粗晶材料超声检测中的非线性信号处理

　　0　引言

　　粗晶材料在现代工业中的应用越来越广泛。粗晶材料的超声波探伤一直是无损检测的一个难题,主要原因如下:①严重的衰减;②大量的散射干扰噪声,导致信噪比很低。为了提高信噪比,增加粗晶材料超声检测的可靠性,人们在采取声学方法、信号处理方法或其他措施提高信噪比或从噪声背景中识别有用信号方面做了大量的工作[1~3]。在粗晶材料数字信号处理方法中,主要围绕增强信噪比展开,如信号平均、自相关和互相关、滤波技术、时域卷积、频率相关、自回归分析、频谱分析及时频分析等信号处理方法都获得过应用。粗晶材料的超声检测中,晶粒散射引起的噪声和材料缺陷对超声波的反射信号具有不同的频谱特性,这是通过数字信号处理手段提高信噪比的根据。由于材料缺陷对超声的反射信号表现为时变非平稳信号,单纯的时域分析或频域分析都不是理想的方法。近年来发展起来的非线性信号处理技术能大大适应非稳态信号处理的需要,如时频分析技术,它是在时间、频率二维坐标构成的平面上分析信号的时变特性,是分析非平稳信号的有力工具。

　　本文提出了一种基于瞬时频率和超声信号空间投影特点的超声信号处理方法,充分利用超声信号中的信息,抑制结构噪声,改善超声信号的信噪比,提高粗晶材料超声无损检测的检测能力。

　　1　超声信号的瞬时频率

　　在工业超声探伤仪中,通常是以预先充电到高压的电容突然放电来产生超声发射脉冲,信号波形是单频载波脉冲信号,其波形数学表达式为

　　式(3)中后一项是噪声的频域表达式。由式(3)可以看出,在缺陷脉冲宽度(脉宽设为Δt)内每一时刻ti上,超声信号具有特定的瞬时频率,其值等于缺陷信号的中心频率ωc[4],而噪声信号的　　瞬时频率是随机值,于是我们就可以根据超声信号在缺陷和噪声处瞬时频率的不同来对超声信号进行处理。

　　2　基于瞬时频率的超声信号处理原理

　　如图1所示,收发共置的超声探头在工件表面上做等间距(dx,本文取2mm)扫描,在每一位置点超声探头发射一个超声脉冲并接收物体内部各点的反射回波,得到一列信号。在整条扫描直线上,超声探头按照“扫描-采样-扫描”的方式工作,得到一个信号矩阵。图1中,oy表示深度方向,ox表示试块表面方向,i表示深度方向的采样点数(本文i为1~400,每两采样点间的距离为　　dy),j表示工件表面探头检测的位置。

　　由于超声探头具有指向性,对于图1所示的重建点Q(i,j),只有当探头在j-N到j+N之间时,采集的数据才反映缺陷点的信息。在进行数据处理时,N意味着最大综合孔径,N的值由Q(i,j)的横坐标i和探头的指向性确定。而探头的指向特性与其孔径及发射、接收的声波波长有关,当孔径为D,工作波长为λ时,其半功率角为