微弱電磁波收集檢測研究

毛先胤，鄒 雕，黃 歡，張 偉

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550001；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550001）

0 引 言

電磁聲換能器（Electromagnetic Acoustic Transducers，EMATs）是一種用于導(dǎo)電材料無損檢測和材料表征的非接觸式超聲波發(fā)射與接收裝置[1-3]。有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備的傳導(dǎo)機(jī)制有洛倫茲力、磁致伸縮機(jī)制以及磁化力3個(gè)原理[4]。電磁超聲檢測系統(tǒng)通常由電磁閥(包括線圈、磁鐵、被測材料)及其電路(包括發(fā)射電路、接收電路、匹配電路等)組成。與傳統(tǒng)壓電式換能器相比，EMATs具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如在運(yùn)行過程中不需要聲耦合，不需要對試件進(jìn)行表面預(yù)處理，能夠產(chǎn)生多種彈性波，有效地?cái)U(kuò)展了超聲技術(shù)的應(yīng)用范圍，成為無損檢測（Non-Destructive Testing，NDT）和無損評價(jià)（Non-Destructive Evaluation，NDE）領(lǐng)域的主流技術(shù)，但其傳導(dǎo)效率較低[5-7]。假設(shè)EMAT線圈的發(fā)射電流為50 A，且檢測系統(tǒng)的不同部分匹配良好，則換能器接收到的超聲波信號往往小于100 μV。此外，EMAT對周圍的電噪聲非常敏感。因此，電磁超聲檢測系統(tǒng)必須具備較強(qiáng)的弱信號檢測能力，才能從接收到的信號中提取出缺陷信息。由于檢測系統(tǒng)的工作頻率較高，通常在200 kHz～2 MHz之間，且接收信號的信噪比極低，使用模擬帶通濾波器很難提取有用信息[8]。

1 電磁超聲檢測系統(tǒng)

電磁超聲檢測系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)由控制電路、功率放大器、兩個(gè)匹配電路、收發(fā)開關(guān)、探頭、前置放大器、選頻放大器、數(shù)據(jù)采集以及計(jì)算器組成[9]。首先由控制電路產(chǎn)生音爆信號，然后用D類功放進(jìn)行放大。通過幾個(gè)寬帶傳輸變壓器實(shí)現(xiàn)匹配電路，從而實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸。TR開關(guān)用于隔離發(fā)射和接收過程，超聲波可以通過一個(gè)EMAT線圈發(fā)射和接收。

圖1 電磁超聲檢測原理圖

數(shù)據(jù)采集電路可以同時(shí)采集前置放大器和選頻放大器的輸出信號[10]。這些數(shù)據(jù)被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理，然后與示波器上顯示的波形進(jìn)行比較。通常情況下，預(yù)放大的末端信號可以達(dá)到幾毫伏，而被檢測信號由于反射面積較小甚至更弱。這說明了EMAT對周圍噪聲非常敏感，噪聲的峰間振幅超過1 V，因此電磁超聲檢測系統(tǒng)必須具有較強(qiáng)的弱信號檢測能力。

2 微弱信號檢測技術(shù)

2.1 移動平均預(yù)處理方法

為了得到更好的處理結(jié)果，本文首先采用平均法對接收信號進(jìn)行平滑處理。常用的平均方法有累積平均法和移動平均法等。累積平均法具有良好的去噪能力，是EMAT信號預(yù)處理的常用方法，但是這種方法的處理效率非常低，因?yàn)樗枰獙χ貜?fù)的信號進(jìn)行多次采集。移動平均法通過對采集數(shù)據(jù)的相鄰點(diǎn)進(jìn)行平均來抑制隨機(jī)噪聲?；谧钚《朔ǖ奈妩c(diǎn)移動平均方程可以表示為：

式中，i=3,4...,m-2，x為原始信號，y為處理信號，m為采集到的數(shù)據(jù)總數(shù)。這些方程表明，移動平均法可以處理一次性獲取的數(shù)據(jù)，因此與累積平均法相比，移動平均法的效率更高。

2.2 互相關(guān)檢測方法

相關(guān)檢測方法利用信號的可重復(fù)性和噪聲的隨機(jī)性，是提取EMAT被檢測信號特征，準(zhǔn)確檢測被檢測位置的有效方法。相關(guān)檢測技術(shù)中常用的兩種方法是互相關(guān)和自相關(guān)。前者用于研究兩種不同信號的相關(guān)性，后者用于研究單個(gè)信號的兩個(gè)不同周期的相關(guān)性。以互相關(guān)檢測為例，簡要說明相關(guān)檢測方法的信息提取原理。假設(shè)接收到的EMAT信號Vs為：

式中，Ei是被檢測信號的振幅，ω0是指被檢測信號的角頻率，θ是指被檢測信號和參考信號之間的相位差，En是接收信號中的隨機(jī)噪聲幅度，ωn是干擾噪聲的角頻率，α是干擾噪聲和參考信號之間的相位差。

為了進(jìn)行互相關(guān)檢測，需要提供一個(gè)與被檢測信號頻率相同的參考信號VR，其表示為：

式中，ER是參考信號的振幅。

將式（6）與式（7）相乘可以得到：

利用低通濾波器處理，輸出V0變?yōu)椋?/p>

輸出V0包含了被檢測信號的到達(dá)時(shí)間和包絡(luò)等信息，這樣就可以知道被檢測信號的存在位置。為了得到最佳的輸出信噪比，相位差θ必須為零。然而，由于實(shí)際應(yīng)用中被檢測的位置是隨機(jī)的，必須經(jīng)常調(diào)整參考信號的相位，以確保θ為零。顯然，這是一個(gè)采集微弱電磁信號的障礙。為了解決這一問題，采用兩個(gè)正交參考信號對接收信號進(jìn)行互相關(guān)檢測，利用兩個(gè)參考信號的正交性可以去掉θ，而信號輸出僅由被檢測信號的幅值決定，工作原理如圖2所示。

圖2 正交參考信號的互相關(guān)檢測原理圖

同樣，如果將式（8）和式（9）中的參考信號替換為另一個(gè)接收到的EMAT信號，該信號是在不同檢測周期中獲得的，則可以對接收到的EMAT信號進(jìn)行自相關(guān)檢測。如圖3為自相關(guān)檢測原理圖，其中Vs1和Vs2是在不同的檢測周期下得到的。探頭位置固定，Vs1和Vs2中的被檢測信號到達(dá)時(shí)間幾乎相同，而接收信號中的噪聲是隨機(jī)的，因此由于被檢測信號的相關(guān)性和噪聲的隨機(jī)性，可以提取出被檢測信號的信息。

圖3 自相關(guān)檢測原理圖

2.3 交叉自相關(guān)檢測技術(shù)

互相關(guān)和自相關(guān)檢測的信息提取特征明顯。在進(jìn)行互相關(guān)檢測時(shí)，伴隨著被檢測信號同時(shí)提取出與被檢測信號頻率相同的噪聲分量，進(jìn)一步影響了檢測結(jié)果。同樣，在接收信號中具有顯著相關(guān)性的噪聲分量將進(jìn)一步污染自相關(guān)檢測中的處理結(jié)果。因此，僅對嚴(yán)重干擾的EMAT信號應(yīng)用互相關(guān)或自相關(guān)，只能得到有限的信噪比改善。

為了更好地提高信噪比，提出了一種互相關(guān)和自相關(guān)相結(jié)合的檢測技術(shù)，其原理如圖4所示。此外，當(dāng)環(huán)境噪聲太強(qiáng)或被檢測信號太弱時(shí)，可以相應(yīng)地使用更多的相關(guān)檢測單元，直到提取出被檢測信息為止。

圖4 交叉自相關(guān)檢測原理圖

為了更好地理解所提出的技術(shù)與傳統(tǒng)相關(guān)方法的區(qū)別，分別用互相關(guān)法和自相關(guān)法對接收信號進(jìn)行處理。首先試驗(yàn)了互相關(guān)法應(yīng)用于Vs1的結(jié)果，說明該方法只能提取到末端信號的信息，而被檢測信號仍然被埋在強(qiáng)噪聲中。此外，在比較多個(gè)結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于檢測系統(tǒng)的頻率波動較小，用互相關(guān)法處理的結(jié)果波動較大，重現(xiàn)性很差。而從自相關(guān)法在Vs1和Vs2上的應(yīng)用結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)的自相關(guān)法無法從接收信號中提取出微弱的被檢測信號。

3 結(jié) 論

在移動平均法、互相關(guān)和自相關(guān)檢測方法的基礎(chǔ)上，提出了一種用于電磁超聲檢測系統(tǒng)發(fā)射和接收表面超聲信號的弱信號檢測技術(shù)。利用EMAT信號的重復(fù)性和噪聲的隨機(jī)性，提出的交叉自相關(guān)弱信號檢測技術(shù)能夠成功地提取出被強(qiáng)噪聲嚴(yán)重污染的弱檢測信號的信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，并得出如下結(jié)論。一是移動平均法能夠有效地對接收到的EMAT信號進(jìn)行預(yù)處理，比累積平均法具有更高的效率，二是采用兩個(gè)正交參考信號的互相關(guān)檢測方法可以有效地消除檢測結(jié)果的波動，從而大大提高檢測系統(tǒng)的檢測再現(xiàn)性，三是互相關(guān)和自相關(guān)檢測相結(jié)合的方法對微弱信號的檢測能力比單獨(dú)使用強(qiáng)得多，增加相關(guān)單元可以使EMAT被檢測信號的信噪比得到更大的提高。