遠(yuǎn)場渦流信號(hào)Fig 2 Signals of PRFEC

將仿真所得掃查信號(hào)二維矩陣M 進(jìn)行PCA－ICA 處理，結(jié)果如圖4 所示。

圖3 信號(hào)峰值—探頭位置掃查曲線Fig 3 Peak value vs probe position

圖4 (a)為經(jīng)PCA 處理后前兩階主成分，第一主成分(P1)與第二主成分(P2)均可描述出缺陷與磁導(dǎo)率不均的位置，但其相對(duì)幅值有所差異。可以將P1與P2等效為缺陷信號(hào)與噪聲(磁導(dǎo)率不均)信號(hào)特征不同的線性組合。

圖4(b)為缺陷信號(hào)與噪聲(磁導(dǎo)率不均)信號(hào)的分離結(jié)果，其中缺陷信號(hào)與主成分P1的相關(guān)系數(shù)為0.968 4，噪聲(磁導(dǎo)率不均)信號(hào)與主成分P1的相關(guān)系數(shù)為0.249 6。可以看出:PCA－ICA 技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)與噪聲(磁導(dǎo)率不均)信號(hào)的分離，達(dá)到了去噪的目的，提升缺陷識(shí)別與定量評(píng)估精度。

圖4 PCA-ICA 分離結(jié)果(仿真)Fig 4 Results of PCA-ICA separation(simulations)

2 PCA-ICA 聯(lián)合消噪技術(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用試件為鐵磁性雙層套管，探頭結(jié)構(gòu)如圖5 所示。雙激勵(lì)線圈用以增加檢測信號(hào)幅值，隧道磁電阻(TMR)傳感器位于雙激勵(lì)線圈中間拾取磁場信號(hào)。表2 為試件與檢測探頭參數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用頻率為40 Hz，幅值為1.5 V，占空比為20%的方波信號(hào)作為激勵(lì)，經(jīng)過功率放大(10 倍)后施加于激勵(lì)線圈。TMR 傳感器所拾取到的磁場信號(hào)經(jīng)過差分放大(10 倍)與濾波(低通濾波15 kHz)后，由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab 2 Parameters of experiment

在鐵磁性雙層套管外管外壁上依次加工:周向缺陷1(長×深為30 mm×0.5 mm);周向缺陷2(長×深為30 mm×1.0 mm);周向缺陷3(長 深為30 mm×1.5 mm)。將檢測探頭從管道一端進(jìn)行掃查，提取各掃查點(diǎn)處檢測信號(hào)峰值作為特征量，擬合得出信號(hào)峰值—探頭位置掃查曲線，如圖6所示。從圖6 可以看出，信號(hào)峰值—探頭位置掃查曲線噪聲較大，在無缺陷處存在波動(dòng)，容易造成缺陷誤判。

圖5 檢測探頭結(jié)構(gòu)Fig 5 Structure of detecting probe

圖6 信號(hào)峰值—探頭位置掃查曲線Fig 6 Peak value of signal vs probe position

將實(shí)驗(yàn)中掃查所得各點(diǎn)的脈沖遠(yuǎn)場渦流信號(hào)組成二維矩陣(每一列代表一個(gè)掃查點(diǎn)的信號(hào))，采用PCA－ICA 進(jìn)行處理，結(jié)果如圖7 所示。

圖7(a)為經(jīng)PCA 處理后前兩階主成分，P1與P2在不同程度上可以描述出缺陷位置的信息。圖7(b)為經(jīng)PCAICA 分離后的結(jié)果，其中缺陷信號(hào)與主成分P1相關(guān)系數(shù)為0.9062，噪聲信號(hào)與主成分P1相關(guān)系數(shù)為0.4228。可以看出:缺陷信號(hào)與噪聲信號(hào)經(jīng)PCA－ICA 處理后可有效分離。

3 結(jié) 論

圖7 PCA-ICA 分離結(jié)果(實(shí)驗(yàn))Fig 7 Result of PCA-ICA separation(experiments)

本文針對(duì)脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測中磁導(dǎo)率不均等管道自身材質(zhì)因素對(duì)檢測信號(hào)的影響，提出了PCA－ICA 聯(lián)合去噪技術(shù)。通過仿真與實(shí)驗(yàn)研究表明:該技術(shù)彌補(bǔ)了ICA 要求觀測信號(hào)數(shù)目必須大于或等于源信號(hào)數(shù)目的不足，實(shí)現(xiàn)了單通道信號(hào)欠定條件下的盲源分離;可以有效地實(shí)現(xiàn)缺陷信號(hào)與磁導(dǎo)率不均等噪聲信號(hào)的有效分離，提高了脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測缺陷識(shí)別與定量評(píng)估精度。

［1］ Yang Binfeng，Li Xuechao.Pulsed remote field technique used for nondestructive inspection of ferromagnetic tube［J］.NDT＆E International，2013，53:47－52.

［2］ 付躍文，康小偉，喻星星.帶包覆層鐵磁性金屬管道局部腐蝕的脈沖渦流檢測［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2013(4):786－795.

［3］ Li Yong，Chen Zhenmao，Qi Yong.Generalized analytical expressions of liftoff intersection in PEC and a liftoff－intersection－based fast inverse model［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2011，47(10):2931－2934.

［4］ Li Yong，Liu Xiangbiao，Qi Yong，et al.Efficient analytical modelling for pulsed remote field eddy current evaluation of stratified tubular structures［C］∥2013 Far East Forum on.Nondestructive Evaluation/Testing:New Technology＆Application(FENDT)，Jinan，China:IEEE，2013:18－22.

［5］ 劉相彪，李 勇，陳振茂，等.基于磁場測量的脈沖遠(yuǎn)場渦流檢測雙層套管仿真［J］.無損檢測，2013(10):48－52.

［6］ 張 輝，楊賓峰，荊毅飛，等.基于連通磁路的脈沖遠(yuǎn)場渦流傳感器設(shè)計(jì)及缺陷定量評(píng)估與分類識(shí)別［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012(10):1370－1375.

［7］ Atherton D L，Czura W，Schmidt T R.Use of magnetically saturated regions in remote field eddy current tools［J］.Journal of Nondestructive Evaluation，1989，8(1):37－43.

［8］ Mandayam S，UPda L，UPda S S.Wavelet based permeability compensation technique for characterizing magnetic flux leakage images［J］.NDT＆E International，1997，30(5):297－303.

［9］ 馮憲高，萬江飛，郭曉疆，等.基于盲源分離的超聲信號(hào)去噪的仿真研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(7):36－39.

［10］王文波，張曉東，汪祥莉.基于獨(dú)立成分分析和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的混沌信號(hào)降噪［J］.物理學(xué)報(bào)，2013(5):27－34.

［11］楊 旭，張學(xué)淵，李寶清.基于核獨(dú)立成分分析的聲信號(hào)去噪方法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(11):43－45，48.

［12］徐小杰.鐵磁性管道中軸向裂紋的遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)研究［D］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

［13］楊賓峰，羅飛路.基于主成分分析的腐蝕缺陷邊緣識(shí)別研究［J］.計(jì)量技術(shù)，2007(10):23－28.

［14］王巍巍，張賽男.基于PCA 與BP 混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的電子鼻系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(4):90－92.

［15］周德強(qiáng)，張斌強(qiáng)，田貴云，等.脈沖渦流檢測中裂紋的深度定量及分類識(shí)別［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009(6):1190－1194.

［16］Cichocki A，Amari S，Siwek K，et al.ICALAB Toolboxes［DB/OL］.［2007—03—28］.http:∥www.bsp.brain.riken.jp/ICALAB.