CN105044207A - 降低超声探伤仪白噪声的方法 - Google Patents

Abstract

一种降低超声探伤仪白噪声的方法，其特征是：对被测工件进行多次采样并缓存多次采样值；每次采样值包含若干个采样数据，每次采样值所包含的采样数据的个数与被测工件的采样位置的个数相同并且一一对应；对被测工件的相同采样位置的多次采样数据取其中的最小值，作为该采样位置的采样结果输出。本发明依据白噪声在任意两个时刻不相关的特点，对多次采样值用比较取最小值的方法，可以将白噪声的幅值降低，逼近白噪声的波谷值，获得更好的去噪声效果，对信噪比有明显的提高，同时可以减少缓存的次数，减少占用的存储空间，并能提高实际重复频率。

Description

降低超声探伤仪白噪声的方法

技术领域

本发明涉及信号处理方法，具体涉及一种降低超声探伤仪白噪声的方法。

背景技术

工业超声探伤仪中，由于被测工件里的缺陷可能很小，形状不规则，再加上被测工件里的超声传播衰减，由缺陷形成的超声回波能量一般都很微弱。因此，一般都会用多级放大器实现几十至上百dB可调的增益，将回波信号进行放大才能进一步处理。当回波幅度小到接近仪器系统噪声的大小时，回波信号就淹没在噪声中，导致无法分辨出是否是有用的回波信号。

工业超声探伤仪中，放大电路产生的噪声主要来源于电源的纹波，其它电路的干扰，放大电路器件的热噪声等白噪声。电源的纹波可通过使用更干净的电源减少，对于放大电路，一般会使用LDO产生其供电电源。其它电路的干扰，可通过调节电路参数，减少干扰强度和尽量让干扰落在滤波器的通带外来将干扰滤除，或者加屏蔽罩来屏蔽干扰。放大电路器件产生的白噪声是在所有频率具有相同能量密度的随机噪声，即它的功率谱密度在整个频域内均匀分布，是个常数，无法通过滤波器对其滤除。

基于白噪声的功率谱密度是个常数这一特点，有一种降低白噪声的方法是多次平均法，即对被测工件进行多次采样并缓存多次采样值，再将被测工件相同位置的多次采样值进行平均，最后将平均值输出作为该位置的采样结果。平均的样本越多，采样结果将越接近随机噪声的功率谱密度，这样可以有效地降低随机噪声的峰值。将多次采样值取平均的方法虽然能滤掉随机噪声的峰值，但是，即使缓存的次数再多，取平均最终也只会越接近白噪声的平均幅值，这个白噪声的平均值仍然有可能淹没缺陷的回波信号，影响对缺陷回波信号的提取。

多次平均法的另一个缺点是会导致实际的超声检测重复频率降低，例如取M次采样值的平均，由于需要缓存了M次数据后相加，再取平均后，才输出一次值，因此实际的超声检测脉冲重复频率是原来的1/M。实际的检测频率降低，当配合编码器实现B型扫查时，也就不得不降低扫查的速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种降低超声探伤仪白噪声的方法，这种方法能在保留检测对象缺陷回波的同时，有效地降低噪声幅度，提高信噪比。采用的技术方案如下：

一种降低超声探伤仪白噪声的方法，其特征是：对被测工件进行多次采样并缓存多次采样值；每次采样值包含若干个采样数据，每次采样值所包含的采样数据的个数与被测工件的采样位置的个数相同并且一一对应；对被测工件的相同采样位置的多次采样数据取其中的最小值，作为该采样位置的采样结果输出。

由于白噪声在任意两个时刻都是不相关的，因此对超声探伤仪来说，任意两次采样值的噪声都是随机的。对于被测工件同一位置进行多次采样，如果在这一位置没有缺陷回波，那么多次的采样值将只有随机噪声值，取最小值可以降低观察到的噪声幅度；如果该位置是有缺陷回波的，由于缺陷回波是稳定的，因此多次采样值在该处不会波动太大。用来取最小值的样本越多（即多次采样的次数越多），则最终出来的噪声波形将越逼近噪声波形的波谷。

本发明的方法通常利用FPGA（现场可编程门阵列）的内部BlockRAM或外部存储器资源缓存数据。

研究发现，只缓存前一周期的采样值用来与当前采样值比较取最小值，就已比4次或8次的采样值做平均效果要好。缓存次数较少，可以减少对缓存空间的需求，同时也减少由于缓存造成的实际重复频率降低的问题。

优选方案中，本发明的缓存机制是滑动窗口式的，每一次更新滑动窗口内的一线数据（即一个采样周期内对所有采样位置采样到的一组数据），使每个采样周期都能有采样数据输出，不会降低实际的超声检测重复频率。将缓存机制改成滑动窗口式，不是每次都将整个缓存全部更新，则能够彻底解决实际重复频率降低的问题。

滑动窗口式缓存机制按下述方式建立：根据需要缓存的采样值的次数，建立一个固定大小的缓存窗口（缓存窗口的缓存单元个数等于需要缓存的采样值的次数）；每次比较后取缓存窗口内的多次采样值与当前采样值中的最小值输出，然后将缓存窗口内最早一次的缓存数值用当前采样值覆盖（相当于将滑动窗口每次向前滑动一步），如此循环。这样既能保证每次都是从之前的最近几次采样数据中取最小值，又能保证每个周期都可以输出数据，不会降低波形显示和处理的实际重复频率。

一种具体方案中，滑动窗口式缓存机制的处理流程如下：滑动窗口缓存是由M块缓存单元首尾相连组成的环形存储器；在获得第N次采样值时，从M块缓存中读出被测工件之前的M次采样值，与当前采样值（即第N次采样值）比较后取其中的最小值送出，同时，将当前采样值延一拍后写入缓存的数据最老的那块缓存单元（即储存第（N-M）次采样值的缓存单元）；当前采样周期结束后，再将写地址指向下一块缓存单元（即储存第（N-(M-1)）次采样值的缓存单元）对应的地址；以上M、N均为大于1的自然数。将当前采样值延一拍后写入缓存的数据最老的那块缓存，延一拍的处理保证在读出数据用于比较后，再将新数据写入覆盖原先最老的数据。每次覆盖数据最老的缓存后，写地址指向下一块缓存，这样保证每次都是更新数据最老的一块缓存。优选M为2－8中的任一自然数。每个缓存单元储存一个采样周期内采样到的一次采样值。进行比较取最小值时，将同一采样位置的第（N-M）次至第N次采样数据比较后取其中的最小值，作为该采样位置的采样结果输出。每次进行数据更新（即将当前采样值写入数据最老的那块缓存单元）时，当前采样值中各采样数据一一对应地替换该块缓存单元中相同采样位置的数据。

取最小值同时也能滤除跟重复频率是异步的加性干扰。相对于很多干扰来说，超声探伤仪的重复频率很低，只要该干扰脉冲跟重复频率是异步的，该干扰在连续的重复周期内的同一位置都被采样到的概率就不大，因此，对于这种干扰脉冲，使用取最小值的方法，能被完全剔除掉，只留下随机噪声中幅度较低的值，或者保留缺陷回波的波形。

本发明依据白噪声在任意两个时刻不相关的特点，对多次采样值用比较取最小值的方法，可以将白噪声的幅值降低，逼近白噪声的波谷值，获得更好的去噪声效果，对信噪比有明显的提高，同时可以减少缓存的次数，减少占用的存储空间，并能提高实际重复频率。相比取缓存采样值平均的方法，本发明取最小值的方法可以将白噪声的幅度从逼近平均值降低到逼近波谷值，并且还能减少FPGA的内部BlockRAM或者外部存储器的占用。本发明的方法对于原有的设计的改进，只需修改FPGA逻辑中前端数据处理的对采样值处理的部分，对软件、硬件设计都无需修改，基本不增加成本，却可以获得更好的去噪声效果和性能。

附图说明

图1是本发明滑动窗口式缓存机制的处理流程图。

具体实施方式

本实施例中，降低超声探伤仪白噪声的方法，其特征是：对被测工件进行多次采样并缓存多次采样值；每次采样值包含若干个采样数据，每次采样值所包含的采样数据的个数与被测工件的采样位置的个数相同并且一一对应；对被测工件的相同采样位置的多次采样数据取其中的最小值，作为该采样位置的采样结果输出。对于被测工件同一位置进行多次采样，如果在这一位置没有缺陷回波，那么多次的采样值将只有随机噪声值，取最小值可以降低观察到的噪声幅度；如果该位置是有缺陷回波的，由于缺陷回波是稳定的，因此多次采样值在该处不会波动太大。

本实施例中，缓存机制是滑动窗口式的，每一次更新滑动窗口内的一线数据（即一个采样周期内采样到的一组数据）。滑动窗口式缓存机制按下述方式建立：根据需要缓存的采样值的次数，建立一个固定大小的缓存窗口（缓存窗口的缓存单元个数等于需要缓存的采样值的次数）；每次比较后取缓存窗口内的多次采样值与当前采样值中的最小值输出，然后将缓存窗口内最早一次的缓存数值用当前采样值覆盖（相当于将滑动窗口每次向前滑动一步），如此循环。

参考图1，本实施例中，滑动窗口式缓存机制的处理流程如下：滑动窗口缓存是由M块缓存单元首尾相连组成的环形存储器；在获得第N次采样值时，从M块缓存中读出被测工件之前的M次采样值，与当前采样值（即第N次采样值）比较后取其中的最小值送出，同时，将当前采样值延一拍后写入缓存的数据最老的那块缓存单元（即储存第（N-M）次采样值的缓存单元）；当前采样周期结束后，再将写地址指向下一块缓存单元（即储存第（N-(M-1)）次采样值的缓存单元）对应的地址；以上M、N均为大于1的自然数。例如，M等于4，则在获得第N次采样值时，从4块缓存中读出被测工件之前的4次采样值（分别为第（N-1）次采样值、第（N-2）次采样值、第（N-3）次采样值和第（N-4）次采样值），与当前采样值（即第N次采样值），对这5个采样值比较后取其中的最小值送出，同时，将当前采样值延一拍后写入缓存的数据最老的那块缓存单元（即储存第（N-4）次采样值的缓存单元）；当前采样周期结束后，再将写地址指向下一块缓存单元（即储存第（N-3）次采样值的缓存单元）对应的地址。

每个缓存单元储存一个采样周期内采样到的一次采样值。进行比较取最小值时，将同一采样位置的第（N-M）次至第N次采样数据比较后取其中的最小值，作为该采样位置的采样结果输出。每次进行数据更新（即将当前采样值写入数据最老的那块缓存单元）时，当前采样值中各采样数据一一对应地替换该块缓存单元中相同采样位置的数据。

例如，对被测工件的采样位置有512个，则每个采样周期内采样到的一次采样值包含有512个采样数据，这512个采样数据与512个采样位置一一对应。进行比较取最小值时，将第1个采样位置的第（N-M）次至第N次采样数据比较后取其中的最小值，作为第1个采样位置的采样数据输出；将第2个采样位置的第（N-M）次至第N次采样数据比较后取其中的最小值，作为第2个采样位置的采样数据输出；以此类推，得到512个采样位置的采样数据输出，其整体即为实际输出的采样值。每次进行数据更新时，当前采样值中的512个采样数据一一对应地替换数据最老的那块缓存单元中储存的512个采样数据。

本实施例可利用FPGA的内部BlockRAM或外部存储器资源缓存数据。

Claims (4)

1.一种降低超声探伤仪白噪声的方法，其特征是：对被测工件进行多次采样并缓存多次采样值；每次采样值包含若干个采样数据，每次采样值所包含的采样数据的个数与被测工件的采样位置的个数相同并且一一对应；对被测工件的相同采样位置的多次采样数据取其中的最小值，作为该采样位置的采样结果输出。

2.根据权利要求1所述的降低超声探伤仪白噪声的方法，其特征是：采用的缓存机制是滑动窗口式的，滑动窗口式缓存机制按下述方式建立：根据需要缓存的采样值的次数，建立一个固定大小的缓存窗口；每次比较后取缓存窗口内的多次采样值与当前采样值中的最小值输出，然后将缓存窗口内最早一次的缓存数值用当前采样值覆盖，如此循环。

3.根据权利要求2所述的降低超声探伤仪白噪声的方法，其特征是：所述滑动窗口式缓存机制的处理流程如下：滑动窗口缓存是由M块缓存单元首尾相连组成的环形存储器；在获得第N次采样值时，从M块缓存中读出被测工件之前的M次采样值，与当前采样值比较后取其中的最小值送出，同时，将当前采样值延一拍后写入缓存的数据最老的那块缓存单元；当前采样周期结束后，再将写地址指向下一块缓存单元对应的地址；以上M、N均为大于1的自然数。

4.根据权利要求3所述的降低超声探伤仪白噪声的方法，其特征是：M为2－8中的任一自然数。