自適應濾波在不銹鋼超聲檢測上的應用

郭北濤 李耀鵬

摘要：介紹了奧氏體不銹鋼在超聲檢測中具有檢測難度大，信噪比低的缺點，給出了超聲檢測系統的軟硬件總體構成，包括以計算機為核心，利用FPGA強大邏輯處理能力，實現超聲檢測信號的發射接收，采集處理，數據存儲、顯示和輸出等。為了有效解決在強噪聲背景下提取微弱超聲信號的問題，設計了一種易于軟硬件實現的基于LMS自適應算法的改進型濾波器。實驗結果表明，該濾波器能更有效抑制強噪聲，提取有效弱信號，并能進一步提高自適應濾波器的魯棒性、收斂速度和檢測精度。

關鍵詞：超聲檢測;LMS算法;自適應濾波

引言

奧氏體不銹鋼被廣泛應用于石油化工和核工業等領域，因此對奧氏體鋼零部件進行無損檢測是保證產品質量和安全運行不可缺少的工序。但是奧氏體鋼的超聲檢測是有一定困難，主要在于：奧氏體鋼冷卻時不發生相變，易形成粗大的枝狀晶粒;面心立方晶格對雜質的較小固溶度使晶界夾雜濃度大大增加，使得奧氏體不銹鋼對超聲信號的散射很大;散射使信號的衰減增大，使缺陷信號的強度大大降低，被粗晶粒的相干散射信號的湮沒，使小缺陷檢測信號較難從雜亂的噪聲中識別，使得信噪比較低?。

針對不銹鋼信噪比低造成誤檢率和漏檢率上升的現象，人們目前主要從兩個方面來增加粗晶材料超聲檢測的可靠性和檢測能力。一是制作寬帶聚焦式探頭以提高某一深度區間的檢測能力;二是利用數字信號處理技術增強粗晶材料的信噪比，提高檢測能力，如反卷積法、頻譜分析法、時頻分析法、小波包去噪技術、模糊控制技術和神經網絡技術等。本文著重從易于軟硬件實現的一種基于LMS算法（最小均方誤差算法least-mean-square）的自適應濾波方法進行研究。結果表明，此方法能夠有效抑制材料噪聲，明顯增強缺陷信息。

1.超聲檢測系統總體方案

超聲探傷系統的工作原理為：通過發射電路，產生高壓尖脈沖激勵超聲探頭產生相應頻率的超聲波，工件返回的超聲波通過放大電路進行信號放大，放大后信號經過濾波電路進行去噪。FPGA對電路進行邏輯控制和數據存儲。FPGA通過PCI總線橋接芯片PCI9054連接到PCI總線。上位機通過總線控制超聲波發射、信號接收、放大濾波、數據采集、顯示和數據處理等一系列的操作。

基于虛擬儀器技術的圖形化語言LabVIEW?軟件的功能強大，集成度高，程序運行速度快、性能穩定，人機交互界面簡潔明了。用戶可以使用LabVIEW在電腦屏幕上創建一個圖形化的用戶界面，即可設計出完全符合自己要求的虛擬儀器。通過這個圖形主控界面，使用者可以進行超聲檢測的相關操作如設置硬件、分析采集到的數據和進行測試曲線顯示等?。采用了模塊化的設計思想，各個模塊分別執行相應的功能。

根據功能要求，整個超聲檢測系統的軟件主要包括以下兩大部分：①系統對硬件的管理：如對FPGA參數配置包括模擬處理板的參數控制、DAC增益控制、數字處理板的參數控制、系統報警控制、發射延遲參數調節等參數設置;②系統軟件編制部分：包括信號處理的自適應濾波算法;探傷波形實時處理如檢波方式、雜波抑制參數、峰值包絡方式、跟蹤閘門等;波形顯示包括探傷波形顯示、界面顯示和網絡化等。

2.自適應濾波算法

將自適應應用于微弱信號處理中，濾除晶粒噪聲的影響，以期提取出有用的信號。自適應濾波器與普通濾波器相比，有兩個重要的特點：①自適應濾波器的濾波參數（系數）能隨著外界信號統計特性的變化而動態地調整，始終保持最佳的濾波狀態，實現最優濾波。②自適應濾波器除了濾波器的硬件以外還包括算法，算法是自適應濾波器的基礎，自適應濾波算法決定了濾波器如何根據外界信號的變化來調整自身的參數（系數），自適應算法的好壞直接影響著濾波效果?。

最小均方（least-mean-square，LMS）誤差算法因其結構比較簡單，涉及到的計算量小，系統的魯棒性強，易于用軟硬件實現，因而在實踐中被廣泛采用。

LMS算法的濾波器輸出為：

（1）

其中：

（2）

（3）

是期望輸入向量，是濾波器權因子。

當N較小時可由式（1）直接計算得到最優解，但當N較大時，因含有矩陣求逆運算，計算量將變得很大。為了減小計算量另一種改進算法為：通過對濾波器權系數進行修正，使濾波器的輸出信號與期望信號之間的均方誤差最小，得到LMS算法的另一表達式：

（4）

其中：

（5）

（6）

（7）

是歸一化收斂因子，是濾波器系數的個數，是輸入信號功率估計，是用以降低過去輸入影響的“遺忘因子”。為了保證LMS算法的收斂性，其收斂因子必須在如下范圍內選取。

（8）

式中，是輸入信號自相關矩陣的最大特征值。

3.結論

為了驗證系統采集超聲信號的效果，?選擇縱波直探頭25Z20N，超聲信號進行采集，?然后運用自適應濾波器對超聲信號進行濾波。可得到平滑收斂性好且精度高的超聲檢測曲線，?表明自適應濾波對超聲信號具有良好的濾波效果。濾波器具有了更高的跟蹤能力，更好的濾波效果和較為理想的測試精度。適用于對超聲信號降噪并對后期的缺陷信號的準確定量和定性分析具有重要作用。