CN104330475A - 基于超声背向散射衰减系数谱的金属防伪辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声背向散射衰减系数谱的金属防伪辨识方法，其通过参考样品预处理、采集时域信号、计算参考样品的衰减系数谱、计算参考样品中衰减系数谱的自相关系数、计算待测样品与参考样品衰减系数谱之间的相关系数五个步骤完成金属材料的真伪鉴别，本发明无需要对金属制品进行破坏，鉴别过程中也不会对其产生伤害，实现无损鉴别，此外，相对于传统的物理及化学鉴别方法来说，本发明单独鉴别即可得出金属真伪的结果，而且鉴别结果准确合理，相对鉴别方法简单，成本低廉，辨识速度快，还易于实现在线鉴别，适于推广应用。

Description

基于超声背向散射衰减系数谱的金属防伪辨识方法

技术领域

本发明涉及金属的鉴别技术领域，特别涉及一种基于超声背向散射衰减系数谱的金属防伪辨识方法。

背景技术

金属材料的防伪辨识技术具有广阔而十分重要的应用背景.工业生产中，由于全球资源逐渐减少导致贵重金属价格一路攀升，不法企业可能会如古希腊那位制作王冠的工匠一样，采用合金或其他欺诈手段替代贵金属降低产品成本，以次充好，若无科学手段对其防伪辨识则会给生产和生活带来重大损失.实际在金属贵重文物防伪辨识、军事装备等诸多的重大应用中，尤其需要具备极高分辨能力的金属防伪辨识技术.

目前，常用的金属材料的鉴别方法有物理鉴别和化学鉴别。其中，物理鉴别方法是针对金属的宏观物理特征及金属在物理过程中表现出的微观特征进行的。常用的有感官鉴别、断口鉴别和火花鉴别等。

由于物理鉴别方法简便易行、现场性好，分析精度可从定性到半定量，对于一般常用金属材料，此方法能够满足，但是其存在一定的局限性，有些鉴别方法是有损的，需要对金属制品进行破坏后才能进行鉴别，而且其误差都较大，有时不准确。

化学鉴别是根据化学反应来分析金属的组成成分来鉴别是何种金属。常用的化学成分分析方法有滴定分析方法、重量分析法和容量分析法等。其中，滴定分析法是充分利用化学反应的计量关系来实现定量分析，这种计量关系可以是直接的，也可以是间接的；重量分析法是指采用适当的分离手段，使金属中被测定元素与其它成分分离，然后用称重法来测元素含量。容量分析法是用标准溶液(已知浓度的溶液)与金属中被测元素完全反应，然后根据所消耗标准溶液的体积计算出被测定元素的含量。

化学方法相对比较准确，但是其鉴别过程而且在鉴别时发生化学反应，对金属制品会造成损伤。也有将上述的鉴别方法混合使用来鉴别，但是混合鉴别使其鉴别方法相对复杂、成本较高。

发明内容

为了克服现有技术中金属鉴别方法中所存在的不足，本发明提供了一种对鉴别金属无损伤、结果准确、辨识速度快并且易于实现在线鉴别的基于超声背向散射衰减系数谱的金属防伪辨识方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案由以下步骤组成：

(1)参考样品的预处理

对厚度至少为3mm的金属参考样品，上下表面加工平行，并对其表面进行打磨、清洗干净；

(2)采集时域信号

设定脉冲接收/发射仪的脉冲宽度为100纳秒、脉冲重复频率为100Hz，将中心频率为5～20MHz的收发探头与脉冲接收/发射仪连接后置于参考样品的表面，收发探头发射超声波脉冲信号后接收回波信号，通过与脉冲接收/发射仪连接的示波器对该回波信号进行采样，采样速率为2.5Gs/s，采样5000次取平均值，得到参考样品的时域波形；

(3)计算参考样品的衰减系数谱

提取时域波形中始波与第一次底面回波之间的散射信号，截取参考样品时域散射信号的任一时间段中局域散射信号f(t)，其时域宽度为T，T小于提取的始波与第一次底面回波之间的散射信号的时域宽度，对f(t)进行N等份，N≥2，对应每份为f(t_i)，其中1≤i≤N，取其中任意相邻的两等份i和i+1段，加汉宁窗后进行傅里叶变换，得到对应的幅度谱，分别记为|F_i(jω)|和|F_i+1(jω)|，两者满足以下关系：

|F_i+1(jω)|＝e^-2α(ω)Δd|F_i(jω)|  (1)

式中α(ω)为衰减系数，Δd＝cT/N，c为超声波在参考样品中的传播速度；

由式(1)得出：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\left[\ln \right|F_i\left(\mathrm{j\ω}\right)|-\ln |F_{i+1}\left(\mathrm{j\ω}\right)|]}{2\mathrm{\Δd}}---\left(2\right)$

(4)计算参考样品中衰减系数谱的自相关系数

重复步骤(2)和(3)至少3次，得到不同的衰减系数谱，计算衰减系数谱间的自相关系数值，标记最大自相关系数值为r_b，最小自相关系数值为r_a，取中间值r＝(r_a+r_b)/2作为该参考样品的衰减自相关系数，阈值为Δ＝(r_b-r_a)/2；

(5)计算待测样品与参考样品衰减系数谱之间的相关系数

将待测样品表面打磨并清洗干净，使其表面粗糙度与参考样品的粗糙度相同，将收发探头置于待测样品的表面上，待测样品上的测试位置以及收发探头与待测样品的耦合条件均与步骤(2)相同，重复步骤(2)和(3)至少3次，得到待测样品的衰减系数谱α_k(ω)，k为重复次数，计算参考样品与待测样品的衰减系数谱之间的相关系数值，标记最大相关系数值为r_b′，最小相关系数值为r_a′，取中间值r′＝(r_a′+r_b′)/2作为参考样品与待测样品之间的衰减相关系数；

(6)防伪辨识金属材料

将步骤(5)得到的参考样品与待测样品之间的衰减相关系数r′与步骤(4)的参考样品的衰减自相关系数r进行比较，若|r-r′|≤Δ，则确定待测样品与参考样品的材料相同，否则为相异材料，完成金属防伪辨识；

上述金属为在常温下化学性质稳定的固态纯金属或其二元、三元合金。

上述纯金属为铍、镁、铝、铟、锗、锡、铅、锑、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、锌、钇、鋯、铌、钼、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铱、铂以及金。

本发明的超声无损探测法对金属真伪的鉴别方法，其是利用不同金属材料的微观结构是独特的，所获取的金属材料的散射信息不同的特性，提取超声波在金属材料内部的背向散射信号，截取时域散射信号的某一时间段中的时域信号，傅里叶变换后得到相应的幅度谱和材料的衰减系数谱，以此为基础，与标准材料样品的衰减系数谱进行相关计算，得到的互相关系数与标准材料样品的自相关系数比较，鉴别出金属材料的真伪。

本发明的鉴别方法无需要对金属制品进行破坏，鉴别过程中也不会对其产生伤害，实现无损鉴别，此外，相对于传统的物理及化学鉴别方法来说，本发明单独鉴别即可得出金属真伪的结果，而且鉴别结果准确合理，相对鉴别方法简单，成本低廉，辨识速度快，还易于实现在线鉴别，适于推广应用。

附图说明

图1为实施例1的局域散射信号图。

图2为图1的局部放大图。

图3为实施例1中两相邻等份的散射信号图。

图4为实施例1中3#待测样品的衰减系数谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。

实施例1

将已知标记的420不锈铁金属制品为参考样品，基于超声背向散射衰减系数谱分别对编号为1#、2#、3#的待测样品进行防伪辨识，具体方法由以下步骤实现：

将420不锈铁金属制品与另外两种金属试样分别为304不锈钢、铝2A12的试样相混，它们外形均为圆柱体，其厚度为15mm，直径为47.1mm，待测样品编号如表1所示。

表1待测样品的样表

编号	材质类别
		1#	304不锈钢
2#	铝2A12
		3#	420不锈铁

(1)参考样品的预处理

对已知标准420不锈铁材质的参考样品进行预处理，加工成厚度为15mm，直径为47.1mm的圆柱体结构，将其上下表面打磨光滑并用清水冲洗干净。

(2)采集时域信号

选用市售的5077PR脉冲接收/发射仪，将其分别与收发探头、Tektronix-DPO5034B数字示波器连接，示波器与计算机连接，选用中心频率为10MHz的收发探头，先设定脉冲接收/发射仪的脉冲宽度为100纳秒、脉冲重复频率为100Hz，将收发探头放置在参考样品的表面，使收发探头与参考样品耦合接触，耦合剂为甘油，收发探头发射超声波脉冲信号，超声波脉冲在参考样品中传播，遇到金属晶粒会产生背向散射，声波传到其底面后产生回波，背向散射波和回波都会被探头接收到，并传送至脉冲接收/发射仪，通过示波器对所采集的背向散射波和回波进行采样，采样速率为2.5Gs/s，采样5000次取平均值，之后送入计算机，利用编制好的常规程序进行信息处理，得到参考样品的时域波形；

(3)计算参考样品的衰减系数谱

位于始波和第一次底面回波及其他各回波之间的草状信号即为散射波，提取该时域波形中始波与第一次底面回波之间的散射信号，该信号是由不同深度处参考样品内部的晶粒散射所致，截取时域散射信号中某一时间段，即为从2.4261×10^-6到3.8284×10^-6s时间段中的时域宽度T为1.4023×10^-6s处的局域散射信号f(t)，参见图1和图2，其时域宽度T为1.4023×10^-6s，T应满足小于提取的始波与第一次底面回波之间的散射信号的时域宽度的条件，之后对f(t)进行N等份，N＝2，对应每份为f(t_i)，其中1≤i≤N，取i和i+1段，参见图3，加汉宁窗后进行傅里叶变换，得到对应的幅度谱，分别记为|F_i(jω)|和|F_i+1(jω)|，两者满足以下关系：

|F_i+1(jω)|＝e^-2α(ω)Δd|F_i(jω)|   (1)

式中α(ω)为衰减系数，Δd＝cT/N，c为超声波在参考样品中的传播速度；

由式(1)得出：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\left[\ln \right|F_i\left(\mathrm{j\ω}\right)|-\ln |F_{i+1}\left(\mathrm{j\ω}\right)|]}{2\mathrm{\Δd}}---\left(2\right)$

(4)计算参考样品中衰减系数谱的自相关系数

重复步骤(2)和(3)6次，得到6个不同的衰减系数谱，参见图4，计算衰减系数谱间的自相关系数值，最大自相关系数值r_b是0.99923，最小自相关系数值为r_a为0.98102，取中间值r＝(r_a+r_b)/2作为该参考样品的衰减自相关系数，阈值为Δ＝(r_b-r_a)/2，具体如表2；

表2标准试样衰减自相关系数

(5)计算待测样品与参考样品衰减系数谱之间的相关系数

将上述1#、2#、3#待测样品的表面分别打磨并清洗干净，使其表面粗糙度与参考样品的粗糙度相同，按照前述步骤(2)相同的操作将收发探头置于3#待测样品的表面上，测试位置以及收发探头与3#待测样品的耦合条件均与步骤(2)相同，重复步骤(2)和(3)各6次，得到3#待测样品的衰减系数谱α_k(ω)，k＝6，即为重复的次数，将3#待测样品与参考样品比较，计算出参考样品与3#待测样

品的衰减系数谱之间的相关系数值r′，衰减相关系数的具体计算公式为

$r_k^{\′}=\frac{\mathrm{\Σ\α}\left(\mathrm{\ω}\right)\·{\mathrm{\α}}_k\left(\mathrm{\ω}\right)-\frac{\mathrm{\Σ\α}\left(\mathrm{\ω}\right)\·\mathrm{\Σ}{\mathrm{\α}}_k\left(\mathrm{\ω}\right)}{n}}{\sqrt{\{\mathrm{\Σ}{\left[\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)\right]}^2-\frac{{\left[\mathrm{\Σ\α}\left(\mathrm{\ω}\right)\right]}^2}{n}\}\·\left\{\mathrm{\Σ}\right[{\mathrm{\α}}_k\left(\mathrm{\ω}\right){]}^2-\frac{{\left[\mathrm{\Σ}{\mathrm{\α}}_k\left(\mathrm{\ω}\right)\right]}^2}{n}\}}}---\left(3\right)$

式中，n为谱中点的个数。

选最大相关系数值r_b′为0.99680，最小相关系数值r_a′为0.98056，取中间值r′＝(r_a′+r_b′)/2作为参考样品与3#待测样品之间的衰减相关系数，即为0.98868。

按照上述的方法计算1#和2#待测样品与参考样品的衰减相关系数，结果如表3所示：

表3各待测样品与参考样品间的衰减相关系数

(6)防伪辨识金属材料

将步骤(5)得到的参考样品与1#、2#、3#待测样品之间的衰减相关系数r′与步骤(4)的参考样品的衰减自相关系数r进行比较，若|r-r′|≤Δ，则确定待测样品与参考样品的材料相同，否则为相异材料，完成金属防伪辨识。

表4辨识结果

从上述表4的辨识结果可知，辨识的结果与实际一致，说明本发明的基于超声背向散射衰减系数谱的金属防伪辨识方法结果准确，而且可以快速实现金属防伪辨识。

实施例2

本实施例的基于超声背向散射衰减系数谱的金属防伪辨识方法中，步骤(1)中选用参考样品是厚度为3mm，长×宽为40×30mm的长方体，对其表面进行打磨、清洗干净。步骤(2)中，选用市售的5077PR脉冲接收/发射仪，将其分别与收发探头、Tektronix-DPO5034B数字示波器连接，示波器与计算机连接，选用中心频率为5MHz的收发探头，其他的操作与实施例1相同。步骤(3)提取时域波形中始波与第一次底面回波之间的散射信号，截取局域散射信号f(t)，截取时域宽度为T，对f(t)进行N等份，N为5，可根据实际情况进行调整，对应每份为f(t_i)，其中1≤i≤N，取其中任意相邻的两等份i和i+1段，加汉宁窗后进行傅里叶变换，得到对应的幅度谱，得到参考样品中衰减系数谱。步骤(4)中重复步骤(2)和(3)3次，得到3个不同的衰减系数谱，其他的操作与实施例1相同。步骤(5)将待测样品表面打磨并清洗干净，使其表面粗糙度与参考样品的粗糙度相同，将收发探头置于待测样品的表面上，待测样品上的测试位置以及收发探头与待测样品的耦合条件均与步骤(2)相同，重复步骤(2)和(3)3次，得到待测样品的衰减系数谱α_k(ω)，k为重复次数，计算参考样品与待测样品的衰减系数谱之间的相关系数值，标记最大相关系数值为r_b′，最小相关系数值为r_a′，取中间值r′＝(r_a′+r_b′)/2作为参考样品与待测样品之间的衰减相关系数。

其他的步骤与实施例1相同，完成待测样品的金属材质辨识。

实施例3

本实施例的基于超声背向散射衰减系数谱的金属防伪辨识方法中，步骤(1)中选用参考样品是厚度为10mm，长×宽为30×25mm的长方体，对其表面进行打磨、清洗干净。步骤(2)中，选用市售的5077PR脉冲接收/发射仪，将其分别与收发探头、Tektronix-DPO5034B数字示波器连接，示波器与计算机连接，选用中心频率为20MHz的收发探头，其他的操作与实施例1相同。步骤(3)提取该时域波形中始波与第一次底面回波之间的散射信号，截取时域散射信号中的局域散射信号f(t)，对f(t)进行10等份，对应每份为f(t_i)，其中1≤i≤N，取其中任意相邻的两等份i和i+1段，加汉宁窗后进行傅里叶变换，得到对应的幅度谱，得到参考样品中衰减系数谱。步骤(4)中重复步骤(2)和(3)8次，得到8个不同的衰减系数谱，其他的操作与实施例1相同。步骤(5)将待测样品表面打磨并清洗干净，使其表面粗糙度与参考样品的粗糙度相同，将收发探头置于待测样品的表面上，待测样品上的测试位置以及收发探头与待测样品的耦合条件均与步骤(2)相同，重复步骤(2)和(3)8次，得到待测样品的衰减系数谱α_k(ω)，k为重复次数，计算参考样品与待测样品的衰减系数谱之间的相关系数值，标记最大相关系数值为r_b′，最小相关系数值为r_a′，取中间值r′＝(r_a′+r_b′)/2作为参考样品与待测样品之间的衰减相关系数。

其他的步骤与实施例1相同，完成待测样品的金属材质辨识。

本发明的方法还可以用于鉴别不锈铁之外的其他常温下化学性质稳定的固态纯金属或其合金，如：铍、镁、铝、铟、锗、锡、铅、锑、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、锌、钇、鋯、铌、钼、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铱、铂、金等纯金属及上述任意两种或三种或多种构成的二元合金或三元或多元合金，如铜合金、钢合金、铝合金、钛合金、镁合金、镁铝合金，铁锌合金，铜锌合金、球墨铸铁等等，具体的辨识过程与上述实施例相同，而且辨识结果准确无误。

Claims (2)

1.一种基于超声背向散射衰减系数谱的金属防伪辨识方法，由以下步骤组成：

(1)参考样品的预处理

对厚度至少为3mm的金属参考样品，上下表面加工平行，并对其表面进行打磨、清洗干净；

(2)采集时域信号

设定脉冲接收/发射仪的脉冲宽度为100纳秒、脉冲重复频率为100Hz，将中心频率为5～20MHz的收发探头与脉冲接收/发射仪连接后置于参考样品的表面，收发探头发射超声波脉冲信号后接收回波信号，通过与脉冲接收/发射仪连接的示波器对该回波信号进行采样，采样速率为2.5Gs/s，采样5000次取平均值，得到参考样品的时域波形；

(3)计算参考样品的衰减系数谱

提取时域波形中始波与第一次底面回波之间的散射信号，截取参考样品时域散射信号的任一时间段中局域散射信号f(t)，其时域宽度为T，T小于提取的始波与第一次底面回波之间的散射信号的时域宽度，对f(t)进行N等份，N≥2，对应每份为f(t_i)，其中1≤i≤N，取其中任意相邻的两等份i和i+1段，加汉宁窗后进行傅里叶变换，得到对应的幅度谱，分别记为|F_i(jω)|和|F_i+1(jω)|，两者满足以下关系：

$\left|F_{i+1}\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|=e^{-2\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\Δd}}\left|F_i\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|---\left(1\right)$

式中α(ω)为衰减系数，Δd＝cT/N，c为超声波在参考样品中的传播速度；

由式(1)得出：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\left[1n\right|F_i\left(\mathrm{j\ω}\right)|-1n|F_{i+1}\left(\mathrm{j\ω}\right)\left|\right]}{2\mathrm{\Δd}}---\left(2\right)$

(4)计算参考样品中衰减系数谱的自相关系数

重复步骤(2)和(3)至少3次，得到不同的衰减系数谱，计算衰减系数谱间的自相关系数值，标记最大自相关系数值为r_b，最小自相关系数值为r_a，取中间值r＝(r_a+r_b)/2作为该参考样品的衰减自相关系数，阈值为Δ＝(r_b-r_a)/2；

(5)计算待测样品与参考样品衰减系数谱之间的相关系数

将待测样品表面打磨并清洗干净，使其表面粗糙度与参考样品的粗糙度相同，将收发探头置于待测样品的表面上，待测样品上的测试位置以及收发探头与待测样品的耦合条件均与步骤(2)相同，重复步骤(2)和(3)至少3次，得到待测样品的衰减系数谱α_k(ω)，k为重复次数，计算参考样品与待测样品的衰减系数谱之间的相关系数值，标记最大相关系数值为r_b′，最小相关系数值为r_a′，取中间值r′＝(r_a′+r_b′)/2作为参考样品与待测样品之间的衰减相关系数；

(6)防伪辨识金属材料

将步骤(5)得到的参考样品与待测样品之间的衰减相关系数r′与步骤(4)的参考样品的衰减自相关系数r进行比较，若|r-r′|≤Δ，则确定待测样品与参考样品的材料相同，否则为相异材料，完成金属防伪辨识；

上述金属为在常温下化学性质稳定的固态纯金属或其二元、三元合金。

2.根据权利要求1所述的超声无损探测法对金属真伪的鉴别方法，其特征在于：所述纯金属为铍、镁、铝、铟、锗、锡、铅、锑、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、锌、钇、鋯、铌、钼、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铱、铂以及金。