在超声检测中使用DSP实现最大熵谱估计

    引 言 

    粘接工艺是现代工业尤其是国防工业越来越广泛应用的工艺技术, 但是由于粘接层间脱粘或粘接强度未达到设计要求而引发的各种灾难性事故时有发生, 因此, 粘接质量的监测与评价, 成为国际上超声检测一个极其重要的研究领域和前沿课题。常规的超声检测方法有穿透法、谐振法和脉冲回波法等,而脉冲回波法是超声技术中通用性较好的检测方法, 本课题主要采用回波法研究金属薄板和非金属复合材料的粘接质量情况。当超声波由发射探头传入金属薄板以后, 若界面粘接良好,只有很少的反射波被接收, 大部分透射进入非金属材料, 由于选用的非金属材料其声衰减性很强, 因此超声波被很快衰减掉; 若界面出现脱粘, 入射波几乎全部被反射, 并且脱粘越严重反射波越强。根据这一性质对回波信号进行分析,提取特征量。

    1 最大熵谱分析

    最大熵谱法是伯格在 1967 年首先提出的一种按最大熵外推相关函数的谱分析法, 他不认为观测数据以外的数据全为零, 没有固定的窗函数, 这样就克服了传统谱估计方法中由于数据窗的加入而带来的谱分辨率较低、出现频谱“泄漏”、弱信号的主瓣被强信号的旁瓣所淹没、产生假的谱峰等缺陷, 提高了谱的分辨率。最大熵谱估计的原理是根据已知数据信息, 在不进行任何新的假设的情况下, 合理地预测未知延迟离散时间上的相关函数, 也就是说在据已知信息外推相关函数时, 每一步都保持未知时间的不确定性或熵为最大。

    时间序列的熵率和信号功率谱间存在如下关系:

    相关函数序列和相应的功率谱可表示为:

    在足条件下可得到最大熵谱密度估计值

    2 最大熵谱估计在超声检测中的应用

    检测中我们将回波信号的衰减系数作为反映界面粘接质量的特征量, 在频域中对衰减系数进行估计的方法主要有三种, 即谱差法、谱移法、谱距法。研究中主要采用谱移法, 其原理是当发射波的频带为有限带宽时, 经过衰减后由于高频分量衰减多, 低频分量衰减少, 将导致其中心频率向低频方向移动。由于发射波为具有高斯包络的脉冲波其功率谱亦为高斯包络型,且以 fi为中心频率,即: 式中 Ai为常系数B为带宽;反射波的功率谱仍为高斯包络型,但其中心频率已移至0,。若可求得入射波和反射波的中心频率, 则可由式 求得衰减系数 β, 其中 d 是介质厚度, 研究中可根据中心频率移动的幅度大小判断缺陷的状态。因此, 谱移法要解决的关键问题是对回波中心频率的估计, 这里我们采用最大熵法对回波信号的功率谱进行估计。最大熵谱法克服了对已知数据之外做不合理假设的缺点, 比传统的谱分析更加符合实际, 具有高分辨率、谱线平滑、适用于短数据序列等优点。利用周期性的窄脉冲激励中心频率为 2.0MHz 的超声探头, 研究厚度为 4.0mm 的金属薄板与非金属材料的界面粘接质量。超声探头发射波是具有高斯包络的脉冲波, 回波中叠加有与信号不相关的白噪声。超声波在介质中传输时会有损耗, 主要表现为超声回波振幅的减小, 每一个回波群中各回波的最大幅度呈衰减趋势, 我们对一次激励后产生的回波群进行包络检波, 连续采样 128 点得到时域变化比较明显的衰减曲线如下图所示: