CN104181234A - 一种基于多重信号处理技术的无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多重信号处理技术的无损检测方法，主要用于对混凝土结构体进行无损检测。利用剥离干扰技术剥离原始信号对回波信号的干扰，提取各点系统信号；通过截断技术提取有效信号段；基于互相关算法提取参考信号并分析待测区域，对有无缺陷，缺陷大小做出定性判断。经过层层优化处理，方法缺陷特征，实现缺陷检测。本发明不但检测方法简单而且结合利用几种处理算法的优点，提高了检测的精确度，在日常环境下能够提取出混凝土结构内部的缺陷等信息，更有效地对桥梁或建筑等混凝土结构进行质量监测和维护，可靠性高，有利于实际的推广及使用。

Description

一种基于多重信号处理技术的无损检测方法

技术领域

本发明属于超声无损检测技术领域,尤其涉及一种基于多重信号处理技术的无损检测方法。

背景技术

混凝土作为一种长期以来被广泛应用的建筑材料，一直被用在各种水利和土建等工程项目中，混凝土的质量关系到整个工程的质量。波纹管广泛应用于预应力桥梁结构中，波纹管注浆压浆是极其重要的工序，波纹管注浆压浆不密实，直接导致桥梁、梁体结构丧失使用性能，导致严重的安全问题，波纹管注浆质量检测问题急待解决.

从上个世纪20年代末开始，就有学者尝试用超声波来进行无损检测了。1929年，前苏联科学家开始尝试利用超声波来检测金属内部缺陷，并在之后研制了相关仪器；上个世纪40年代，美国学者提出了冲击波式超声检测技术，能较准确地检测出厚钢板内部的缺陷位置及尺寸；上个世纪60年代，利用超声波进行无损检测的技术作为一个有效而可靠的检测技术，已经被大量应用于工业探伤领域。国内外较常用的超声检测原理主要有：利用脉冲反射波进行检测，利用超声波的衍射时差进行检测，利用透射波进行检测，利用应力波的共振进行检测等。反射法，研究被测对象内的气泡、裂缝等结构的反射回波及工件底面的反射回波信息，进而对工件内缺陷有无、缺陷大小、缺陷位置等进行判定。衍射时差法，利用被测工件内部的裂缝端点与超声波相互作用产生的衍射信号来判断裂缝的深度。穿透法，在被测工件一端发射超声信号，并在另一端进行接收，通过接收信号的幅度、相位等参数的变化来判断缺陷情况。共振法，当被测物体的厚度与入射超声波的波长达到一定的关系时，会产生共振，因此被测物体内部存在缺陷时，共振频率将随着缺陷厚度的变化而变化，利用这一原理即可测出缺陷的相关信息。

基于脉冲回波法的超声无损检测技术越来越多且检测识别效果也较好，但仅依靠脉冲回波法是有局限性的，因为混凝土是由水泥石、砂、碎石或卵石等不同的原材料组成，结构比较复杂，内部存在各种不同的界面，超声波在介质中传播时，由于衰减现象，入射超声能量会随着传播距离的增加而逐渐减小，接收到的回波信号强度较低，且系统成分混叠，难以区分缺陷信息。现如今信号处理算法如合成孔径成像，神经网络识别，小波技术，信息熵技术等都运用过在回波信号处理上，但仅依靠一种算法效果仍然有限。为了实现更优的信号优化处理，可以组合使用多重信号处理方法，各取优点对回波信号进行多重优化，使特征更加明显化，但这种多重处理方法的组合目前还不多。故而目前的方法检测的准确度及精度还都无法达到工程要求，实测中经常出现误判。

发明内容

为了解决现上述问题，本发明提出的一种结合多种处理方法的技术方案，经剥离干扰、截取有效信号段及互相关技术等信号处理技术的组合进行多次优化回波信号后，找出缺陷特征信息，对结构体内部波纹管注浆质量情况作出准确判断。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于多重信号处理技术的无损检测方法，包括以下步骤：

S1、在待检测结构体上沿波纹管轴向选取间隔距离相等的n个位置点，发射换能器依次在每个位置点上发射超声波检测信号s_i(t)，接收换能器依次在每个位置点上接收超声波检测信号所返回的回波信号y_i(t)，其中i表示位置点序号，i＝1,2…n；

S2、对接收到的回波信号进行多重信号处理，从而找出缺陷。

进一步的，所述步骤S2对接收到的回波信号进行多重信号处理，从而找出缺陷包括如下步骤：

S21、剔除超声波检测信号s_i(t)对回波信号y_i(t)的干扰，求出系统信号N_i(t)：首先运用小波分解与重构技术处理回波信号y_i(t)，得到近似激励信号s_i,(t)，然后再根据公式(2)得到系统信号N_i(t)：

N_i(t)＝y_i(t)⊙s_i,(t)    (2)

其中，“⊙”代表解卷积运算；

S22、从系统信号N_i(t)中截取有效信号：首先根据波纹管前端距离d1以及后端距离d2，以及波速v，求出有效信号时间段范围为：[2×d1/v,2×d2/v]，根据该时间段截取出有效信号H_i(t)；

S23、通过互相关技术处理截取出来的有效信号H_i(t)，找出缺陷。

进一步的，通过互相关技术处理截取出来的有效信号H_i(t)，找出缺陷，包括如下步骤：

A、根据公式(3)将有效信号H_i(t)中i＝1,2…n时的每个信号值分别与H_i(t)本身所有的信号值做互相关运算，为了区别期间将两组H_i(t)分别标记为H_i(t)与H_j(t)，

$R_{(i,j)}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{M}\underset{t=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(t\right)H_j(t+\mathrm{\τ})---\left(3\right)$

其中，R_(i,j)(τ)表示i位置点有效信号与j位置点有效信号的互相关运算，其中i、j均为位置点序号；i＝1,2…n；j＝1,2…n；t表示H_i(t)和H_j(t)的离散时间点，τ表示时间延迟，M表示采样点个数；

B、根据公式(4)、(5)求取H_i(t)各位置点有效信号与H_j(t)中各位置点有效信号之间的归一化相关系数ρ_(i,j)，构建互相关系数矩阵A(i,j)

${\mathrm{\ρ}}_{(i,j)}=\frac{R_{(i,j)}\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\σ}}_i{\mathrm{\σ}}_j}---\left(4\right);$

其中，σ_i是H_i(t)的均方差值,σ_j是H_j(t)的均方差值；

再构建互相关系数矩阵A(i,j)，确定参考信号，

找出互相关系数矩阵A(i,j)中值最大的归一化相关系数将其记做ρ_(e,f)，该ρ_(e,f)对应着e位置点和f位置点的两个有效信号，从两个有效信号中任取一个，将其作为参考信号，记作H_k(t)；

C、根据公式(6)将参考信号H_k(t)与H_i(t)中其余的n-1个位置点处的有效信号再次做互相关运算，并求出H_k(t)与H_i(t)中剩余n-1个位置点的有效信号的归一化相关系数ρ_(k,i)；

$R_{(k,i)}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{M}\underset{t=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_k\left(t\right)H_i(t+\mathrm{\τ})---\left(6\right),$

${\mathrm{\ρ}}_{(k,i)}=\frac{R_{(k,i)}\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\σ}}_k{\mathrm{\σ}}_i}---\left(7\right),$

其中，σ_k是H_k(t)的均方差值，σ_i是H_i(t)的均方差值，i＝1,2…n，且i≠k；

再构建互相关系数矩阵B(k,i)，

B(k,i)＝ρ_(k,i)＝[ρ_(k,1) ρ_(k,2) ... ... ρ_(k,n)]    (8)，

其中i＝1,2…n，且i≠k，矩阵B(k,i)中的互相关系数ρ_(k,i)值越大说明该系数所对应的位置点的有效信号就越接近参考信号，待检测结构体中波纹管内的混凝土在该位置点的缺陷就越小，值越小说明该系数所对应的位置点的有效信号越偏离参考信号，待检测结构体中波纹管内的混凝土在该位置点的缺陷就越大，若值等于1则说明该系数所对应的位置点的有效信号与参考信号一致，待检测结构体中波纹管内的混凝土在该位置点无缺陷，其中ρ_(k,i)的取值范围为(0,1],缺陷位置点对应于ρ_(k,i)的下标i。

本发明所达到的有益效果是：通过算法对回波信号进行剥离、截取、互相关等多重处理，找出缺陷特征信息，对待检测结构体内部情况作出准确判断，避免了高端精密仪器的使用，节省了成本，并且操作可行性很高。

附图说明

图1是本发明中换能器组在待检测结构体上延波纹管径向移动的示意图；

图2是本发明的截取有效信号的原理图。

具体实施方式

为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

参照图1-图2，一种基于多重信号处理技术的无损检测方法，包括以下步骤：

步骤1、在待检测结构体1上沿波纹管轴向选取间隔距离相等的n个位置点，发射换能器4依次在每个位置点上发射超声波检测信号s_i(t)，该信号为高频激励信号，接收换能器3依次在每个位置点5上接收超声波检测信号所返回的回波信号y_i(t)，其中i表示位置点序号，i＝1,2…n；

步骤2、对接收到的回波信号进行多重信号处理，从而找出缺陷。

在检测时，我们会在结构体的位置点5上通过发射换能器发射高频激励信号s_i(t)，接收换能器在该位置点上接收到s_i(t)所返回的回波信号y_i(t)，因为y_i(t)是s_i(t)经过混凝土结构体系统后得到的，所以其携带有系统信号N_i(t)，具体关系为：s_i(t)*N_i(t)＝y_i(t)    (1)，我们需要将系统信号N_i(t)剥离出来，首先我们可以运用小波分解与重构技术处理回波信号y_i(t)，得到近似激励信号s_i,(t),再根据公式(2)利用解卷积反解特性可以得到系统信号N_i(t)，N_i(t)＝y_i(t)⊙s_i,(t)    (2)，式(1)式(2)中，i＝1,2…n，“*”代表卷积运算，“⊙”代表解卷积运算。

由于我们最终需要检测的对象是波纹管中混凝土注浆的质量情况，所以只有波纹管2内壁直径的这段信号是我们所需要的，我们称之为有效信号，我们需要将其截取出来，

首先我们根据换能器到波纹管2内壁前端距离d1以到波纹管内壁后端距离d2，以及波速v，求出有效信号时间段范围为：[2×d1/v,2×d2/v]，该时间段内的信号即为有效信号H_i(t)，将其截取出来；接下来我们再运用互相关技术处该有效信号H_i(t)，找出缺陷，具体包括如下步骤：

步骤A、根据公式(3)将有效信号H_i(t)中i＝1,2…n时的每个信号值分别与H_i(t)本身所有的信号值做互相关运算，为了区别期间将两组H_i(t)分别标记为H_i(t)与H_j(t)，

$R_{(i,j)}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{M}\underset{t=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(t\right)H_j(t+\mathrm{\τ})---\left(3\right)$

其中，R_(i,j)(τ)表示i位置点有效信号与j位置点有效信号的互相关运算，其中i、j均为位置点序号；i＝1,2…n；j＝1,2…n；t表示H_i(t)和H_j(t)的离散时间点，τ表示时间延迟，M表示采样点个数；

步骤B、根据公式(4)、(5)求取H_i(t)各位置点有效信号与H_j(t)中各位置点有效信号之间的归一化相关系数ρ_(i,j)，构建互相关系数矩阵A(i,j)

${\mathrm{\ρ}}_{(i,j)}=\frac{R_{(i,j)}\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\σ}}_i{\mathrm{\σ}}_j}---\left(4\right);$

其中，σ_i是H_i(t)的均方差值,σ_j是H_j(t)的均方差值；

再构建互相关系数矩阵A(i,j)，确定参考信号，

找出互相关系数矩阵A(i,j)中值最大的归一化相关系数将其记做ρ_(e,f)，该ρ_(e,f)对应着e位置点和f位置点的两个有效信号，从两个有效信号中任取一个，将其作为参考信号，记作H_k(t)，其中k代表该参考信号的具体位置点的序号；

步骤C、根据公式(6)将参考信号H_k(t)与H_i(t)中其余的n-1个位置点处的有效信号再次做互相关运算，并求出H_k(t)与H_i(t)中剩余n-1个位置点的有效信号的归一化相关系数ρ_(k,i)；

$R_{(k,i)}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{M}\underset{t=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_k\left(t\right)H_i(t+\mathrm{\τ})---\left(6\right),$

${\mathrm{\ρ}}_{(k,i)}=\frac{R_{(k,i)}\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\σ}}_k{\mathrm{\σ}}_i}---\left(7\right),$

其中，R_(k,i)(τ)表示k位置点有效信号与i位置点有效信号的互相关运算，σ_k是H_k(t)的均方差值，σ_i是H_i(t)的均方差值，i＝1,2…n，且i≠k；

再构建互相关系数矩阵B(k,i)，

B(k,i)＝ρ_(k,i)＝[ρ_(k,1) ρ_(k,2) ... ... ρ_(k,n)]    (8)，

其中i＝1,2…n，且i≠k，矩阵B(k,i)中的互相关系数ρ_(k,i)值越大说明该系数所对应的位置点5的有效信号就越接近参考信号，待检测结构体1中波纹管2内的混凝土在该位置点5的缺陷就越小，值越小说明该系数所对应的位置点5的有效信号越偏离参考信号，待检测结构体1中波纹管2内的混凝土在该位置点5的缺陷就越大，若值等于1则说明该系数所对应的位置点5的有效信号与参考信号一致，待检测结构体1中波纹管2内的混凝土在该位置点无缺陷，其中ρ_(k,i)的取值范围为(0,1],缺陷位置点对应于ρ_(k,i)的下标i。

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于多重信号处理技术的无损检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、在待检测结构体上沿波纹管轴向选取间隔距离相等的n个位置点，发射换能器依次在每个位置点上发射超声波检测信号s_i(t)，接收换能器依次在每个位置点上接收超声波检测信号所返回的回波信号y_i(t)，其中i表示位置点序号，i＝1,2…n；

S2、对接收到的回波信号进行多重信号处理，从而找出缺陷。

2.根据权利要求1所述的一种基于多重信号处理技术的无损检测方法，其特征在于：所述步骤S2对接收到的回波信号进行多重信号处理，从而找出缺陷包括如下步骤：

S21、剔除超声波检测信号s_i(t)对回波信号y_i(t)的干扰，求出系统信号N_i(t)：首先运用小波分解与重构技术处理回波信号y_i(t)，得到近似激励信号s_i,(t)，然后再根据公式(2)得到系统信号N_i(t)：

N_i(t)＝y_i(t)⊙s_i,(t)    (2)

其中，“⊙”代表解卷积运算；

S22、从系统信号N_i(t)中截取有效信号：首先根据波纹管前端距离d1以及后端距离d2，以及波速v，求出有效信号时间段范围为：[2×d1/v,2×d2/v]，根据该时间段截取出有效信号H_i(t)；

S23、通过互相关技术处理截取出来的有效信号H_i(t)，找出缺陷。

3.根据权利要求2所述的一种基于多重信号处理技术的无损检测方法，其特征在于：通过互相关技术处理截取出来的有效信号H_i(t)，找出缺陷，包括如下步骤：

A、根据公式(3)将有效信号H_i(t)中i＝1,2…n时的每个信号值分别与H_i(t)本身所有的信号值做互相关运算，为了区别期间将两组H_i(t)分别标记为H_i(t)与H_j(t)，

$R_{(i,j)}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{M}\underset{t=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\left(t\right)H_j(t+\mathrm{\τ})---\left(3\right)$

其中，R_(i,j)(τ)表示i位置点有效信号与j位置点有效信号的互相关运算，其中i、j均为位置点序号；i＝1,2…n；j＝1,2…n；t表示H_i(t)和H_j(t)的离散时间点，τ表示时间延迟，M表示采样点个数；

B、根据公式(4)、(5)求取H_i(t)各位置点有效信号与H_j(t)中各位置点有效信号之间的归一化相关系数ρ_(i,j)，构建互相关系数矩阵A(i,j)

${\mathrm{\ρ}}_{(i,j)}=\frac{R_{(i,j)}\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\σ}}_i{\mathrm{\σ}}_j}---\left(4\right);$

其中，σ_i是H_i(t)的均方差值,σ_j是H_j(t)的均方差值；

再构建互相关系数矩阵A(i,j)，确定参考信号，

找出互相关系数矩阵A(i,j)中值最大的归一化相关系数将其记做ρ_(e,f)，该ρ_(e,f)对应着e位置点和f位置点的两个有效信号，从两个有效信号中任取一个，将其作为参考信号，记作H_k(t)；

C、根据公式(6)将参考信号H_k(t)与H_i(t)中其余的n-1个位置点处的有效信号再次做互相关运算，并求出H_k(t)与H_i(t)中剩余n-1个位置点的有效信号的归一化相关系数ρ_(k,i)；

$R_{(k,i)}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{M}\underset{t=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{H}_k\left(t\right)H_i(t+\mathrm{\τ})---\left(6\right),$

${\mathrm{\ρ}}_{(k,i)}=\frac{R_{(k,i)}\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\σ}}_k{\mathrm{\σ}}_i}---\left(7\right),$

其中，σ_k是H_k(t)的均方差值，σ_i是H_i(t)的均方差值，i＝1,2…n，且i≠k；

再构建互相关系数矩阵B(k,i)，

B(k,i)＝ρ_(k,i)＝[ρ_(k,1) ρ_(k,2) ... ... ρ_(k,n)]    (8)，

其中i＝1,2…n，且i≠k，矩阵B(k,i)中的互相关系数ρ_(k,i)值越大说明该系数所对应的位置点的有效信号就越接近参考信号，待检测结构体中波纹管内的混凝土在该位置点的缺陷就越小，值越小说明该系数所对应的位置点的有效信号越偏离参考信号，待检测结构体中波纹管内的混凝土在该位置点的缺陷就越大，若值等于1则说明该系数所对应的位置点的有效信号与参考信号一致，待检测结构体中波纹管内的混凝土在该位置点无缺陷，其中ρ_(k,i)的取值范围为(0,1],缺陷位置点对应于ρ_(k,i)的下标i。