微弱電磁波收集檢測(cè)研究

毛先胤，鄒 雕，黃 歡，張 偉

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550001；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引 言

電磁聲換能器（Electromagnetic Acoustic Transducers，EMATs）是一種用于導(dǎo)電材料無(wú)損檢測(cè)和材料表征的非接觸式超聲波發(fā)射與接收裝置[1-3]。有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備的傳導(dǎo)機(jī)制有洛倫茲力、磁致伸縮機(jī)制以及磁化力3個(gè)原理[4]。電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)通常由電磁閥(包括線圈、磁鐵、被測(cè)材料)及其電路(包括發(fā)射電路、接收電路、匹配電路等)組成。與傳統(tǒng)壓電式換能器相比，EMATs具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如在運(yùn)行過(guò)程中不需要聲耦合，不需要對(duì)試件進(jìn)行表面預(yù)處理，能夠產(chǎn)生多種彈性波，有效地?cái)U(kuò)展了超聲技術(shù)的應(yīng)用范圍，成為無(wú)損檢測(cè)（Non-Destructive Testing，NDT）和無(wú)損評(píng)價(jià)（Non-Destructive Evaluation，NDE）領(lǐng)域的主流技術(shù)，但其傳導(dǎo)效率較低[5-7]。假設(shè)EMAT線圈的發(fā)射電流為50 A，且檢測(cè)系統(tǒng)的不同部分匹配良好，則換能器接收到的超聲波信號(hào)往往小于100 μV。此外，EMAT對(duì)周圍的電噪聲非常敏感。因此，電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)必須具備較強(qiáng)的弱信號(hào)檢測(cè)能力，才能從接收到的信號(hào)中提取出缺陷信息。由于檢測(cè)系統(tǒng)的工作頻率較高，通常在200 kHz～2 MHz之間，且接收信號(hào)的信噪比極低，使用模擬帶通濾波器很難提取有用信息[8]。

1 電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)

電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)由控制電路、功率放大器、兩個(gè)匹配電路、收發(fā)開關(guān)、探頭、前置放大器、選頻放大器、數(shù)據(jù)采集以及計(jì)算器組成[9]。首先由控制電路產(chǎn)生音爆信號(hào)，然后用D類功放進(jìn)行放大。通過(guò)幾個(gè)寬帶傳輸變壓器實(shí)現(xiàn)匹配電路，從而實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸。TR開關(guān)用于隔離發(fā)射和接收過(guò)程，超聲波可以通過(guò)一個(gè)EMAT線圈發(fā)射和接收。

圖1 電磁超聲檢測(cè)原理圖

數(shù)據(jù)采集電路可以同時(shí)采集前置放大器和選頻放大器的輸出信號(hào)[10]。這些數(shù)據(jù)被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理，然后與示波器上顯示的波形進(jìn)行比較。通常情況下，預(yù)放大的末端信號(hào)可以達(dá)到幾毫伏，而被檢測(cè)信號(hào)由于反射面積較小甚至更弱。這說(shuō)明了EMAT對(duì)周圍噪聲非常敏感，噪聲的峰間振幅超過(guò)1 V，因此電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)必須具有較強(qiáng)的弱信號(hào)檢測(cè)能力。

2 微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

2.1 移動(dòng)平均預(yù)處理方法

為了得到更好的處理結(jié)果，本文首先采用平均法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行平滑處理。常用的平均方法有累積平均法和移動(dòng)平均法等。累積平均法具有良好的去噪能力，是EMAT信號(hào)預(yù)處理的常用方法，但是這種方法的處理效率非常低，因?yàn)樗枰獙?duì)重復(fù)的信號(hào)進(jìn)行多次采集。移動(dòng)平均法通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的相鄰點(diǎn)進(jìn)行平均來(lái)抑制隨機(jī)噪聲。基于最小二乘法的五點(diǎn)移動(dòng)平均方程可以表示為：

式中，i=3,4...,m-2，x為原始信號(hào)，y為處理信號(hào)，m為采集到的數(shù)據(jù)總數(shù)。這些方程表明，移動(dòng)平均法可以處理一次性獲取的數(shù)據(jù)，因此與累積平均法相比，移動(dòng)平均法的效率更高。

2.2 互相關(guān)檢測(cè)方法

相關(guān)檢測(cè)方法利用信號(hào)的可重復(fù)性和噪聲的隨機(jī)性，是提取EMAT被檢測(cè)信號(hào)特征，準(zhǔn)確檢測(cè)被檢測(cè)位置的有效方法。相關(guān)檢測(cè)技術(shù)中常用的兩種方法是互相關(guān)和自相關(guān)。前者用于研究?jī)煞N不同信號(hào)的相關(guān)性，后者用于研究單個(gè)信號(hào)的兩個(gè)不同周期的相關(guān)性。以互相關(guān)檢測(cè)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明相關(guān)檢測(cè)方法的信息提取原理。假設(shè)接收到的EMAT信號(hào)Vs為：

式中，Ei是被檢測(cè)信號(hào)的振幅，ω0是指被檢測(cè)信號(hào)的角頻率，θ是指被檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)之間的相位差，En是接收信號(hào)中的隨機(jī)噪聲幅度，ωn是干擾噪聲的角頻率，α是干擾噪聲和參考信號(hào)之間的相位差。

為了進(jìn)行互相關(guān)檢測(cè)，需要提供一個(gè)與被檢測(cè)信號(hào)頻率相同的參考信號(hào)VR，其表示為：

式中，ER是參考信號(hào)的振幅。

將式（6）與式（7）相乘可以得到：

利用低通濾波器處理，輸出V0變?yōu)椋?/p>

輸出V0包含了被檢測(cè)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和包絡(luò)等信息，這樣就可以知道被檢測(cè)信號(hào)的存在位置。為了得到最佳的輸出信噪比，相位差θ必須為零。然而，由于實(shí)際應(yīng)用中被檢測(cè)的位置是隨機(jī)的，必須經(jīng)常調(diào)整參考信號(hào)的相位，以確保θ為零。顯然，這是一個(gè)采集微弱電磁信號(hào)的障礙。為了解決這一問(wèn)題，采用兩個(gè)正交參考信號(hào)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)檢測(cè)，利用兩個(gè)參考信號(hào)的正交性可以去掉θ，而信號(hào)輸出僅由被檢測(cè)信號(hào)的幅值決定，工作原理如圖2所示。

圖2 正交參考信號(hào)的互相關(guān)檢測(cè)原理圖

同樣，如果將式（8）和式（9）中的參考信號(hào)替換為另一個(gè)接收到的EMAT信號(hào)，該信號(hào)是在不同檢測(cè)周期中獲得的，則可以對(duì)接收到的EMAT信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)檢測(cè)。如圖3為自相關(guān)檢測(cè)原理圖，其中Vs1和Vs2是在不同的檢測(cè)周期下得到的。探頭位置固定，Vs1和Vs2中的被檢測(cè)信號(hào)到達(dá)時(shí)間幾乎相同，而接收信號(hào)中的噪聲是隨機(jī)的，因此由于被檢測(cè)信號(hào)的相關(guān)性和噪聲的隨機(jī)性，可以提取出被檢測(cè)信號(hào)的信息。

圖3 自相關(guān)檢測(cè)原理圖

2.3 交叉自相關(guān)檢測(cè)技術(shù)

互相關(guān)和自相關(guān)檢測(cè)的信息提取特征明顯。在進(jìn)行互相關(guān)檢測(cè)時(shí)，伴隨著被檢測(cè)信號(hào)同時(shí)提取出與被檢測(cè)信號(hào)頻率相同的噪聲分量，進(jìn)一步影響了檢測(cè)結(jié)果。同樣，在接收信號(hào)中具有顯著相關(guān)性的噪聲分量將進(jìn)一步污染自相關(guān)檢測(cè)中的處理結(jié)果。因此，僅對(duì)嚴(yán)重干擾的EMAT信號(hào)應(yīng)用互相關(guān)或自相關(guān)，只能得到有限的信噪比改善。

為了更好地提高信噪比，提出了一種互相關(guān)和自相關(guān)相結(jié)合的檢測(cè)技術(shù)，其原理如圖4所示。此外，當(dāng)環(huán)境噪聲太強(qiáng)或被檢測(cè)信號(hào)太弱時(shí)，可以相應(yīng)地使用更多的相關(guān)檢測(cè)單元，直到提取出被檢測(cè)信息為止。

圖4 交叉自相關(guān)檢測(cè)原理圖

為了更好地理解所提出的技術(shù)與傳統(tǒng)相關(guān)方法的區(qū)別，分別用互相關(guān)法和自相關(guān)法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理。首先試驗(yàn)了互相關(guān)法應(yīng)用于Vs1的結(jié)果，說(shuō)明該方法只能提取到末端信號(hào)的信息，而被檢測(cè)信號(hào)仍然被埋在強(qiáng)噪聲中。此外，在比較多個(gè)結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于檢測(cè)系統(tǒng)的頻率波動(dòng)較小，用互相關(guān)法處理的結(jié)果波動(dòng)較大，重現(xiàn)性很差。而從自相關(guān)法在Vs1和Vs2上的應(yīng)用結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)的自相關(guān)法無(wú)法從接收信號(hào)中提取出微弱的被檢測(cè)信號(hào)。

3 結(jié) 論

在移動(dòng)平均法、互相關(guān)和自相關(guān)檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，提出了一種用于電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)射和接收表面超聲信號(hào)的弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。利用EMAT信號(hào)的重復(fù)性和噪聲的隨機(jī)性，提出的交叉自相關(guān)弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)能夠成功地提取出被強(qiáng)噪聲嚴(yán)重污染的弱檢測(cè)信號(hào)的信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，并得出如下結(jié)論。一是移動(dòng)平均法能夠有效地對(duì)接收到的EMAT信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，比累積平均法具有更高的效率，二是采用兩個(gè)正交參考信號(hào)的互相關(guān)檢測(cè)方法可以有效地消除檢測(cè)結(jié)果的波動(dòng)，從而大大提高檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)再現(xiàn)性，三是互相關(guān)和自相關(guān)檢測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力比單獨(dú)使用強(qiáng)得多，增加相關(guān)單元可以使EMAT被檢測(cè)信號(hào)的信噪比得到更大的提高。