空氣耦合超聲檢測中脈沖壓縮方法的參數(shù)選優(yōu)

周正干，馬保全，孫志明，周暉，黃姿禹，劉晶晶

(1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京100191;2.上海飛機(jī)制造有限公司航空制造技術(shù)研究所，上海200436)

空氣耦合超聲檢測技術(shù)是一種以空氣作為耦合介質(zhì)的非接觸聲學(xué)檢測方法，被認(rèn)為是檢測與評價纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(即 CFRP，GFRP，GLARE)、蜂窩夾芯/泡沫夾芯結(jié)構(gòu)材料、金屬、耐溫陶瓷材料等質(zhì)量的有效手段［1-3］.空氣耦合條件下，由于空氣同檢測對象之間巨大的聲阻抗差及空氣對高頻聲波的高吸收率，造成接收信號微弱且信噪比低，提高空氣耦合條件下接收信號強(qiáng)度及信噪比是該技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用所面臨的首要問題.雷達(dá)系統(tǒng)中，為了提高檢測范圍及距離分辨率，基于相關(guān)運(yùn)算的脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從大時寬、低幅值信號向小時寬、高幅值信號的轉(zhuǎn)換，有效解決了雷達(dá)距離分辨率與平均功率之間的矛盾.因此，具有諸多優(yōu)異特性的脈沖壓縮技術(shù)為空氣耦合超聲信號信噪比的提高提供了有效的參考手段，基于該技術(shù)建立的空氣耦合超聲檢測方法能顯著提高信號的魯棒性及檢測圖像的分辨率，并已應(yīng)用到醫(yī)學(xué)超聲領(lǐng)域［4］.國外針對脈沖壓縮方法應(yīng)用于超聲無損檢測領(lǐng)域的研究開展較深入［5］，目前常用的脈沖壓縮處理方法包括頻率調(diào)制脈沖壓縮技術(shù)和相位調(diào)制脈沖壓縮技術(shù).頻率調(diào)制脈沖壓縮技術(shù)已經(jīng)在超聲無損檢測領(lǐng)域獲得應(yīng)用(線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻等)［6-8］，尤其在醫(yī)學(xué)高精度超聲成像方面得到驗證［4，9］.相位編碼脈沖壓縮方法也是雷達(dá)信號處理的重要手段，相比頻率調(diào)制脈沖壓縮方法而言，相位編碼信號的調(diào)制更便捷，更容易獲得高主副比(主瓣旁瓣幅值比)的脈沖壓縮信號，因此該技術(shù)也已得到普遍重視和廣泛應(yīng)用，并逐步向超聲檢測領(lǐng)域推廣［10］.

在特殊復(fù)合材料的空氣耦合超聲檢測方面，應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)可使接收信號信噪比得到大幅提高，上述方法已被認(rèn)為是可行、可靠的信號處理手段，已成為空氣耦合超聲檢測技術(shù)的重要研究內(nèi)容之一.與脈沖壓縮方法在雷達(dá)信號處理技術(shù)中的成熟應(yīng)用不同，空氣耦合超聲檢測中超聲換能器激發(fā)出的超聲波信號與雷達(dá)信號有較大差異，針對脈沖壓縮參數(shù)的調(diào)整對超聲信號脈沖壓縮效果的影響并不十分明確，影響了該技術(shù)在空氣耦合超聲檢測領(lǐng)域的推廣應(yīng)用.為更好地利用脈沖壓縮方法來提高空氣耦合超聲信號信噪比，研究脈沖壓縮方法的參數(shù)選優(yōu)問題很有必要.

本文基于脈沖壓縮技術(shù)的基本原理及其在超聲檢測領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)過程，建立完善的空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)(并編制上位機(jī)C++算法實(shí)現(xiàn)超聲信號的實(shí)時脈沖壓縮處理).針對窄帶空氣耦合超聲換能器分別就線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻及相位編碼脈沖壓縮方法的關(guān)鍵參數(shù)(激勵信號時寬、帶寬、巴克碼位數(shù)及載波周期數(shù))對脈沖壓縮效果(主瓣峰值及信噪比)的影響開展實(shí)驗研究，進(jìn)而獲得脈沖壓縮參數(shù)的選取準(zhǔn)則.最后，以模擬缺陷的蜂窩夾芯復(fù)合材料試樣為對象，驗證參數(shù)選優(yōu)后的脈沖壓縮方法在空氣耦合超聲檢測中的實(shí)際應(yīng)用效果.

1 基本理論

1.1 脈沖壓縮處理技術(shù)原理及其實(shí)現(xiàn)

所謂脈沖壓縮，就是采用寬脈沖發(fā)射以提高發(fā)射的平均功率，在接收時采用匹配濾波器進(jìn)行脈沖壓縮以獲得窄脈沖信號，進(jìn)而提高檢測能力的同時又不失距離分辨力［11］.發(fā)射脈沖寬度t與壓縮后系統(tǒng)有效脈沖寬度t0的比值，稱為脈沖壓縮比，即

因為脈沖壓縮后的有效脈沖寬度t0=1/B(B為調(diào)制信號帶寬)，所以上式可寫成:

即脈沖壓縮比等于信號的時寬帶寬積.

匹配濾波器的作用是處理系統(tǒng)通過匹配濾波過程對輸入的信號進(jìn)行一次相關(guān)運(yùn)算.在輸入為已知信號及白噪聲時，所得輸出信噪比最大的線性濾波器就是匹配濾波器.假設(shè)參考信號為us(t)，與參考信號相關(guān)的接收信號為xs(t)，對接收信號進(jìn)行脈沖壓縮處理過程如圖1所示.基于相關(guān)性原理，兩相關(guān)信號的脈沖壓縮過程實(shí)際上是接收信號xs(t)與參考信號的匹配濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算，其中匹配濾波器的頻率特性函數(shù)實(shí)際上是參考信號頻譜的共軛.為提高數(shù)據(jù)處理效率，實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時處理，卷積運(yùn)算一般通過頻域點(diǎn)乘來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)傅里葉逆變換獲得時域脈沖壓縮信號.

圖1 接收信號的脈沖壓縮原理Fig.1 Pulse compression principle of received signal

基于上述原理，對超聲信號進(jìn)行脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)過程主要分為以下幾個步驟:

1)編制合理的激勵信號來激發(fā)超聲換能器，同時對激勵信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，存儲變換后的數(shù)據(jù)作為參考信號;

2)基于參考信號獲得匹配濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)(即對激勵信號頻域上的各點(diǎn)取共軛);

3)對超聲接收信號采樣點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換，并與匹配濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)在頻域點(diǎn)乘;

4)將點(diǎn)乘后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉逆變換(IFFT)，獲得脈沖壓縮后的時域信號.

1.2 三大脈沖壓縮處理技術(shù)

1.2.1 線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)

線性調(diào)頻(LFM)是超聲信號脈沖壓縮中的常用調(diào)制手段.線性調(diào)頻信號激勵超聲發(fā)射換能器，通過匹配濾波器(matched filter)對接收到的透射信號進(jìn)行壓縮處理，可得到滿足要求的檢測信號［12］.LFM信號(也稱Chirp信號)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為［7］

式中，A為信號幅值;f0為基頻(選擇換能器中心頻率);T為調(diào)制信號時寬.線性調(diào)頻信號斜率K為

當(dāng)選定調(diào)制信號時寬T，調(diào)制信號帶寬B，則調(diào)制信號瞬時頻率以斜率K做線性變化.在超聲檢測中，一般需要調(diào)整時寬T和帶寬B來獲得最佳的脈沖壓縮效果.

1.2.2 非線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)

由于線性調(diào)頻方法產(chǎn)生的激勵信號瞬時頻率呈線性增加，信號頻帶與換能器頻帶相符程度不高.非線性調(diào)頻(NLFM)信號是線性調(diào)頻信號的一種改進(jìn)，使調(diào)制后信號頻帶與換能器頻帶接近，從而能使換能器在各個頻段都能輸出最高的能量，大大提高了脈沖壓縮信號主副比［8］.NLFM信號是按特定的信號幅度譜來生成，假設(shè)以相角函數(shù)表示的非線性調(diào)制信號為

式中φ(t)為相角函數(shù).根據(jù)相位逗留原理，求得激勵超聲換能器的非線性調(diào)頻信號us(t)為

其中T(f)為群延時函數(shù)，表達(dá)式為

式中S(v)為調(diào)制信號幅度譜，通過對超聲換能器掃頻獲得.根據(jù)設(shè)定的調(diào)制時寬T確定邊界條件T(f1)=0，T(f2)=T，可得常數(shù)項 C1，C2.

將非線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)應(yīng)用于超聲檢測時，由于換能器頻譜分布特性已知，只要設(shè)置不同調(diào)制時寬T，即可獲得一系列不同的激勵信號.

1.2.3 相位編碼脈沖壓縮技術(shù)

常用的相位編碼方式有巴克碼、互補(bǔ)格萊(Golay)碼、M 序列、Taylor碼、弗蘭克碼等.選擇相位編碼的依據(jù)是其自相關(guān)函數(shù)旁瓣幅值足夠小，使主副比盡可能小.二相巴克碼信號具有良好的自相關(guān)特性及噪聲抑制特性，被認(rèn)為是一種獲得最小時域旁瓣的有效編碼方式［13-14］.二相編碼信號的復(fù)包絡(luò)可表示為

式中，v(t)為子脈沖函數(shù);tp為子脈沖寬度;N為子脈沖個數(shù);T=N·tp為二相編碼信號持續(xù)時間.相位編碼調(diào)制信號是離散偽隨機(jī)信號，二相編碼信號的頻譜函數(shù)主要是由子脈沖函數(shù)的頻譜決定，其帶寬近似等于子脈沖的帶寬［15］，即B=1/tp，因此時寬帶寬積 D=T·B=N，當(dāng)改變時寬(或帶寬)時，帶寬(或時寬)相應(yīng)發(fā)生變化，時寬帶寬積D僅與子脈沖個數(shù)N有關(guān).常規(guī)二相巴克碼有2，3，4，5，7，11，13 位等(如表1 所示).

表1 不同碼長的巴克碼序列及其主副比Table1 Different length Barker code sequence and the corresponding main to side lobe ratio

2 實(shí)驗分析

2.1 穿透式空氣耦合超聲檢測原理及實(shí)驗系統(tǒng)

實(shí)驗采用的空氣耦合超聲檢測方法為穿透法.穿透法是將兩個換能器分別置于被檢測試件的兩側(cè)，一個探頭發(fā)射超聲波，另一個探頭接收透射波，根據(jù)超聲波穿透試件后的能量變化來判斷試件內(nèi)部質(zhì)量.空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖2所示，包括任意信號發(fā)生器、功率放大器、500 kHz空氣耦合超聲換能器(NCG500-D13)、濾波與前置放大器、含有數(shù)據(jù)采集卡的上位機(jī)，其他還有運(yùn)動控制系統(tǒng)、掃查架等.

圖2 空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)基本構(gòu)成Fig.2 Basic construction of air-coupled ultrasonic testing system

2.2 脈沖壓縮方法各參數(shù)選優(yōu)實(shí)驗

2.2.1 線性調(diào)頻脈沖壓縮

針對線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)，需要分析不同時寬T、帶寬B對超聲信號脈沖壓縮效果的影響.設(shè)置一對空氣耦合超聲換能器的間距為25 mm，中間無試樣，激勵電壓127 V，增益65.9 dB.

1)時寬的影響.

時寬 T從 10～270 μs每隔20 μs選值一次，獲得14種不同時寬脈沖壓縮前后的主瓣峰值比，如圖3所示.主瓣峰值比隨著時寬的增加逐漸增大并且呈近似線性增加.

圖3 不同時寬條件下線性調(diào)頻脈沖壓縮前后主瓣峰值比Fig.3 Main lobe peak ratio between compressed signal and original signal under different time-width in LFM pulse compression process

2)帶寬的影響.

帶寬 B 從0.2 ～1.2 MHz每隔 0.2 MHz選值一次，時寬 T分別選取10，70和210 μs，獲得3 組定時寬變帶寬條件下的脈沖壓縮前后主瓣峰值比(如圖4所示).采用不同帶寬B的激勵信號激勵換能器，脈沖壓縮前后主瓣峰值比隨帶寬增加逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定.

圖4 不同帶寬條件下線性調(diào)頻脈沖壓縮前后的主瓣峰值比Fig.4 Main lobe peak ratio between compressed signal and original signal under different band-width in LFM pulse compression process

2.2.2 非線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)

非線性調(diào)頻脈沖壓縮中，由于換能器頻譜分布特性已知，時寬T是唯一能改變的參數(shù).為分析時寬T對脈沖壓縮效果的影響，設(shè)置激勵電壓為67 V，信號增益為 55.9 dB.時寬 T從 10～270 μs每隔20μs選值一次，獲得不同時寬條件下的脈沖壓縮前后主瓣峰值比，如圖5所示.

圖5 不同時寬條件下非線性調(diào)頻脈沖壓縮前后的主瓣峰值比Fig.5 Main lobe peak ratio between compressed signal and original signal under different time-width in NLFM pulse compression process

脈沖壓縮前后主瓣峰值比隨著時寬T的增加呈近似線性增長，因此，在選擇非線性調(diào)頻脈沖壓縮參數(shù)時，應(yīng)盡可能選擇大時寬的調(diào)制信號.

2.2.3 相位編碼脈沖壓縮技術(shù)

1)不同位數(shù)巴克碼序列的脈沖壓縮效果.

保持上述實(shí)驗條件不變，采用碼元為正弦的巴克碼序列(碼長分別為2，3，4，5，7，11，13)激勵換能器，對各自接收的回波信號進(jìn)行脈沖壓縮處理，得到脈沖壓縮前后主瓣峰值的變化如圖6所示.

圖6 不同位數(shù)巴克碼序列脈沖壓縮前后主瓣峰值Fig.6 Main lobe peak of pulse compressed signal with different length Barker code and unprocessed signal

由圖6可知，脈沖壓縮前，接收信號主瓣峰值隨巴克碼位數(shù)的增加呈類階梯狀增大，經(jīng)匹配濾波之后，輸出信號主瓣峰值以及脈沖壓縮前后主瓣峰值比也隨著巴克碼位數(shù)的增加逐漸增大，當(dāng)巴克碼序列位數(shù)為13時，主瓣峰值達(dá)到最大.

2)不同周期13位巴克碼的脈沖壓縮效果.

采用1～6個周期載波巴克碼信號激勵換能器(以2 周期為例，其序列 Ck={1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，－1，－1，－1，－1，1，1，1，1，－1，－1，1，1，－1，－1，1，1}，其他周期編碼方式以此類推)，獲得不同周期數(shù)的13位巴克碼序列的脈沖壓縮效果如圖7所示.

圖7 不同周期13位巴克碼脈沖壓縮前后主瓣幅值變化Fig.7 Main lobe peak ratio between compressed signal with different cycle 13 bit Barker code and original signal

由圖7可知，載波周期增大時脈沖壓縮信號主峰值不斷提高，1～3周期獲得的脈沖壓縮信號主峰值從17.79 V變?yōu)?02.2 V.而隨著載波周期數(shù)的不斷增大，主瓣和旁瓣開始變得難以分辨.因此，采用多周期載波13位巴克碼信號作為超聲激勵信號時，可盡量選擇多個周期載波信號，但同時要兼顧信號主副比，保證脈沖壓縮后的超聲透射信號易于識別，使其滿足C掃描檢測要求.

2.3 有試樣時脈沖壓縮方法的檢測性能對比

2.3.1 試樣準(zhǔn)備

在一塊無缺陷的碳纖維蒙皮-鋁蜂窩夾芯復(fù)合材料表面，按從大到小的順序分別粘接不同的厚紙片以模擬蜂窩夾芯材料中的缺陷.試樣尺寸及缺陷布置如圖8所示，蜂窩試樣光學(xué)照片如圖9所示(蜂窩芯厚12 mm，蒙皮厚1 mm).

圖8 試樣尺寸及缺陷布置Fig.8 Specimen size and defect allocation

圖9 蜂窩夾芯復(fù)合材料試樣照片F(xiàn)ig.9 Photograph of honeycomb composite sample

2.3.2 透射信號能量及信噪比對比

根據(jù)上述結(jié)果可知，線性調(diào)頻脈沖壓縮參數(shù)選取應(yīng)遵循大時寬、小帶寬的原則;非線性調(diào)頻脈沖壓縮參數(shù)僅由時寬決定，應(yīng)選擇盡量大的時寬;相位編碼脈沖壓縮參數(shù)在選擇13位巴克碼且載波周期數(shù)為3時可獲得良好的脈沖壓縮效果.用于對比的3種脈沖壓縮參數(shù)設(shè)置如表2所示.

表2 脈沖壓縮性能對比的參數(shù)設(shè)置Table2 Parameters for comparison experiments of pulse compression efficiency

利用表2中給出的參數(shù)對上述3種方法進(jìn)行有試樣條件下的脈沖壓縮效果對比.3種方法所用換能器激勵電壓均為 200 V，增益均為103.9 dB.脈沖壓縮處理前，接收信號中的透射始波幾乎全被噪聲淹沒，采用不同脈沖壓縮方法后的信號如圖10～圖12所示，從各圖中都能識別透射始波.

圖10 線性調(diào)頻脈沖壓縮后的信號Fig.10 Pulse compressed signal with linear frequency modulation method

圖11 非線性調(diào)頻脈沖壓縮后的信號Fig.11 Pulse compressed signal with non-linear frequency modulation method

圖12 相位編碼脈沖壓縮后的信號Fig.12 Pulse compressed signal with phase code modulation method

脈沖壓縮后的透射超聲信號信噪比如表3所示.由表3可知，相位編碼脈沖壓縮信號信噪比明顯優(yōu)于線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻脈沖壓縮方法的信噪比.

表3 脈沖壓縮后的透射超聲信號信噪比(SNR)Table3 Signal to noise ratio(SNR)comparison of pulse compressed signal of through-transmitted ultrasound

2.3.3 蜂窩夾芯試樣的C掃描檢測

按照表2中的參數(shù)對不同脈壓處理后的透射始波設(shè)置閘門進(jìn)行 C掃描檢測，成像對比如圖13～圖15所示.由圖13～圖15可知，相位編碼脈沖壓縮方法獲得的C掃描圖中對缺陷及蜂窩芯格的識別能力明顯優(yōu)于線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻脈沖壓縮方法的識別能力.

圖13 線性調(diào)頻脈沖壓縮C掃描成像結(jié)果Fig.13 C-scan result based on linear frequency modulation pulse compression process

圖14 非線性調(diào)頻脈沖壓縮C掃描成像結(jié)果Fig.14 C-scan result based on non-linear frequency modulation pulse compression process

圖15 相位編碼脈沖壓縮C掃描成像結(jié)果Fig.15 C-scan result based on phase code modulation pulse compression process

3 結(jié)論

1)針對窄帶空氣耦合超聲換能器，線性調(diào)頻脈沖壓縮方法中激勵信號的設(shè)計應(yīng)遵循大時寬、小帶寬的原則;非線性調(diào)頻脈沖壓縮效果僅由時寬決定，應(yīng)選擇盡量大的時寬，但激勵信號時寬不能太大以防止損壞超聲換能器;相位編碼脈沖壓縮方法中選擇13位巴克碼時獲得優(yōu)良的脈沖壓縮效果.隨著巴克碼載波周期數(shù)的增大，脈沖壓縮主瓣峰值不斷提高，而對透射信號主瓣的識別能力變差，一般選3周期即可.

2)采用脈沖壓縮方法檢測高聲衰減的復(fù)合材料時，在同等激勵電壓及接收信號增益條件下，相位編碼脈沖壓縮信號獲得最高的透射信號主瓣幅值和信噪比，且獲得的C掃描成像效果明顯優(yōu)于線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻脈沖壓縮方法的成像效果.

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