超聲無損檢測與評價中的信號處理及模式識別技術(shù)

安婧 蘭州文理學院

自改革開放以來，信息技術(shù)方面發(fā)展非常迅速，主要包括微機技術(shù)方面的發(fā)展、信息技術(shù)方面的發(fā)展、微電子技術(shù)方面的發(fā)展，這些行業(yè)的發(fā)展逐步帶動了其他相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展，尤其在超聲無損檢測技術(shù)行業(yè)，人們不斷的根據(jù)技術(shù)的發(fā)展和進步對信號處理以及模式識別技術(shù)進行著改革與升級，其中包括檢測手法的改進、檢測手段的更新以及檢測儀器的升級。超聲技術(shù)是無損檢測信號過程中所使用最多的信號處理技術(shù)，它的信號處理頻率一直穩(wěn)定在兆赫數(shù)量級，以往的技術(shù)對這些信號進行處理是非常具有挑戰(zhàn)性的。

近幾年，數(shù)字化信息化時代不斷地充斥著我們的耳膜，超聲無損檢測經(jīng)過數(shù)字化的處理或信息化的處理變得更加方便快捷準確，各式各樣的超聲無損檢測技術(shù)與信號處理及模式識別檢測技術(shù)不斷被人們研究出來。而且國內(nèi)外有大量學者或科研工作者從事超聲無損檢測與信號處理及模式識別技術(shù)的研究，不僅為超聲無損檢測與評價中的信號處理及模式識別技術(shù)提供了大量的科研材料，而且為無損檢測與信號處理識別領(lǐng)域注入了新鮮血液以及創(chuàng)新思想。另一方面來說，技術(shù)開發(fā)部門以及儀器制造基地將所研究的成果投入到工業(yè)化制作中，并對這些研究成果進行智能化的設(shè)計與數(shù)字化的設(shè)計，保證制造的儀器符合科研人員的預(yù)期思想，之后對生產(chǎn)的儀器進行檢測，保證儀器的準確性，從而在一定方面推動著我國經(jīng)濟技術(shù)的不斷發(fā)展。

超聲無損檢測與評價中的信號處理與模式識別技術(shù)的主要目的是：（1）對信號進行一定的篩選，選擇有用的信號進行增強處理，對稍弱的信號進行質(zhì)量方面的檢測，對信號進行適用性的截取。（2）對不同的信號進行測量，不同的信號得出不同的信號缺陷，并作出一定的分類，從而實現(xiàn)對信號的單獨檢測以及定量設(shè)計。此外，使用儀器中的檢測任務(wù)對發(fā)射出的信號進行特定的處理以保證信號達到最佳狀態(tài)，或者將這種信號作為超聲信號的處理類別。超聲無損檢測與評價中的信號處理與識別技術(shù)屬于學術(shù)類研究項目，具有非常大的潛力，提供的研究方法也比較具有實現(xiàn)的現(xiàn)實性，這類研究所提供的研究結(jié)果以及所給出的技術(shù)方案在實際工業(yè)應(yīng)用中還需要進一步的進行方案簡化與技術(shù)加工，而對應(yīng)的另一套研究方案就是通過現(xiàn)實的工業(yè)化進行生產(chǎn)以及升級方面的服務(wù)，主要是對儀器進行實時的改進，這種類型的處理方法相對比較簡單并且速度非常迅速，在保證質(zhì)量的前提下方便使用者的使用操作。因此，對這種信號處理以及模式識別進行綜合處理并且對這種處理的技術(shù)進行研究分析具有極其重要的意義。

1 增強目標信號

在使用超聲技術(shù)對信號缺陷的回波進行檢測的時候可能會受到來自各個方面的干擾作用，主要存在于兩大方面，首先散射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是材料的微結(jié)構(gòu)分布的不均勻?qū)е碌模热绱志W氏體不銹鋼，它里面的晶體顆粒展現(xiàn)的就是散射現(xiàn)象，再比如纖維增強型復(fù)合材料，它里面所包含的纖維散射現(xiàn)象以及混凝土中因為所含石料造成的散射現(xiàn)象等，并且這些散射現(xiàn)象所產(chǎn)生信號非常強，通過超聲對這種回波進行分辨是比較難以實現(xiàn)的。其次可能被測物體的表面結(jié)構(gòu)或者一些邊界因為結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性而形成表面的信號反射，這種情況的反射信號也是非常強的，從而比較難以分辨信號回波。

1.1 抑制微結(jié)構(gòu)材料的散射

因為干擾信號和缺陷回波信號兩者在頻率上相差不是很大，所以不能通過簡單的濾波器使用低通、高通或者帶通的方式進行信號之間的分離，必須使用一些特殊的手段。對于信號分離過程中受散射的影響，自上世紀就已經(jīng)提出了相應(yīng)的解決技術(shù)，即根據(jù)信號的散射情況提出的分離譜技術(shù)，這種技術(shù)方法在此后的幾十年被很多的學者專家進行研究，取得了非常好的成效，分離譜技術(shù)主要是利用缺陷回波現(xiàn)象與微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的散射回波現(xiàn)象對超聲頻率的感知度不同而形成的多個頻道進行統(tǒng)計并根據(jù)實際情況做出處理。相對應(yīng)的一部分人利用小波率之間的變換增加強散射材料產(chǎn)生信號后進行超聲檢測時候依據(jù)的信噪比，但是實際上這種小波變換的方式是通過恒Q 值進行的多種濾波情況，使用恒Q 值進行濾波的優(yōu)點是濾波器所選組比普通情況的分離譜的技術(shù)要求要低，因此這種方式所使用的檢測儀器比較方便操作。此外也可以實行分離譜技術(shù)與信息其他處理技術(shù)的結(jié)合，但是這種方式的信號處理非常復(fù)雜并且實用性不高，只能作為學術(shù)研究類型。

散射回波的抑制方式也是當下需要研究的問題，而最新的抑制方式就是通過自適應(yīng)濾波技術(shù)進行散射回波的抑制，這種濾波技術(shù)與低通濾波和高通濾波以及帶通濾波的方式不同，它是根據(jù)兩個信號之間的大小相關(guān)性進行信號的分離，比如如果兩個測信號的探頭位置相距比較近，所以兩方所測的信號大小也都不相上下，而此時將信號輸入到自適應(yīng)濾波器之中，會使缺陷回波的信號相關(guān)性大于散射回波信號的相關(guān)性，從而增加了缺陷回波的強度。而對于自適應(yīng)濾波器來說，它需要一定的時間建立所需要的平衡自適應(yīng)的系統(tǒng)，所以隨著不斷的研究出現(xiàn)了解決這種微結(jié)構(gòu)噪聲的方案，就是通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與自適應(yīng)濾波器相結(jié)合，這種方法的算法速度不僅很快，而且還比較適合連續(xù)作業(yè)。

雖然不均勻材料所形成的散射回波信號與缺陷回波信號的相差明顯度很小，但是經(jīng)過仔細的分析研究還是存在很多不同的地方，雖然相似度很高，但是區(qū)別性也是比較大的。對于這個問題，人們不斷的使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與信號模糊識別的技術(shù)來對此進行相互關(guān)系之間的判斷。這兩種信號識別的方式主要是致力于解決一些比較復(fù)雜而且模糊度很高的問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實現(xiàn)需要首先進行相關(guān)的訓練，但是模糊識別信號技術(shù)需要首先有反應(yīng)不同信號特征的先行檢驗知識。全部具備這些條件，這兩種信號識別技術(shù)才可以發(fā)揮它們獨有的優(yōu)勢。

1.2 對界面反射進行消除

對于超聲檢測來說，材料界面的反射信號往往比較強烈，以至于存在界面附近的一些缺陷回波信號比較難以辨別，所以需要抵消界面的反射信號來突出信號缺陷回波。但是抵消界面反射需要一定標準的界面反射回波作為相關(guān)參考，非常簡單的方式就是取一些沒有缺陷的界面作為反射回波x(t)，之后對含有缺陷回波信號與界面回波信號的檢測信號y(t)進行公式運算。其中表示y(t)中的幅度譜，表示的是x(t)中的幅度譜，而表示的是微小常數(shù)值，之后再通過對進行傅里葉逆變換就可以得到對應(yīng)的缺陷回波信號的波形。第二種方法是通過將Wiener濾波進行簡化后獲得相應(yīng)的缺陷回波信號。其中*指的是取對應(yīng)的復(fù)共軛，是指取得最小量，之后對取傅里葉逆變換得到缺陷回波的信號波形，因為Wiener 濾波具有性能比較穩(wěn)定的特點，所以國外學者經(jīng)常采用這種方法對信號進行處理。

信號相關(guān)技術(shù)處理兩個需要對比的信號時，自適應(yīng)濾波可以適應(yīng)界面回波信號的消除。而所使用的超聲檢測技術(shù)就是將一個標準的界面回波信號作為標準參考信號輸入到自適應(yīng)濾波器之中，因為實際超聲檢測的時候信號混疊在一起會產(chǎn)生一個特定界面的回波信號成分，因此對于自適應(yīng)濾波器的輸出期望是將界面回波的信號去除之后所設(shè)定的，并且對于自適應(yīng)濾波器來說具有非常良好的輸出誤差，也就是在信號檢測的過程中可以得到這個界面所設(shè)定的回波信號，從而這樣的工程對于技術(shù)人員來說，可以根據(jù)需求進行信號的提取。

當然在這些信號超聲檢測的過程中還需要有特殊信號的處理方式，比如空間信號處理方式，Wiegner 濾波器利用時頻處理方式以及多變量處理方式對信號進行一定的處理與識別，還可以將非線性科學中的孤立子理論技術(shù)應(yīng)用到超聲檢測的強干擾過程中，也能取得可觀的成效。

2 對材料信號的定量檢測與評價

2.1 定量檢測

在進行普通超聲檢測的時候我們應(yīng)該判斷回波信號的缺陷，并對該信號進行檢測，從而判斷出信號缺陷的具體形狀以及信號缺陷的大小，既不能定期的進行檢測，也不能定量的進行檢測，應(yīng)該從工業(yè)的角度出發(fā)，盡快并且保證質(zhì)量的前提下對出現(xiàn)的問題進行解決，所以對于這一領(lǐng)域的研究一直是科學方面的重點，但是定量檢測一直以逆問題的角色出現(xiàn)在科學研究之中，也就是獲取的檢測信號一直可以演示信號所處位置的形狀與大小情況，但是信號不是單純的信號，影響信號的因素含有很多，通常情況下不可以明確的給出“量化”的唯一解決方式，這也是各種經(jīng)典信號反演手段不同的地方。

進行定量評價缺陷回波的時候，必須保證所得到的回波信號之于材料所測的缺陷有關(guān)系，但是大部分情況可以由普通的超聲技術(shù)換取一定的信號檢測技術(shù)與超聲波儀器有關(guān)。這里對信號進行處理的過程中首先要做的就是對卷積進行求解，從而去除掉一些外界因素的影響，之后進行定量卷積的求解，比如對Wiener 濾波器來說，x(t)可以選擇與目標深度比較相似的界面回波方式進行求解，并且可以選擇不同的卷積求解方案對其進行解算，隨著專家學者不斷的研究與改進，這種信號研究取得了很大的成就。

對缺陷信號獲取完畢后，確定信號的量化指標成為一個非常大的難題，首先需要根據(jù)信號的特征進行缺陷信號的量化確認，但是平常出現(xiàn)的缺陷的形狀相對來說比較復(fù)雜，一般情況下人們將這種缺陷歸結(jié)為多種類似的經(jīng)典樣式，之后在所有的樣式中選擇符合樣式的特征形式，在信號處理早期，主要是采用缺陷回波信號的傅里葉逆變換進行缺陷回波的確認的，比如譜峰的寬度，譜峰在頻域上的主要位置以及主峰與次峰之間高度的比值部分，并且也有很多使用倒譜的特征進行信號分辨的。當然在選擇的時候也可以將時域特征作為選擇的對象形式，比如相關(guān)函數(shù)之間的運算，波形的不同形狀對比等方式進行缺陷回波的確認。

因為缺陷回波的信號具有若干個特征以及很多不確定的隱患所以在進行超聲檢測的時候應(yīng)該著重注意這些，防止將一些自然缺陷的情況歸結(jié)到人工缺陷里面，但是歸結(jié)方式可能會出現(xiàn)一些不確定的因素，這時候就應(yīng)該使用人工智能儀器對這些缺陷進行一定的歸類，其中模糊數(shù)學和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為這種缺陷分類提供了非常有效的方案，首先模糊數(shù)學中的檢測信號主要將缺陷的全部特征與人工之間的特征進行對比，經(jīng)過綜合的分析確定缺陷的類型以及缺陷的大小，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不需要進行多種特征的輸入提供，只需要將檢測的信號與或者輸入到儀器的信號的變換域明確就可以實現(xiàn)對比自然缺陷與人工缺陷之間的關(guān)系以及它們之間的相似程度，從而做出合理的解釋說明，因為數(shù)學模糊識別與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別都具有非常大的研究發(fā)展?jié)摿Γ栽谑褂贸暭夹g(shù)對信號進行定量檢測與研究的過程中具有非常重要的地位。

2.2 對材料進行評價

在過去超聲無損技術(shù)對信號的檢測大部分是對信號進行超聲波方面的檢測，現(xiàn)在許多研究工作需要對使用的材料進行一定的評價，所以對缺陷信號的材料進行材料質(zhì)量的評價也是非常重要的，尤其是對材料的整體情況進行評價，其中包括對材料的組織結(jié)構(gòu)以及材料中所含晶粒的大小進行評價，使用超聲波技術(shù)對這種方式進行評價的過程中主要是對材料的聲音以及衰減度進行相應(yīng)的評價，但是這種評價方式受很多因素的制約，使用較多的信號處理方式是倒譜位置的檢測估計，窄脈沖寬度的大小進行信號譜的檢測，這些手段比較像生物醫(yī)學工程使用超聲波技術(shù)對人體組織進行檢測，隨著時代科技的不斷發(fā)展，通過各種研究數(shù)據(jù)的檢測可以知道高頻脈沖這種超聲波技術(shù)可以探測材料的硬化結(jié)構(gòu)深度，并且可以根據(jù)一些簡單的空間技術(shù)的信號處理進行硬化層與材料邊界信號的回波處理。

隨著各種復(fù)合材料的不斷發(fā)現(xiàn)與研究，人們對這種復(fù)合材料技術(shù)方面的質(zhì)量問題也不斷提出新的要求，因為復(fù)合材料大部分質(zhì)量檢測是對整體質(zhì)量的檢測，而不是單獨的質(zhì)量缺陷檢測，因此對于材料來說，相互之間的粘結(jié)性以及相互之間的飽和度成為判斷質(zhì)量好壞的主要問題，在工程方面人們大多數(shù)喜歡使用超聲技術(shù)對復(fù)合材料進行模式激發(fā)應(yīng)力波度來決定復(fù)合材料的好壞，有關(guān)研究表明在工業(yè)應(yīng)用上超聲無損檢測的技術(shù)對復(fù)合材料的檢測具有非常重要的影響。

3 信號處理與模式識別的實現(xiàn)與研究

信號處理與模式識別的研究手段可以分為兩個方面，一方面是通過實驗室對新方法的探究之后在工業(yè)應(yīng)用方面進行檢驗，另一個方面是對儀器進行改建以便于提高工業(yè)生產(chǎn)時候的效率與質(zhì)量，但是這兩種研究的結(jié)果不同，所以研究的方式也不同。

3.1 實驗室研究

信號處理與模式識別在實驗室進行研究的時候應(yīng)該考慮的是實驗室配備的研究工具是否先進與通用，而不用擔心信號的獲取問題，目前使用比較多的信號處理軟件是Matlab，它具有非常良好的數(shù)據(jù)分析與波形展示功能，在超聲無損檢測信號中，對信號進行分析與后期的處理大部分使用的是Matlab，因為Matlab 中含有很多現(xiàn)成的處理信號指令以及信號工具箱，可以較為直觀的將信號波形以及信號數(shù)據(jù)展現(xiàn)在人們面前，同時它還具有很多的創(chuàng)新性的處理方法，但是Matlab 處理信號的效率不是特別高，比如遇到一些較長的運算，它的運行速度將會很慢，所以科研人員還會運用C 語言對信號數(shù)據(jù)進行運算。

3.2 工業(yè)性研究開發(fā)

針對不同的工業(yè)需求進行超聲無損儀器的開發(fā)具有非常重要的意義，一來可以節(jié)約硬件的資源，提高工作人員的工作效率，二來可以節(jié)約一部分的研究成本，這種工業(yè)性的研究開發(fā)可以使用最簡單的方法以及最迅速的方式達到處理的預(yù)期功能。早期的超聲波檢測系統(tǒng)是基于單片機進行的儀器研究，這里包括對信號的簡單處理以及對儀器的不同研究實驗。目前最具有權(quán)威性的信號處理儀器為DSP，它的成本非常低，但是相關(guān)性能比較高。可以在一秒鐘之內(nèi)完成1024 點的傅里葉變換，并且DSP 的編程語言與編程方法比較簡單易學，非常適合目前信號處理的要求。

4 結(jié)語

超聲無損檢測信號處理與模式識別隨著目前科技的不斷進步也在不斷發(fā)展著，并且檢測內(nèi)容也在不斷的變化，使用超聲無損檢測信號處理與模式識別需要以其物理特征為基礎(chǔ)，尋找最可靠的使用途徑，這點需要研究學者繼續(xù)研究更新，從而更好地對信號進行處理。