分离谱技术在超声衍射时差法信号处理中的应用

　　1 引 言

　　TOFD 超声波衍射时间差(time-of-flight-diffrac-tion, TOFD)测量技术[1]是一种可以精确定量的检测技术，该方法通过测量缺陷边缘的衍射超声波信号之间传播的时间差，对缺陷的位置和大小进行测量。该技术融合了超声波检测和射线检测的优点，能够对缺陷准确地定性和定量。在发达国家，TOFD检测技术近年来已被广泛应用于中厚板对接焊缝的检测与缺陷定量中，国内也在积极推进 TOFD 方法代替射线检测的标准。TOFD 法依赖于超声波与缺陷端部的相互作用而在较大角度范围内发射的衍射波，检出衍射波就能确定缺陷的存在，而信号传播的时间差就是缺陷高度量值。缺陷尺寸根据衍射信号传播的时间而非幅度来测量。因此，对端部衍射信号的时间差测量就成为TOFD缺陷定量的关键。但是超声信号容易受到材料的结构噪声以及仪器电噪声等噪声影响，且由于 TOFD 技术检测的是相对微弱且指向性差的衍射波信号，导致端点衍射回波容易被杂波所淹没或者波幅太低难以识别，使信号的时间差测量误差增大，从而使缺陷定量时的误差相应增大。因此，采用有效的信号处理方法来抑制噪声信号[2]，提高衍射回波信号的信噪比对缺陷定量以及 TOFD 成像就显得尤为重要。

　　目前，处理超声回波信号的方法有互相关法和小波变换法。当信号噪声为高斯白噪声，接收信号与参考信号一致时，互相关法比较适合[3,4]。小波变换在处理超声信号时用得比较广泛，但是，在低频信号时，它的时间测量精度低;在高频信号时，它的频率测量精度低。本文在分离谱技术的基础上采用最小值被选中次数加权算法去除TOFD检测信号中的结构噪声，与传统的带通滤波法相比，可以有效提高 TOFD 的定量精度。

　　2 分离谱技术的算法原理

　　超声检测信号中电噪声的幅度和相位均是随机的，而且各次测量所得的结果互不相关，采用基于时间平均的同步叠加法可以使干扰信号在很大程度上正负抵消。结构噪声是材料中的晶界及组织不均匀对超声波的散射作用而引起的散射回波，它是与特定频率有关的相干噪声，当频率不同时，其幅度、相位等均有显著的变化。

    分离谱法[5,6]就是利用结构噪声和目标回波对频率变化敏感性上的差异而建立起来的解相关方法。当超声波频率变化时，材料结构引起的结构噪声回波幅度将发生较大的变化，而缺陷回波的幅度变化将相对较少。因此，若对 TOFD 探头发射的宽声束超声波信号进行谱分离，那么在不同频谱段的结构噪声回波信号幅度会有明显的不同，而缺陷回波的变化幅度则相对稳定，这样就可以利用分离谱技术来提高 TOFD 衍射信号的信噪比。分离谱算法的具体实现过程如图 1 所示。