相關匹配在超聲測厚信號特征提取中的應用

摘要：針對工件在超聲測厚過程中存在的超聲回波信號最大值或最小值位置偏移問題，采取相關函數位置匹配的方法，對回波信號進行數據處理。實驗結果表明：該信號處理方法不僅避免峰值時間提取特征值的局限性，而且能夠有效、準確地提取回波信號的特征值，對工件的厚度值能進行準確測量，并在工件實際檢測過程中得到較好的效果。關鍵詞：超聲波檢測；特征提取；相關函數；位置匹配

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）03-0096-03

0 引言

超聲測厚技術以靈敏度高、聲速指向性好、穿透能力強、對人體危害性小等優點在工業中得到廣泛應用。目前，超聲測厚系統基于脈沖反射式原理，選取兩次回波的最大值或最小值作為特征值來計算工件的厚度值；然而，在超聲自動檢測工件厚度的過程中，由于檢測工藝的復雜性，會造成超聲回波信號最大值或最小值位置偏移，導致超聲回波信號的特征值不能準確提取，進而使得工件的厚度值不能準確測量，影響了出廠產品的工作性能。因此，準確提取超聲回波信號的特征值具有重要意義。

文獻[1]針對峰一峰值法的局性引入功率譜估計的方法對工件的厚度進行了計算；文獻[2]提出小波變換的方法，研究了超聲測厚信號的特征提取技術。本文針對峰值時間提取回波信號特征值的局限性，提出了相關函數位置匹配的方法，并把該信號處理方法用于超聲測厚自動檢測過程中。

1 工件結構及檢測方法

如圖l所示，當檢測工件時，探頭在圓周截面上垂直于工件正下方，且測量時采用噴水式水浸法，探頭不直接與工件接觸，超聲波通過水柱進行發射和接收。由于超聲傳感器端面到達內外壁距離不同，接收到的內外壁表面回波時間也不同。因此，根據超聲傳播到內外壁的時間和超聲在工件中的聲速，可以計算出傳感器端面到內外壁距離，進而求得工件的壁厚ι=v△t/2，其中v為超聲波在工件中的傳播速度。

2 回波信號分析

圖2為采集的兩組不同情況的典型回波信號，Al、A2分別是被測工件的內壁一次回波和內壁二次回波，根據脈沖回波法原理，通常選取內壁兩次回波信號中最大值或最小值作為特征值，計算兩次回波信號中特征值之間的時間差確定兩次回波中的時間差，進一步計算被測工件的厚度值。

然而，在實際檢測過程中，所測數據存在識別的最大值與應取的最大幅值不統一或識別的最小值與應取的最小幅值不統一等情況，即超聲回波信號的最大值或最小值的位置發生偏移，致使超聲回波信號中最大值或最小值的特征值不能準確提取。

根據峰值時間提取的方法及每次回波波形的相似性，如果在Al取Pl幅值處，則A2應取Ql幅值處，如果在Al取P2幅值處，則A2應取Q2幅值處。

然而實際測量中，A1及A2識別的幅值位置不能一一對應，如圖2（a）A1的Pl處幅值大于P2處幅值，而A2的Q2處幅值大于Ql處幅值；圖2（h）Al的Pl處幅值小于P2處幅值，而A2的Q2處幅值小于Q1處幅值。如果采取最大值為特征值提取圖2（a）回波信號的峰值時間，最小值為特征值提取圖2（h）回波信號的峰值時間，致使超聲回波信號不能準確提取，造成工件的厚度值不能準確測量。

3 方法原理及試驗研究

3.1 方法原理

已知長度為N的信號x（n），長度為M的信號f（n），N），具體實現步驟如下：

l）取f（n）信號的其中Ⅳ個點重新組成新的信號，即

Yi（n）=f（i+n），i≤n≤N+i-I

2）計算Y_i（n）與x（n）的相關函數r（i）

3）將i在[0，M-N+1]的范圍內變化，重復步驟2），得出所有的r（j）；

4）求出r（i）的最大值，并確定對應的位置m：

m={ilr（i）=max（r）}

即可得出，序列y_m是信號y匹配信號x的結果，即信號f中的y_m段是信號x的最佳匹配；

5）選取相關函數r（i）峰值時間來計算工件的厚度值。

3.2 回波信號的特征提取及結果分析

觀察圖2不同情況的超聲測厚回波信號，內壁一次回波與二次回波的波形十分相似。因此，在內壁一次回波最大幅值處選取長度為n的數據段x（n）作為匹配模板，用x（n）沿著回波信號滑動，并計算匹配模板與回波信號f（n）之間的相似度，相似度最大處的回波數據段y（n）為x（n）的最佳匹配。

使用相關系數位置匹配的方法提取回波信號的特征值，首先需要獲得匹配模板，若匹配模板的長度取得太長，則在測量較薄的工件厚度時，即內壁一次回波與內壁二次回波距離相對較近的情況下，匹配模板同時覆蓋一次回波與二次回波，不能進行準確匹配；若匹配模板的長度取得太短，則容易在內壁一次回波的范圍內取得較大的相關系數。以圖2（a）為例，圖3為匹配模板與待匹配超聲回波信號的疊加圖，其中x（i）為根據實際采集回波信號的有效波形選取的匹配數據段，且l≤i≤幾，即以內壁一次回波峰值最大處為中心，向前遍歷選取第1個零點處為匹配模板的起點，向后遍歷選取第2個零點處作為匹配模板的終點。

圖4為匹配數據段x（n）與界定在一定范圍內的回波信號f（n）求取的相關函數示意圖，其中To、T1、T2處分別為匹配數據段與內壁一次回波，即匹配模板本身、二次回波、三次回波求取的相關函數最大值處，可根據To、T1或T2處對應的時間來計算工件的厚度值，即式中v為超聲波在工件中的傳播速度。

表1為圖2不同情況的典型回波信號通過峰值時間及相關函數處理后的厚度測量值，并與工件示值進行比較，可以看出相關函數位置匹配的方法解決了回波信號最大值或最小值位置偏移的問題，測量結果更接近工件示值。

3.3 相關系數提取特征值在實際檢測的應用

把相關函數位置匹配的方法用于實際超聲測厚過程，來獲取工件的厚度測量值。圖5為超聲回波信號分別通過峰值時間提取和相關函數位置匹配處理后，工件某一條軸線的厚度分布曲線，可看出其趨勢基本一致。然而，R所指的部分經過峰值時間提取存在回波信號最大值或最小值位置偏移的問題，而相關函數位置匹配的方法解決了該問題。實驗結果表明，該處理方法不僅保證了測量數據的準確度，而且不影響工件在實際超聲測厚過程中的檢測效率。

4 結束語

本文采用相關函數位置匹配的方法對超聲回波信號進行處理，實現了工件厚度的全面準確測量。實驗結果表明，該信號處理方法解決了超聲回波信號中最大值或最小值位置偏移的問題，不僅提高了測量準確度，而且在實際檢測中也不影響工件的檢測效率。

該方法可以根據具體情況選擇匹配數據段，因為回波信號的峰頂和峰底波形變化較大，因此可以把峰頂和峰底作為匹配用的數據段。

參考文獻

[1]王振江，基于超聲的筒狀物體測厚系統研究[D]，太原：中北大學，2010.

[2]劉曉蕾，基于小波分析的超聲測厚信號特征提取技術研究[D]。太原：中北大學，2010.