CN105675731B - 阵列式同发、同收超声波探头的检测信号增强方法 - Google Patents

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Abstract

一种阵列式同发、同收超声波探头的检测信号增强方法，属于超声波探伤技术领域。首先，对阵列式同发、同收超声波探头的超声检测信号做小波阈值处理；其次，把经过小波阈值处理后的相邻两个通道的缺陷回波信号做线性叠加处理。小波阈值处理法可以完整的保留有用信号，抑制噪声，提高检测信号的信噪比。缺陷回波信号叠加就是利用超声波的叠加和干涉定律，对两个信号进行线性叠加处理，从而增大声场重合部分的缺陷信号。优点在于，提高了阵列式同发、同收超声波探头声场重合部分的检测灵敏度和信噪比。

Description

阵列式同发、同收超声波探头的检测信号增强方法
技术领域
本发明属于超声波探伤技术领域，特别是提供了一种阵列式同发、同收超声波探头的检测信号增强方法。
背景技术
在自动化超声波探伤中，通常采用多组探头交错并排方式来消除检测盲区，防止漏检，该方式所需的探头数量较多，检测成本高。为了减少探头的数量，降低检测成本，可采用阵列式同发、同收超声波探头来代替传统的多组探头交错并排的方式，在消除探头之间检测盲区的同时，可以减少探头的数量，提高检测效率。但是，阵列式同发、同收超声波探头通过相邻晶片所产生的声场重合部分来消除检测盲区，该声场重合部分的信号属于声场的旁瓣信号，信号强度微弱，这就导致该区域检测的灵敏度不高，信噪比较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阵列式同发、同收超声波探头的检测信号增强方法，解决了阵列式同发、同收超声波探头的检测信号问题。提高了阵列式同发、同收超声波探头声场重合部分的检测灵敏度和信噪比。
该方法包括两部分内容，首先，对阵列式同发、同收超声波探头的超声检测信号做小波阈值处理；其次，把经过小波阈值处理后的相邻两个通道的缺陷回波信号做叠加处理。
所述的小波阈值处理包括硬阈值法或软阈值法。所述的缺陷回波信号叠加处理就是指对缺陷回波信号做简单的线性叠加。
本发明所提供的阵列式同发、同收超声波探头中，同组晶片的规格大小一致，同组晶片同时激励产生超声波信号，各晶片所产生的超声波声场特性一致，且同时接收超声回波信号。在接收到的超声回波信号中，如果相邻两个通道同时接收到声场重合部分的缺陷回波信号，且缺陷回波信号的幅值不大于主声场中一次底波幅值的30％，首先，利用小波变换处理微弱信号的优势，对各通道的检测信号进行小波阈值处理。再把经过小波阈值处理后的相邻两个通道的缺陷回波信号相叠加，从而增大声场重合部分的缺陷信号幅值，提高检测灵敏度。
超声检测信号经小波变换后，有用信号产生的小波系数幅值大，数目少，而噪声产生的小波系数幅值小，数目多。基于小波变换的上述特点，通过在不同尺度上选取适当的阈值，将小波系数进行阈值化处理，剔除小于阈值的小波系数，保留大于阈值的小波系数，从而使得原始超声检测信号中的噪声得到抑制，最后进行小波逆变换，得到原始超声检测信号的最优估计。小波阈值算法的具体步骤为：
(1)选取合适的小波函数对原始超声检测信号进行小波变换，得到各尺度上的小波系数。对于长度为N的原始超声检测信号f(t)，设N＝2J，利用小波变换的快速算法获得低分辨率L(0≤L<J)下的尺度系数{vL，k，k＝1，2，…，2L}及各分辨率下的小波系数{wj，k，j＝L，L+1，…，J-1，k＝1，2，…，2j}，其中尺度系数和小波系数共N个。在处理边界时，可以采用周期延拓的方法。
(2)对各尺度小波系数进行非线性阈值化处理。为保持信号的整体形状不变，保留所有低分辨率下的尺度系数vL，k。取Donoho提出的通用阈值σ为高斯白噪声的标准方差，N为带噪信号的长度。对每个小波系数wj，k，可采用软阈值或硬阈值的方法来进行处理。
①软阈值：
将带噪信号的小波系数wj，k与所选定的阈值λ进行比较，大于等于阈值的点取该点与阈值的差；小于等于阈值相反数的点取该点与阈值的和；幅值小于阈值的点取为零。
②硬阈值：
把带噪信号小波系数的绝对值wj，k与所选定的阈值λ进行比较，小于阈值的点取为零；大于等于阈值的点保持不变。
(3)进行小波逆变换。由所有低分辨率下的尺度系数vL，k以及经过阈值化处理后的小波系数来进行原始信号的重构，得到去噪后的信号。
信号叠加处理即把经过小波阈值处理后的相邻两个通道的缺陷回波信号做线性相叠加。
所述的小波阈值处理算法和所述的缺陷信号相叠加算法，可以通过通过DSP、FPGA实现，也可通过软件编程的方法实现。
附图说明
图1是本发明提供的阵列式同发、同收超声波探头声场示意图；
图2是本发明提供的利用阵列式同发、同收超声波探头对工件进行检测的示意图；
图3是本发明提供的对超声检测信号做小波阈值处理示意图；
图4是本发明提供的对经过小波阈值处理后的相邻两个通道的缺陷回波信号做线性相叠加处理；
图5是本发明提供的工作原理框图。
具体实施方式
为了从事探伤领域的技术人员能够更好的理解本发明所提供的阵列式同发、同收超声波探头的检测信号增强方法，下面结合具体的实施例进行更加完整、清楚的阐述。基于本实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1示出本发明所提供的阵列式同发、同收超声波探头1所产生的声场，声场中包括主声场2和相邻两个晶片重合部分的声场3。同组超声波探头1的晶片规格大小一致，同组晶片同时激励产生超声波信号，各晶片所产生的主声场2和相邻两个晶片重合部分的声场3特性一致，且同时接收超声回波信号。
图2示出本发明利用所提供的阵列式同发、同收超声波探头1来对被检工件4进行超声波探伤。入射声波由入射面5进入被检工件4，经过底面6或者缺陷7的反射又被阵列式同发、同收超声波探头1所接收。
在接收到的超声回波信号中，如果相邻两个通道同时接收到声场重合部分3的缺陷7的检测回波信号，且缺陷7的检测回波信号的幅值不大于主声场2中一次底波幅值的30％，首先，利用小波变换处理微弱信号的优势，对各通道的超声波检测信号8进行小波阈值处理，得到阈值处理后的超声波检测信号9，参考图3所示。再把经过小波阈值处理后的超声波检测信号9中相邻两个通道的缺陷回波信号相叠加，得到缺陷回波信号叠加后的检测信号10，参考图4所示出。
图5所示出本发明所提供的阵列式同发、同收超声波探头的检测信号增强方法的具体实现原理框图，包括阵列式同发、同收超声波探头和超声检测仪器，其中超声检测仪器包括发射电路，接收电路和控制单元，其中接收电路主要包括前放电路、A/D转换器和DSP单元等。发射电路产生高压同步脉冲信号，激励并联式超声探头同时发射超声波信号；前放电路对接收到的微弱的超声回波信号进行初步放大，以方便后续的处理；A/D转换器是将模拟信号转换成数字信号；DSP数字信号处理单元用来实现小波阈值处理算法、缺陷回波信号叠加算法及压缩、检波等处理；控制单元控制整个系统的时序逻辑，使得仪器各单元能够协同工作。
本发明所提供的实施例中，通过小波阈值处理法和缺陷回波信号叠加法来增强阵列式同发、同收超声波探头的检测信号。小波阈值处理法可以完整的保留有用信号，抑制噪声，提高检测信号的信噪比。缺陷回波信号叠加就是利用超声波的叠加和干涉定律，对两个信号进行线性叠加处理，从而增大声场重合部分的缺陷信号幅值，提高检测灵敏度。
本发明提供的阵列式同发、同收超声波探头的检测信号增强方法，可以提高阵列式同发、同收超声波探头的信噪比，提高声场重合区域的检测灵敏度。

Claims (2)

1.一种阵列式同发、同收超声波探头的检测信号增强方法，其特征在于，首先，对阵列式同发、同收超声波探头的超声检测信号做小波阈值处理；其次，把经过小波阈值处理后的相邻两个通道的缺陷回波信号做叠加处理；
所述的小波阈值处理包括硬阈值法或软阈值法，所述的缺陷回波信号叠加处理就是指对缺陷回波信号做简单的线性叠加；
所提供的阵列式同发、同收超声波探头中，同组晶片的规格大小一致，同组晶片同时激励产生超声波信号，各晶片所产生的超声波声场特性一致，且同时接收超声回波信号；在接收到的超声回波信号中，当相邻两个通道同时接收到声场重合部分的缺陷回波信号，且缺陷回波信号的幅值不大于主声场中一次底波幅值的30％，首先，利用小波变换处理微弱信号的优势，对各通道的检测信号进行小波阈值处理；再把经过小波阈值处理后的相邻两个通道的缺陷回波信号相叠加，从而增大声场重合部分的缺陷信号幅值，提高检测灵敏度；
超声检测信号经小波变换后，有用信号产生的小波系数幅值大，数目少，而噪声产生的小波系数幅值小，数目多；通过在不同尺度上选取适当的阈值，将小波系数进行阈值化处理，剔除小于阈值的小波系数，保留大于阈值的小波系数，从而使得原始超声检测信号中的噪声得到抑制，最后进行小波逆变换，得到原始超声检测信号的最优估计。
2.根据权利要求1所述的阵列式同发、同收超声波探头的检测信号增强方法，其特征在于，小波阈值算法的具体步骤为：
(1)选取波函数对原始超声检测信号进行小波变换，得到各尺度上的小波系数；对于长度为N的原始超声检测信号f(t)，设N＝2J，利用小波变换的快速算法获得低分辨率L下的尺度系数vL，k及各分辨率下的小波系数wj，k，其中尺度系数和小波系数共N个；在处理边界时，采用周期延拓的方法；
所述的低分辨率L的取值范围围0≤L<J，所述的尺度系数vL，k中k的范围是k＝1，2，…，2L，所述的小波系数wj，k中j和k的范围是j＝L，L+1，…，J-1，k＝1，2，…，2j；
(2)对各尺度小波系数进行非线性阈值化处理，为保持信号的整体形状不变，保留所有低分辨率下的尺度系数vL，k；取Donoho提出的通用阈值σ为高斯白噪声的标准方差，N为带噪信号的长度；对每个小波系数wj，k，采用软阈值或硬阈值的方法来进行处理；
软阈值：
将带噪信号的小波系数wj，k与所选定的阈值λ进行比较，大于等于阈值的点取该点与阈值的差；小于等于阈值相反数的点取该点与阈值的和；幅值小于阈值的点取为零；
硬阈值：
把带噪信号小波系数的绝对值wj，k与所选定的阈值λ进行比较，小于阈值的点取为零；大于等于阈值的点保持不变；
(3)进行小波逆变换，由所有低分辨率下的尺度系数vL，k以及经过阈值化处理后的小波系数来进行原始信号的重构，得到去噪后的信号。
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