基于相关技术的超声检测信号处理

　　相关技术是一门边缘科学,以信息论和随机过程论为理论基础,随着信息科学飞速发展,相关技术在计算机、微电子、无损检测和人工神经网络等领域应用日益广泛。所谓相关是反映事物或过程中两种特征量之间联系的紧密性。利用相关技术可把湮没在噪声中的微弱超声检测信号提取出来,以提高缺陷信号的信噪比。

　　在超声无损检测中,脉冲回波法由于具有被检测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、结构简单和检测速度快等优点,多年来一直是主要的检测方法。它是利用反射体反射超声波的幅值及其出现的时间来反映反射体的大小及位置,其发射脉冲周期T0(脉冲重复频率f0)必须满足

　　式中　Rmax———最大检测距离

　　C———超声波速度

　　如果发射的脉冲宽度为Δτ,则其检测的分辨率

　　文献[1]中给出发射的峰值功率Pe与平均功

　　率Pa之比为

　　式(1)表明,因为探头的峰值功率有限,使得检测距离与分辨率之比受到了限制,即要增加检测距离,就要降低分辨率;要提高分辨率,就要减小检测距离。所以使得脉冲回波法在应用中受到了限制,特别是在吸收力较强的材料中,如陶瓷和塑料等。

　　从信噪比角度分析,因为放大器的噪声与其带宽成正比,而脉冲回波法接收器的输入输出信号的带宽近似一致^[1],故信噪比增量SNRe没有得到很好的改善,即回波信号要明显大于噪声才能被检出。相关技术可通过增大积分时间,来增加接收器的信噪比增量,把湮没在噪声中的信号提取出来。因为它用随机信号作发射信号,相关接收器的输出信号带宽与积分时间成正比,与发射功率无关,提高检测范围和分辨率不需增加超声波发射峰值功率,所以比传统的脉冲回波法检测能力强,在高吸收力材料中效果更明显。

　　1　相关检测原理

　　1.1　信噪比增量SNRe

　　设y(t)为随机信号,由主信号x(t)与噪声信号n(t)组成,即y(t)=x(t)+n(t),如对该信号在时间T内进行采样、延时、积分和平均,显然采样次数N=T/T0,将各次采样结果相加后再平均可得^[2]

　　式(2)右端第一项是主信号,设为Ux,N次抽

　　样,每次抽样得到应是相同值,所以

　　式(2)右端第二项是噪声,设为Un,设其功率(即均方值估计)为

　　则噪声累加平均后,可得

　　显然,输入信噪比SNRi和输出信噪比SNRo分别为

　　因此信噪比增量SNRe为

　　由式(6)可知,信号的信噪比增量与积分时间的平方根成正比,与发射功率无关,在一定的脉冲重复频率下,积分时间越长,信噪比增量越大。