數字超聲檢測中噪聲處理的研究

王子瑜

摘 要： 噪聲是數字超聲檢測的主要障礙。本文建立了數字超聲系統物理模型，對不同類型噪聲采用了不同的技術處理方法，主要介紹了信號平均技術和自適應濾波技術。

關鍵詞： 數字超聲系統 噪聲 處理方法

1.概述

超聲無損檢測中，特別是在檢測粗晶材料的過程中，由于缺陷信號被噪聲污染，甚至淹沒，直接從噪聲中區分缺陷信號十分困難。傳統上人們采用改善工藝和探頭提高缺陷的檢出率，但是這些方法有一定局限性，所以人們把更多的精力花在超聲信號的處理上。

數字超聲檢測中噪聲可以分為聲學噪聲和非聲學噪聲。

非聲學噪聲主要包括電子電路噪聲、振鈴噪聲和脈沖噪聲等。這里主要討論電子電路噪聲（簡稱電噪聲）。電噪聲源于儀器電路中的隨機擾動，比如電路中元器件的電子熱運動，半導體器件中載流子的不規則運動等。電噪聲是一種連續型隨機變量，即在某一時刻出現各種可能數值。

聲學噪聲主要是材料噪聲，一般是指材料晶界散射引起的微結構噪聲，它的幅度和到達時間是隨機的，往往對缺陷信號造成干擾，甚至將目標信號完全淹沒。晶界回波不同于電噪聲，它是靜止的、相關的，在掃描過程中，若換能器不動，則不同次采樣中的材料噪聲近乎相同。

2.數字超聲系統物理模型

數字超聲系統的建立現代化的信號處理技術大多數是針對數字信號的。將模擬信號經模數轉換后變成數字信號，就可使用各種各樣的數字信號處理技術對其進行處理。能夠用計算機及軟件技術進行信號處理，是數字超聲系統優于模擬超聲系統之處，使數字系統比模擬系統靈活、適應面廣，大大提高超聲無損評價的能力，所以近年來受到很大重視。同時數字超聲系統可以解決各種各樣的噪聲的問題。這里我們建立了一個10MHZ的數字化超聲系統。該系統由探傷儀、數字信號處理器（DSP）、試件和計算機及軟件包組成，如圖1所示。對于常規的探傷任務，可由超聲波探傷儀直接完成。當缺陷信號微弱淹沒于噪聲不易判斷時，將探傷信號導入計算機，由軟件完成信號的分析和判斷。

圖1 數字超聲系統

3.對電噪聲的處理

數字超聲系統中的電噪聲，源于儀器電路中的隨機擾動，比如電路中元器件的電子熱運動，半導體器件中載流子的不規則運動等。可認為它們基本屬于具有各態歷經性的廣義平穩隨機過程。它還具有很寬的頻率范圍，有時電噪聲大大降低了微弱超聲信號的信噪比。

電噪聲是一種連續型隨機變量，即在某一時刻可能出現各種可能數值，一般用統計特征量如數學期望、方差表征。其用數學模型：

p（n■

其中p（n）是指概率分布密度。

常見的電噪聲是白噪聲，此時噪聲具有平坦的功率譜密度。一般認為不同次測量得到的噪聲是不相關的，消除這種噪聲可以采用信號平均技術。

4.對材料噪聲的處理

材料噪聲最具代表性的是粗晶奧氏體不銹鋼的超聲反射信號，此時超聲探傷儀顯示屏上出現大量的草狀回波，微小缺陷回波完全被噪聲淹沒而不易檢測。為了提高噪聲材料的超聲波檢測性，提高信噪比，提高缺陷目標的檢出率。采用雙晶片斜探頭或聚焦探頭可以提高某一深度附近缺陷的檢出能力，但是由于這種方法的局限性，所以人們把更多的精力花在超聲信號的處理上。

4.1對超聲回波信號的分析

用回波信號的特性分析超聲回波信號，可以得出兩個重要的特點：

（1）相近性。對于不同位置的回波信號，波型相近。

（2）相關性。對于同一裝置，同一對象而言，超聲回波信號隨界面距離的改變只有強弱的變化，而波型變化不大，換句話說，回波信號之間是密切相關的。

4.2自適應濾波技術

自適應濾波原理如圖2所示。由圖2可知，在回波信號s（t）+n′（t）中濾去噪聲信號n′（t）得到缺陷信號s（t）。但在實際中自適應濾波技術要求有一個參考信號，實際處理時當參考信號中包含的真實缺陷信號和待處理信號中，缺陷信號的相關程度比參考信號和待處理信號之間噪聲信號的相關程度強時，能有效地提高信噪比。參考信號可取空間平均技術中的另一個信號，也可取原信號的時延。使用得當，自適應濾波技術可以將0～10dB的信噪比提高5dB～10dB。一般而言，保持輸出脈沖的功率不變，周期地改變探頭的孔徑，這時，結構噪聲保持常數，缺陷信號幅度會被調制，從而可區分缺陷和噪聲，這便是噪聲濾波的根據。

圖2 自適應濾波原理圖

其中s（t）+n′（t）指缺陷信號和噪聲信號，n（t）指噪聲信號（或參考信號）。

根據自適應濾波原理在數字超聲探傷儀中軟件設計的總體框架如圖3所示，利用自適應濾波技術去除粗晶材料的晶粒噪聲，超聲回波能容易判斷缺陷的存在及其位置，得到缺陷信號。

圖3 軟件設計的總體框架圖

5.結語

本文分析了超聲檢測中遇到的各種噪聲，建立了數字超聲系統物理模型，并對不同噪聲采用不同的方法進行去除，主要介紹利用信號平均技術和自適應濾波技術有效去除電噪聲和材料，并且保持信號的有用分量不受濾波影響。

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