CN101726545B - 异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法 - Google Patents

异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法 Download PDF

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异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法，它涉及无损检测领域。它解决了常规的依照扩散焊界面反射回波的幅度无法准确体现扩散焊缺陷信息的问题，本发明从异种材料扩散焊界面采集超声波信号，从参考试样中采集参考信号，应用参数优化后的复Morlet小波分别对扩散焊界面超声信号和参考信号进行连续小波变换并获得两者的比值R(a，b)，利用所述比值R(a，b)分别求出扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，b)|和时频相位Ф(a，b)，利用时频幅度|R(a，b)|和时频相位Ф(a，b)分别求时频幅度特征值CR和时频相位特征值CФ，进而重构扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR图像和扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CФ图像。本发明适用于检测和评价扩散焊界面的质量。

Description

异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法
技术领域
本发明涉及无损检测领域，具体涉及异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法。
背景技术
目前，扩散焊在航空、航天和核工业等先进技术领域的应用越来越广泛，如何检测和评价扩散焊界面的质量，已成为无损检测领域的一项重要课题。扩散焊缺陷主要有未焊合、弱接合和微间隙等，由于缺陷位于界面位置，多采用常规超声波探伤方法进行检测。这种方法利用超声波在缺陷处产生的反射回波，由回波幅度的大小判断缺陷的尺寸和方位，对检测未焊合缺陷非常有效。弱接合和微间隙缺陷的尺寸多在微米级，尺寸远小于超声波的波长，入射超声波大部分会通过缺陷继续向前传播，产生的反射回波十分微弱，检测非常困难。而对于异种材料扩散焊界面质量的检测，由于界面两侧材料声阻抗有差异，焊接良好的界面也会产生超声反射回波，未焊合、弱接合和微间隙缺陷反射回波与界面反射回波混叠在一起，反射回波的幅度不能准确体现扩散焊缺陷信息，增加了检测的难度。
发明内容
为了解决常规的依照扩散焊界面反射回波的幅度无法准确体现扩散焊缺陷信息的问题，本发明提供异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法。
本发明的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法中，所述异种材料扩散焊界面为异种材料扩散焊试样的界面，所述异种材料扩散焊试样由上层材料I和下层材料II焊接而成，所述提取方法的步骤为：
步骤一：在采样区间[0，n]内，将超声波信号从异种材料扩散焊试样的顶面入射至异种材料扩散焊试样的界面，采集扩散焊界面超声信号，n为小数，所述扩散焊界面超声信号为入射的超声波信号经异种材料的扩散焊试样的界面反射后的信号；
步骤二：将超声波信号从参考试样的顶面入射至参考试样，采集参考信号，所述参考信号为入射的超声波信号经参考试样的底面反射后的信号，所述参考试样的尺寸与异种材料扩散焊试样的上层材料I的尺寸相同，且所述参考试样的材料与上层材料I的材料相同；
步骤三：对复Morlet小波的参数进行优化，应用参数优化后的复Morlet小波对采样区间[0，n]内获得的扩散焊界面超声信号进行连续小波变换获得扩散焊界面超声信号连续小波变换函数Wf(a，b)reflected，并应用参数优化后的复Morlet小波对参考信号进行连续小波变换获得参考信号连续小波变换函数Wf(a，b)reference；
步骤四：根据在采样区间[0，n]内获得的扩散焊界面超声信号连续小波变换函数Wf(a，b)reflected和参考信号连续小波变换函数Wf(a，b)reference获得比值R(a，b)， R ( a , b ) = W f ( a , b ) reflected W f ( a , b ) reference ;
步骤五：根据在采样区间[0，n]内获得的比值R(a，b)获得扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，b)|，并根据在采样区间[0，n]内获得的比值R(a，b)获得扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(a，b)，
Figure G2009100734983D00023
当大于零时，记录Φ(a，b)为‘+1’，当
Figure G2009100734983D00025
小于零时，记录Φ(a，b)为‘-1’，其中RR(a，b)表示比值R(a，b)的实部，RI(a，b)表示比值R(a，b)的虚部；
步骤六：根据扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，b)|获得扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR，根据扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(a，b)获得扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ；
步骤七：根据获得的扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR重构扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR图像，并根据所获得的扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ重构扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ图像。
本发明的有益效果为：本发明采用连续小波变换将超声信号转换到时频域进行分析，使信号在低频具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，在时间、频率两域均良好地表征了信号的局部特征；本发明引入的复Morlet小波对超声波进行连续小波变换，复Morlet小波与超声波信号具有很高的相似性，且具有线性相位，有效减少了计算量，避免了相位失真现象；本发明应用参考信号的连续小波变换，求得扩散焊界面超声波信号连续小波变换与参考信号连续小波变换的比值，有效地反映了超声波与异种材料扩散焊界面相互作用后，幅度和相位的变换；本发明从反映信号时频幅度和时频相位特征入手，获得了扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR和时频相位特征值CΦ，进而重构出了扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR图像和时频相位特征值CΦ图像，准确体现扩散焊缺陷的信息。
附图说明
图1是本发明的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法的流程图；
具体实施方式
具体实施方式一：根据说明书附图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法，所述异种材料扩散焊界面为异种材料扩散焊试样的界面，所述异种材料扩散焊试样由上层材料I和下层材料II焊接而成，所述提取方法的步骤为：
步骤一：在采样区间[0，n]内，将超声波信号从异种材料扩散焊试样的顶面入射至异种材料扩散焊试样的界面，采集扩散焊界面超声信号，n为小数，所述扩散焊界面超声信号为入射的超声波信号经异种材料的扩散焊试样的界面反射后的信号；
步骤二：将超声波信号从参考试样的顶面入射至参考试样，采集参考信号，所述参考信号为入射的超声波信号经参考试样的底面反射后的信号，所述参考试样的尺寸与异种材料扩散焊试样的上层材料I的尺寸相同，且所述参考试样的材料与上层材料I的材料相同；
步骤三：对复Morlet小波的参数进行优化，应用参数优化后的复Morlet小波对采样区间[0，n]内获得的扩散焊界面超声信号进行连续小波变换获得扩散焊界面超声信号连续小波变换函数Wf(a，b)refflected，并应用参数优化后的复Morlet小波对参考信号进行连续小波变换获得参考信号连续小波变换函数Wf(a，b)reference；
步骤四：根据在采样区间[0，n]内获得的扩散焊界面超声信号连续小波变换函数Wf(a，b)reflected和参考信号连续小波变换函数Wf(a，b)reference获得比值R(a，b)， R ( a , b ) = W f ( a , b ) reflected W f ( a , b ) reference ;
步骤五：根据在采样区间[0，n]内获得的比值R(a，b)获得扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，b)|，
Figure G2009100734983D00042
并根据在采样区间[0，n]内获得的比值R(a，b)获得扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(a，b)，
Figure G2009100734983D00043
当
Figure G2009100734983D00044
大于零时，记录Φ(a，b)为‘+1’，当
Figure G2009100734983D00045
小于零时，记录Φ(a，b)为‘-1’，其中RR(a，b)表示比值R(a，b)的实部，RI(a，b)表示比值R(a，b)的虚部；
步骤六：根据扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，b)|获得扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR，根据扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(a，b)获得扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ；
步骤七：根据获得的扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR重构扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR图像，并根据所获得的扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ重构扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ图像。
本实施方式中利用超声C扫描成像检测系统采用水浸聚焦法完成信号采集。
根据实施方式所获得的扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR图像和扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ图像，应用现有缺陷识别方法，可以识别出扩散焊界面缺陷。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法的进一步说明，具体实施方式一中步骤三中所述的扩散焊界面超声信号连续小波变换函数Wf(a，b)reflected和参考信号连续小波变换函数Wf(a，b)reference由公式
Figure G2009100734983D00051
获得，其中，f(t)相应表示扩散焊界面超声信号或参考信号，ψ(t)表示小波母函数，所述小波母函数为复Morlet小波，
Figure G2009100734983D00052
表示由小波母函数ψ(t)生成的依赖于参数a和b的连续小波函数，简称为小波，a表示尺度参数，体现了以t＝b为中心的分析范围的大小，b表示时间参数，表示分析的时间中心或时间点。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法的进一步说明，具体实施方式一中步骤六中，根据扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，b)|获得扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR的方法是根据采样区间[0，n]内每一时间参数bj的扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，bj)|获得扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR，具体过程为：将所述每一时间参数bj的扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，bj)|沿尺度参数a减小的方向进行线性拟合获得拟合曲线y，y＝Aj|R(a，bj)|+Bj，其中，Aj表示时间参数bj拟合曲线y的拟合斜率，Bj表示时间参数bj拟合曲线y的拟合常数，根据所获得每一时间参数的拟合曲线y的拟合斜率Aj，获得扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR，
Figure G2009100734983D00061
其中，j＝1，2，Λ，n/T，T为超声波检测的采样时间。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法的进一步说明，具体实施方式一中步骤六中，根据扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(a，b)获得扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ的方法是根据扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(a，b)获得采样区间[0，n]内每一时间参数bj和每一尺度参数ai下扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(ai，bj)，并根据所获得的每一时间参数bj和每一尺度参数ai下扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(ai，bj)获得扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ，具体过程为：根据所获得的每一时间参数bj和每一尺度参数ai下扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(ai，bj)计算扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ，
Figure G2009100734983D00062
其中，i＝1，2，Λ，(m-l)/s+1，l～m为a的范围，l和m均为常数，s为尺度参数的步长。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法的进一步说明，具体实施方式一中步骤三中所述的对复Morlet小波的参数进行优化的过程包括：
A：连续小波变换时频分辩率优化：选取复Morlet小波的中心频率fc为FHz，F大于零，分析复Morlet小波的不同带宽参数对时频分辨率的影响，获得最佳时频分辨率所对应的带宽参数fb，完成连续小波变换时频分辨率优化；
B：连续小波变换尺度参数的优化：连续小波变换尺度参数a由下式决定：
Figure G2009100734983D00071
其中，fs为采集扩散焊界面超声信号的超声波检测设备的采样频率，fa为尺度参数a所对应的复Morlet小波的中心频率，尺度参数a所对应的复Morlet小波的中心频率fa由采集扩散焊界面超声信号的探头的带宽范围决定；
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法的进一步说明，具体实施方式一中步骤七中所述的根据获得的扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR重构扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR图像的具体过程为：将所述时频幅度特征值CR的位置按照其在C扫描图像中的位置进行排列，同时所述时频幅度特征值CR的大小采用色彩进行表示；根据所获得的扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ重构扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ图像的具体过程为：将所述时频相位特征值CΦ的位置按照其在C扫描图像中的位置进行排列，所述时频相位特征值CΦ的大小采用色彩进行表示。

Claims (6)

1.异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法，所述异种材料扩散焊界面为异种材料扩散焊试样的界面，所述异种材料扩散焊试样由上层材料I和下层材料II焊接而成，其特征在于所述提取方法为：
步骤一：在采样区间[0，n]内，将超声波信号从异种材料扩散焊试样的顶面入射至异种材料扩散焊试样的界面，采集扩散焊界面超声信号，n为小数，所述扩散焊界面超声信号为入射的超声波信号经异种材料的扩散焊试样的界面反射后的信号；
步骤二：将超声波信号从参考试样的顶面入射至参考试样，采集参考信号，所述参考信号为入射的超声波信号经参考试样的底面反射后的信号，所述参考试样的尺寸与异种材料扩散焊试样的上层材料I的尺寸相同，且所述参考试样的材料与上层材料I的材料相同；
步骤三：对复Morlet小波的参数进行优化，应用参数优化后的复Morlet小波对采样区间[0，n]内获得的扩散焊界面超声信号进行连续小波变换获得扩散焊界面超声信号连续小波变换函数Wf(a，b)reflected，并应用参数优化后的复Morlet小波对参考信号进行连续小波变换获得参考信号连续小波变换函数Wf(a，b)reference；a表示尺度参数，b表示时间参数；
步骤四：根据在采样区间[0，n]内获得的扩散焊界面超声信号连续小波变换函数Wf(a，b)reflected和参考信号连续小波变换函数Wf(a，b)reference获得比值R(a，b)，
Figure F2009100734983C00011
步骤五：根据在采样区间[0，n]内获得的比值R(a，b)获得扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，b)|，
Figure F2009100734983C00012
并根据在采样区间[0，n]内获得的比值R(a，b)获得扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(a，b)， 
Figure F2009100734983C00013
当大于零时，记录Φ(a，b)为‘+1’， 当 小于零时，记录Φ(a，b)为‘-1，，其中RR(a，b)表示比值R(a，b)的实部，RI(a，b)表示比值R(a，b)的虚部；
步骤六：根据扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，b)|获得扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR，根据扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(a，b)获得扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ；
步骤七：根据获得的扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR重构扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR图像，并根据所获得的扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ重构扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ图像。
2.根据权利要求1所述的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法，其特征在于步骤三中所述的扩散焊界面超声信号连续小波变换函数Wf(a，b)reflected和参考信号连续小波变换函数Wf(a，b)reference由公式 
Figure F2009100734983C00022
获得，其中，f(t)相应表示扩散焊界面超声信号或参考信号，ψ(t)表示小波母函数，所述小波母函数为复Morlet小波， 
Figure F2009100734983C00023
表示由小波母函数ψ(t)生成的依赖于参数a和b的连续小波函数，a表示尺度参数，体现了以t＝b为中心的分析范围的大小，b表示时间参数，表示分析的时间中心或时间点。
3.根据权利要求1所述的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法，其特征在于步骤六中，根据扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，b)|获得扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR的方法是根据采样区间[0，n]内每一时间参数bj的扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，bj)|获得 扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR，具体过程为：将所述每一时间参数bj的扩散焊界面超声信号的时频幅度|R(a，bj)|沿尺度参数a减小的方向进行线性拟合获得拟合曲线y，y＝Aj|R(a，bj)|+Bj，其中，Aj表示时间参数bj拟合曲线y的拟合斜率，Bj表示时间参数bj拟合曲线y的拟合常数，根据所获得每一时间参数的拟合曲线y的拟合斜率Aj，获得扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR， j＝1，2，……，n/T，T为超声波检测的采样时间。
4.根据权利要求1所述的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法，其特征在于步骤六中，根据扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(a，b)获得扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ的方法是根据扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(a，b)获得采样区间[0，n]内每一时间参数bj和每一尺度参数ai下扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(ai，bj)，并根据所获得的每一时间参数bj和每一尺度参数ai下扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(ai，bj)获得扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ，具体过程为：根据所获得的每一时间参数bj和每一尺度参数ai下扩散焊界面超声信号的时频相位Φ(ai，bj)计算扩散焊界面超声信号的时频相位特征值 
Figure F2009100734983C00032
   其中，i＝1，2，……，(m-l)/s+1，l～m为a的范围，l和m均为常数，s为尺度参数的步长。
5.根据权利要求1所述的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法，其特征在于步骤三中所述的对复Morlet小波的参数进行优化的过程包括：
A：连续小波变换时频分辩率优化：选取复Morlet小波的中心频率fc为FHz，F大于零，分析复Morlet小波的不同带宽参数对时频分辨率的影响，获得最佳时频分辨率所对应的带宽参数fb，完成连续小波变换时频分辨率优化；
B：连续小波变换尺度参数的优化：连续小波变换尺度参数a由下式决定： 
Figure F2009100734983C00041
其中，fs为采集扩散焊界面超声信号的超声波检测设备的采样频率，fa为尺度参数a所对应的复Morlet小波的中心频率，尺度参数a所对应的复Morlet小波的中心频率fa由采集扩散焊界面超声信号的探头的带宽范围决定。
6.根据权利要求1所述的异种材料扩散焊界面超声信号时频幅度特征和时频相位特征提取方法，其特征在于步骤七中所述的根据获得的扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR重构扩散焊界面超声信号的时频幅度特征值CR图像的具体过程为：将所述时频幅度特征值CR的位置按照其在C扫描图像中的位置进行排列，同时所述时频幅度特征值CR的大小采用色彩进行表示；根据所获得的扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ重构扩散焊界面超声信号的时频相位特征值CΦ图像的具体过程为：将所述时频相位特征值CΦ的位置按照其在C扫描图像中的位置进行排列，所述时频相位特征值CΦ的大小采用色彩进行表示。 
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