CN103808808A - 利用抖动发脉冲的超声波检测仪器 - Google Patents

利用抖动发脉冲的超声波检测仪器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用抖动发脉冲的超声波检测仪器。公开了一种利用平均化和抖动发脉冲技术这两者来最优化的超声波装置。该平均化技术大幅去除了白噪声；另一方面，抖动发脉冲大幅去除了在传统的平均化处理期间所累积的声波噪声。

Description

利用抖动发脉冲的超声波检测仪器
技术领域
本发明涉及无损检测和检查装置(NDT/NDI)，尤其涉及通过采用抖动发脉冲和平均化来进行噪声降低的超声波装置。
背景技术
在超声波检测中，使用单个元件(传统的UT)或诸如相控阵列仪器等的多个元件来向对象发脉冲。如此产生的回波由这些元件接收到，进行数字化和分析以突出目标检测对象中的任何缺陷。各元件可以用于进行高频声波或回波信号的发送和接收这两者，或者可以将这些元件配对，以使得一个元件用作发送器，而另一元件用作接收器。
在大多类型的超声波检测中，回波信号中的噪声属于正常存在。这些噪声混入回波信号中但并不代表检测对象的特性。白噪声可能来自于诸如由于来自电子组件的热所引起的热源噪声等的多个源。已作出了现有成果以去除白噪声。
在一个现有成果中，为了帮助去除白噪声，代替仅发脉冲一次，可以先进行多次获取然后再对响应信号平均化。然而，在每次获取之后，后续波形继承先前波形的剩余能量，其中该剩余能量被称为处理通道内的“声波噪声”。因此，仍面临以最大程度地去除或消除白噪声和声波噪声这两者的挑战。
在另一现有成果中，通过数字处理来进行平均化以降低白噪声。所有脉冲是按时间间隔相等的预定时间梯度(时间“T”)来发送的。对所发射的多个脉冲进行平均化。将捕获先前各脉冲的先前获取窗口中的结果信号与后续获取窗口相加。不幸地，例如，在第二个脉冲开始时，仍剩余从第一个脉冲剩下的被称为声波噪声(或“拖尾”)的声波能量。然后，第二获取窗口内的结果信号将因第一获取窗口的“拖尾”而被损坏。本领域技术人员能够理解，脉冲(在时间上)彼此越接近，对下一脉冲所剩余的声波噪声将越多。将以与通过使用这里公开的解决方案来使由于传统的平均化而产生的声波噪声的影响最小化相比较的方式，在具体说明部分中进一步说明该影响。
美国专利3,557,354使用平均化来提高信噪比并且降低白噪声。但该文献并没有涉及在降低由于累积处理所引起的声波噪声方面的努力。
在美国专利7,254,494(后面称为‘494)中还发现了使用(超声波的)脉冲猝发的时移序列来提高信噪比的另一现有成果。然而，‘494在其处理中没有使用平均化，而是运用用以识别脉冲猝发的序列的模式的方法，然后使用与该模式有关的信息来进行噪声降低。
因此，通过在数字数据处理中使用平均化来降低超声波检测装置中的白噪声、并且通过消除传统的平均化处理期间所累积的声波噪声来解决之前成果的缺点，这将充满挑战。
发明内容
因此，本发明的目的是通过大幅降低一些超声波检测仪器中使用的平均化处理期间所累积的声波残余噪声(后面称为声波噪声)来提高超声波检测仪器的精度。
本发明的另一目的如下：通过使来自所有先前脉冲的声波噪声变得不相关来降低声波噪声，以使得在具有多个获取事件的平均化或求和处理期间由于各发脉冲所引起的声波噪声彼此抵消而非增大。
本发明的又一目的是采用抖动发脉冲技术来使声波噪声与各获取事件去相关，由此可以部分消除在多个获取事件期间的声波噪声。
根据本发明的检查装置与探测器相连接，其中所述探测器用于在检测周期期间通过N个脉冲向检测对象发出诸如超声波等的检测能量，并接收N组波响应，并且根据所述N组波响应产生N组电回波信号。至少一个模数转换器用于对所述N组电回波信号进行数字化并且根据所述N组电回波信号产生N组数字化信号样本，其中所述N组数字化信号样本分别与N组获取信号样本和表示声波噪声的N组噪声信号样本相对应。具有数据处理单元的数字逻辑装置或处理器用于执行对所述N组数字化信号样本进行求和及平均化的平均化处理以产生最终检测结果。此外，所述数字逻辑装置包括脉冲发生器控制器，所述脉冲发生器控制器用于根据使所述探测器在两个脉冲之间以抖动模式发脉冲的抖动发脉冲序列来对发脉冲进行控制，以使得在所述平均化处理期间和所述检测结果中，部分消除所述N组噪声信号样本的合成影响。
根据本发明的另一方面，提供一种使无损检查或检测装置即NDT/NDI装置发脉冲的方法，所述NDT/NDI装置具有探测器，所述探测器用于在检测周期期间向检测对象发脉冲，所述方法包括以下步骤：使所述探测器根据发脉冲序列来发N个脉冲；使所述探测器接收N组波响应，并且根据所述N组波响应产生N组电回波信号；对所述N组电回波信号进行数字化以产生N组数字化信号样本，其中所述N组数字化信号样本分别与N组获取信号样本和N组噪声信号样本相对应；以及对所述N组数字化信号样本进行平均化，其中，所述发脉冲序列在两个脉冲之间具有抖动模式，以使得在所述平均化的步骤和检测结果中，部分消除所述N组噪声信号样本的合成影响。
附图说明
图1是采用抖动发脉冲并且在数据处理中进行平均化的超声波仪器所使用的优选实施例的示意图。
图2是示出根据本发明的进行平均化功能的电路组件的示意图。
图3是示出根据本发明的进行抖动发脉冲功能的电路组件的示意图。
图4是示出根据本发明的在获取周期期间利用抖动发脉冲所进行的平均化处理的波形的图。
图5是利用放大图示出在促成抖动发脉冲的图4的平均化处理期间如何降低声波噪声的效果的图。
具体实施方式
参考图1，示出了超声波仪器所使用的根据本发明的优选实施例优选包括变换器106、模拟通道101、脉冲发生器102、模数(A2D)转换器103和数字逻辑装置104。数字逻辑装置104还包括平均化单元104a和对脉冲发生器102进行控制的脉冲发生器控制单元104b。
如果使用单个元件来发送和接收，则将该单个元件插入收发器或接收器106，同时使开关105闭合。如果将两个元件配对，则接收器106和发送器107连接。图1所示的探测器元件的使用仅用于示例情况。可以使用单个、成双或阵列元件的发送器、接收器或收发器、以及设计的多个其它组合，并且本发明的范围不限于这方面。在开始获取时，数字逻辑装置104经由脉冲发生器控制单元104b使用脉冲发生器102来将第一高频脉冲发送至发送器107(在开关105闭合的情况下发送至106)。回波回到模拟通道101以通过增益和滤波处理来进行处理，然后进一步被馈送至模数转换器103。数字逻辑装置104存储该数据以供诸如平均化单元104a所进行的平均化等的将来使用。在N个获取事件期间针对一个检测周期执行N次该整个处理，其中N是平均化因数。在N次该处理之后，将平均结果打包并且发送至显示单元(未示出)以向操作员显示。
参考图2，详细说明根据本发明的平均化单元104a。可以以本领域技术人员已知的方式来设计该平均化单元以使其进行工作。以下示例情况是为了例示目的而给出的，并且平均化功能不限于该方面。在示例情况中，将来自第一个脉冲的数字化数据直接存储在存储器204中。在第二个脉冲时，在存储器204中选择来自第一个脉冲的数据并且利用加法器202将该数据与当前数据相加。将新的值存储在存储器204中。平均化控制器201针对所有脉冲选择存储器的正确地址。一旦收集了如操作员所指定的N次数据，则进行平均化，并且平均化控制器201选择与(操作员所选择的)N相对应的正确除法器203。优选N是作为2的幂的正整数。本说明书后面的图4以波形图示出该平均化的效果，从而说明该平均化处理。
现在联合参考图3和图4。图3示出脉冲发生器控制单元104b如何工作。图4示出由针对检测周期的一系列发脉冲所引起的一系列获取事件的波形。利用按各时间间隔T所发送的具有Dn的抖动的脉冲来执行抖动发脉冲。
如图3所示，定时控制器302通过使用脉冲发生器控制器301驱动数字逻辑装置外部的脉冲发生器102来开始第一次获取。寄存器304包含脉冲时间间隔T。ROM305包含针对各获取事件的抖动值Dn。然后，主计数器307开始计数，直到其达到图4所示的针对各获取事件的T+Dn为止，之后主计数器307针对由后续发脉冲所引起的新后续获取事件再次重新开始。此时利用对来自寄存器304的值和来自ROM305的Dn值相加的加法器306来实现T+Dn。利用针对各脉冲递增的脉冲计数器303来控制ROM的地址。
可想到，无论主计数器307是针对各获取事件从T0开始计数并且将nT相加还是如上所述针对各获取事件重新开始计数均是相同效果。对于连续计数的情况，通过T0+nT+Dn(其中n=1～N)来管理发脉冲点或抖动发脉冲序列，其中n是使探测器发脉冲的序列编号，N是平均化因数，并且Dn是比T小得多的抖动值。T0是整个检测的初始起点。应当理解，抖动发脉冲序列可以由主计数器307来实现并且这里的定时控制机制是以仍保持在本发明的框架内的不同方式来呈现的。
在图2所示的一个平均化处理中，优选值D0针对各脉冲相对于零随机抖动、或者至少利用相等的正负值的对进行抖动。存在多种方式来制作抖动序列并且分配Dn值。以下两个表给出针对N=8的平均化因数的值Dn的示例。如表1所示，抖动值可以是随机数。然而，在平均化系数有限的情况下，应当注意，应小心考虑以使得在一个平均化处理中，所有正抖动值的总和应大致等于负抖动值的总和。在如表2所示的另一示例中，抖动值可以是相等的正值和负值的对。
表1  针对各脉冲的随机抖动值Dn
Figure BDA0000398335220000061
表2  采用相等的正值和负值的对的抖动值
Figure BDA0000398335220000062
现在更加具体地参考图4，将说明三个获取窗口示出来自三个脉冲的回波信号的波形的三个获取事件。获取窗口是选择数字化数据样本以用在平均化处理中的时间帧。一个检测可以包括N个获取事件，其中N是如上所述的平均化因数。应当注意，在这种情况下，对于各脉冲、波形和获取窗口使用相同的附图标记。例如，脉冲401和波形401分别表示在同一获取事件内的脉冲和波形。
在平均化处理期间，针对所有的脉冲，将各获取窗口(401)中的波形401与获取窗口402中的波形402相加，等等。不幸地，在脉冲402开始时，如可以注意到的，仍存在来自上一脉冲401的声波噪声(或“拖尾”)。然后，该获取窗口内的期望信号将因401的“拖尾”而被损坏。在图5所示的放大图404和405中该影响更加明显。
进一步参考图5，其中图5示出以下：在始终按作为时间T的倍数的固定时间间隔触发脉冲的情况下，将来自前一脉冲的相同部分的拖尾与在获取窗口内的当前脉冲的回波相加。例如，拖尾401a和T0+T的交点即407a、与402a和T0+2T的交点即407b相同。按固定的计时器间隔对所有的获取窗口求和将包括回波(期望信号)和不想要的声波噪声(剩余的“拖尾”)。由于“拖尾”中剩余的残余振幅较大，因此这些脉冲(在时间上)彼此越接近，对下一脉冲剩余的声波噪声越多。这就是现有或传统的平均化处理将声波噪声相加至检测结果的原因。
图3所示的优选实施例所执行的抖动发脉冲向传统的平均化添加了重要的新颖的方面，并且降低或大幅消除了检测结果中的声波噪声。如从图4、特别是图5的放大图可以看出，通过使发射脉冲的时间偏移或抖动而进行的抖动发脉冲的效果有效地消除了声波噪声。脉冲定时的抖动去除了脉冲和声波噪声之间的相关性。该方案使声波噪声变换成白噪声。代替按固定时间间隔或T的倍数进行发脉冲，可以按时间T+/-Dn发脉冲，其中Dn根据各脉冲而不同。
图4示出了一种示例。示出最初的三个脉冲(401、402和403)。脉冲数由平均化因数N来确定。该因数通常由考虑了诸如期望精度和获取频率(PRF)等的几个因数的操作员来确定。按不同的时间(T-D1和T+D2)对来自先前脉冲的声波噪声进行采样。由于按不同定时进行采样，因此在对所有脉冲进行平均化的情况下，剩余的声波噪声将趋于消除。
参考图5，以放大比例示出“拖尾”的示例情况。优选地，在不存在来自上一脉冲的残余声波能量的影响的情况下，各获取窗口处的波形全部以振幅0开始。如果脉冲已经按固定时间间隔、即每隔时间T发生，则在各获取窗口中针对最初采样的声波噪声的振幅将相等。在图5中，针对点407a和407b，振幅为+5。这意味着对于最初三个脉冲，所相加的声波噪声误差为(0+5+5)/3=3.33。利用本发明所采用的抖动方案，声波噪声的振幅根据随机抖动间隔而不同。在这种情况下，406a的振幅在T0+T-D1处为3，并且406b的振幅在T0+T+D2处为-2。获取窗口越多并且平均化的周期越多，声波噪声越接近白噪声。作为这里示出的最初三个脉冲的示例情况，声波噪声误差为(0+3-2)/3=0.33，如本发明所公开的，这比不进行抖动的声波噪声误差小了10倍。
尽管已经与本发明的特定实施例相关地说明了本发明，但许多其它改变和变形以及其它用途对于本领域技术人员而言将变得显而易见。因此，优选本发明不由这里的特定公开来限定，而是仅由所附的权利要求书来限定。

Claims (20)

1.一种无损检查或检测装置即NDT/NDI装置，用于对检测对象进行检查，所述NDT/NDI装置包括：
探测器，用于在检测周期期间在检测位置处向检测对象发N个脉冲，以产生并接收N组波响应并且根据所述N组波响应产生N组电回波信号；
至少一个模数转换器，用于对所述N组电回波信号进行数字化并且根据所述N组电回波信号产生N组数字化信号样本，其中所述N组数字化信号样本分别与N组获取信号样本和N组噪声信号样本相对应；以及
具有数据处理单元的数字逻辑装置，用于执行对所述N组数字化信号样本进行求和及平均的平均化处理以产生最终检测结果，
其中，所述数字逻辑装置还包括脉冲发生器控制单元，所述脉冲发生器控制单元用于根据使所述探测器在两个脉冲之间以抖动模式发脉冲的抖动发脉冲序列来对发脉冲进行控制，以使得在所述平均化处理期间和所述检测结果中，部分消除所述N组噪声信号样本的合成影响。
2.根据权利要求1所述的NDT/NDI装置，其中，N是所述数字逻辑装置进行所述平均化处理所使用的平均化因数。
3.根据权利要求1所述的NDT/NDI装置，其中，所述数字逻辑装置还包括：
平均化单元，用于执行所述平均化处理，并且所述平均化单元还包括平均化控制器、数字存储器、加法器和除法器。
4.根据权利要求1所述的NDT/NDI装置，其中，所述脉冲发生器控制单元还包括定时控制器、脉冲发生器计数器、定时加法器、主计数器和脉冲发生器控制器，以实施抖动发脉冲。
5.根据权利要求1所述的NDT/NDI装置，其中，通过T0+nT+Dn来管理所述抖动发脉冲序列，其中n=1～N，n是使所述探测器发脉冲的序列编号，N是平均化因数，Dn是远小于T的抖动值。
6.根据权利要求5所述的NDT/NDI装置，其中，Dn是随机的并且是0附近的较小的数。
7.根据权利要求5所述的NDT/NDI装置，其中，Dn是成对的比T小的正数和负数。
8.根据权利要求1所述的NDT/NDI装置，其中，所述探测器包括单元件超声波发送器。
9.根据权利要求1所述的NDT/NDI装置，其中，所述探测器包括单元件收发器。
10.根据权利要求1所述的NDT/NDI装置，其中，所述探测器是双元件探测器。
11.根据权利要求1所述的NDT/NDI装置，其中，所述探测器是相控阵列探测器。
12.一种使无损检查或检测装置即NDT/NDI装置发脉冲的方法，所述NDT/NDI装置具有探测器，所述探测器用于在检测周期期间向检测对象发脉冲，所述方法包括以下步骤：
使所述探测器根据发脉冲序列来发N个脉冲；
使所述探测器接收N组波响应，并且根据所述N组波响应产生N组电回波信号；
对所述N组电回波信号进行数字化以产生N组数字化信号样本，其中所述N组数字化信号样本分别与N组获取信号样本和N组噪声信号样本相对应；以及
对所述N组数字化信号样本进行平均化，
其中，所述发脉冲序列在两个脉冲之间具有抖动模式，以使得在所述平均化的步骤和检测结果中，部分消除所述N组噪声信号样本的合成影响。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，发脉冲、数字化和平均化的步骤是由数字逻辑装置来执行的。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述数字逻辑装置还包括：
平均化单元，用于执行平均化处理，并且所述平均化单元还包括平均化控制器、数字存储器、加法器和除法器。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述数字逻辑装置还包括：
脉冲发生器控制单元，所述脉冲发生器控制单元还包括定时控制器、脉冲发生器计数器、定时加法器、主计数器和脉冲发生器控制器，以实施抖动发脉冲。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，通过T0+nT+Dn来管理抖动发脉冲序列，其中n=1～N，n是使所述探测器发脉冲的序列编号，N是平均化因数，Dn是远小于T的抖动值。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，Dn是随机的并且是0附近的较小的数。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，Dn是成对的较小的正数和负数。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述探测器包括单元件超声波探测器。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，所述探测器是多元件超声波探测器或阵列元件超声波探测器。
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