CN106442744A - 一种去除超声探头响应特性的超声波信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种去除超声探头响应特性的超声波信号处理方法，包括步骤：一、制作标准大平面试块；二、采集超声探头在标准大平面试块的底面回波；三、计算标准大平面试块的空间脉冲响应；四、反卷积求探头响应特性；五、对实际检测中的超声回波信号k(t)进行维纳滤波反卷积计算，得到去除了超声探头响应特性的被检测物质的响应函数。本发明方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便，实现成本低，能够突出缺陷的特征，能够得到准确的结果，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

Description

一种去除超声探头响应特性的超声波信号处理方法
技术领域
本发明属于超声无损检测技术领域，具体涉及一种去除超声探头响应特性的超声波信号处理方法。
背景技术
超声检测通过分析暂态声场与缺陷相互作用后的回波实现对缺陷的诊断和评价，是应用最为广泛的一种无损检测方法。超声回波由检测系统的特性和缺陷特性共同决定，检测系统特性主要受超声探头的电-声和声-电特性决定，同一批探头因为制造工艺、压电材料性能参数的差异，表现出来的特性不一样。压电材料经受高频振动，退极化倾向大，易引起压电材料电性能的老化，使探头响应特性变化，影响对回波的准确判断。特别是当缺陷特性相似的时候，如果采用不同的探头，就会得到差异较大的超声回波，导致缺陷评价不准确。为了突出缺陷的特性，很有必要去除探头响应特性对回波信号的影响。
基于超声信号产生及超声波在介质内的传播模型，超声回波是探头响应特性与缺陷特性的时域卷积，因此对超声回波信号进行反卷积处理就成为解决这一问题的最佳途径。工程中常用的反卷积方法有同态反卷积和最小熵反卷积等。当系统是最小相位系统时，解卷积问题不难解决，当系统是非最小相位，应用同态反卷积和预测反卷积比较困难，会产生病态问题。最小熵反卷积非常适用于非最小相位或非线性系统的反卷积方法，这种方法通过迭代找到使输出序列熵最小的逆滤波器，其结果是一种折衷的方案，并不是最优的。因为超声检测系统的未知性，超声信号的反卷积问题是一个盲反卷积问题，可以通过求超声探头响应特性函数的方法把盲卷积问题转换成常规反卷积。超声探头的响应特性可以采用激光测振仪测量得到，但激光测振仪价格昂贵，成本太高。有学者用逼近的办法求解探头响应特性，如Boβmann Florian基于高斯回波模型利用多次迭代的求得探头响应特性(Boβmann F,Plonka G,Peter T,et al.Sparse deconvolution methods for ultrasonic NDT[J].Journal of Nondestructive Evaluation,2012,31(3):225-244.)，梁巍利用MP集合搜索的方法逼近单个超声回波求得探头响应特性(Wei L,Huang Z,Que P.Sparsedeconvolution method for improving the time-resolution of ultrasonic NDEsignals[J].Ndt&E International,2009,42(5):430-434.)，但是，这些方法所得到的探头响应特性只是一个估计值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种去除超声探头响应特性的超声波信号处理方法，其方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便，实现成本低，能够突出缺陷的特征，能够得到准确的结果，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种去除超声探头响应特性的超声波信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、制作标准大平面试块；所述标准大平面试块的形状为圆柱形，所述标准大平面试块的底面半径Φ＝6D，所述标准大平面试块的高度H的取值范围为其中λ为超声波在标准大平面试块中的波长，当所述超声探头为圆形超声探头时，D为超声探头的直径；当所述超声探头为矩形超声探头时，D为所述矩形的长边的边长；
步骤二、采集超声探头在标准大平面试块的底面回波：将超声探头放置在标准大平面试块的顶部中心处，操作与超声探头连接的超声波探伤仪，采集超声探头在标准大平面试块的底面一次回波y(t)并传输给计算机；
步骤三、计算标准大平面试块的空间脉冲响应：将所述超声探头的换能器分割成边长为a的正方形微元，并将所述标准大平面试块的底面分割成边长为b的正方形微元，所述计算机根据公式计算标准大平面试块的空间脉冲响应h(t)；其中，*为卷积运算，ρ为标准大平面试块的密度，Sr为超声探头的换能器的表面面积，Sf为标准大平面试块的底面面积，rf为标准大平面试块的底面微元的位置矢量；rtf为超声探头的换能器微元到标准大平面试块的底面微元的位置矢量，rfr为标准大平面试块的底面微元到超声探头的换能器微元的位置矢量，h(rfr)为位置矢量rf处处标准大平面试块的底面微元对位置矢量rr处超声探头的换能器微元的空间脉冲响应且rr为超声探头的换能器微元的位置矢量，S'为位置矢量rf处标准大平面试块的底面微元的面积，c为超声波在标准大平面试块中的速度，t为时间，δ()为狄利克雷函数；h(rf)为超声探头对位置矢量rf处标准大平面试块的底面微元的空间脉冲响应且St为超声探头的换能器的表面积；θfr为位置矢量rf处标准大平面试块的底面微元和位置矢量rr处超声探头的换能器微元之间向量与标准大平面试块的底面法向量间的夹角，rp(θfr)为超声波作用在位置矢量rf处标准大平面试块的底面微元时的反射系数且m为密度比且ρ1为空气的密度，n为折射率且c1为超声波在空气中的速度；
步骤四、反卷积求探头响应特性，具体过程为：
步骤401、计算机将超声探头在标准大平面试块的底面一次回波y(t)表示为超声探头的响应v(t)与标准大平面试块的空间脉冲响应h(t)的时域卷积，用公式表示为y(t)＝v(t)*h(t)；
步骤402、对公式y(t)＝v(t)*h(t)进行反卷积，得到超声探头响应的频域表达式其中，H(ω)为h(t)的傅利叶变换，用公式表示为H(ω)＝FFT(h(t))；Y(ω)为y(t)的傅利叶变换，用公式表示为Y(ω)＝FFT(y(t))；
步骤五、对实际检测中的超声回波信号k(t)进行维纳滤波反卷积计算，得到去除了超声探头响应特性的被检测物质的响应函数其中，IFFT()为傅里叶反变换，K(ω)为k(t)的傅利叶变换，用公式表示为K(ω)＝FFT(k(t))；V(ω)*为V(ω)的共轭，Q为噪声信噪比。
上述的一种去除超声探头响应特性的超声波信号处理方法，其特征在于：步骤三中所述a的取值范围为0.5λ≤a≤λ，步骤三中所述b的取值范围为λ≤b≤2λ。
上述的一种去除超声探头响应特性的超声波信号处理方法，其特征在于：步骤五中所述Q的取值根据公式Q2＝0.07max(|V(ω)|)2计算得到，其中，max()为求最大值的运算。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用试块和回波模型求得的探头响应特性，并对实际检测中的超声回波信号进行反卷积运算，以去除探头响应特性对回波信号的影响，方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便。
2、采用本发明的方法求解得到的探头响应特性，避免了检测系统等对结果的影响，采用常规的设备和仪器就可以实现，不需要采用激光测振仪这样昂贵的设备，实现成本低，且能够得到准确的结果。
3、本发明能够有效去除探头响应特性对回波信号的影响，能够突出缺陷的特征，能够准确检测出缺陷，且避免了采用不同探头得到差异较大的超声回波的问题出现，特别适用于采用多个超声探头对大批量被检测物质进行检测的场合。
4、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便，实现成本低，能够突出缺陷的特征，能够得到准确的结果，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
图2为本发明采集超声探头在标准大平面试块的底面回波所用系统的连接关系示意图。
图3为本发明计算机接收到的超声探头在标准大平面试块的底面一次回波y(t)图。
图4为本发明标准大平面试块的空间脉冲响应如图。
图5为本发明反卷积求得的探头响应特性图。
图6为本发明实际检测中的超声回波信号图。
图7为本发明去除超声探头响应特性的被检测物质的响应函数图。
附图标记说明:
1—超声探头； 2—超声波探伤仪； 3—计算机；
4—标准大平面试块。
具体实施方式
如图1所示，本发明的去除超声探头响应特性的超声波信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、制作标准大平面试块4；所述标准大平面试块4的形状为圆柱形，所述标准大平面试块4的底面半径Φ＝6D，所述标准大平面试块4的高度H的取值范围为其中λ为超声波在标准大平面试块4中的波长，当所述超声探头1为圆形超声探头时，D为超声探头1的直径；当所述超声探头1为矩形超声探头时，D为所述矩形的长边的边长；
本实施例中，所述超声探头1为型号为2.5Z20N的圆形超声探头，D为20mm，超声探头1的中心频率为2.5MHz；所述标准大平面试块4的底面半径Φ＝120mm，超声波在标准大平面试块4中的速度为5900m/s，所述标准大平面试块4的高度H为45mm。
步骤二、采集超声探头1在标准大平面试块4的底面回波：如图2所示，将超声探头1放置在标准大平面试块4的顶部中心处，操作与超声探头1连接的超声波探伤仪2，采集超声探头1在标准大平面试块4的底面一次回波y(t)并传输给计算机3；
本实施例中，所述超声波探伤仪2的型号为CTS-4020；
本实施例中，计算机3接收到的超声探头1在标准大平面试块4的底面一次回波y(t)如图3所示；
步骤三、计算标准大平面试块4的空间脉冲响应：将所述超声探头1的换能器分割成边长为a的正方形微元，并将所述标准大平面试块4的底面分割成边长为b的正方形微元，所述计算机3根据公式计算标准大平面试块4的空间脉冲响应h(t)；其中，*为卷积运算，ρ为标准大平面试块4的密度，Sr为超声探头1的换能器的表面面积，Sf为标准大平面试块4的底面面积，rf为标准大平面试块4的底面微元的位置矢量；rtf为超声探头1的换能器微元到标准大平面试块4的底面微元的位置矢量，rfr为标准大平面试块4的底面微元到超声探头1的换能器微元的位置矢量，h(rfr)为位置矢量rf处处标准大平面试块4的底面微元对位置矢量rr超声探头1的换能器微元的空间脉冲响应且S'为位置矢量rf处标准大平面试块4的底面微元的面积，c为超声波在标准大平面试块4中的速度，t为时间，δ()为狄利克雷函数(dirichletfunction)；h(rf)为超声探头1对位置矢量rf处标准大平面试块4的底面微元的空间脉冲响应且rr为超声探头1的换能器微元的位置矢量，St为超声探头1的换能器的表面积；θfr为位置矢量rf处标准大平面试块4的底面微元和位置矢量rr处超声探头1的换能器微元之间向量与标准大平面试块4的底面法向量间的夹角，rp(θfr)为超声波作用在位置矢量rf处标准大平面试块4的底面微元时的反射系数且m为密度比且ρ1为空气的密度，n为折射率且c1为超声波在空气中的速度；
本实施例中，步骤三中所述a的取值范围为0.5λ≤a≤λ，步骤三中所述b的取值范围为λ≤b≤2λ。优选地，步骤三中所述a的取值为1.2mm，步骤三中所述b的取值为3mm。
本实施例中，计算得到的标准大平面试块4的空间脉冲响应如图4所示；
步骤四、反卷积求探头响应特性，具体过程为：
步骤401、计算机3将超声探头1在标准大平面试块4的底面一次回波y(t)表示为超声探头1的响应v(t)与标准大平面试块4的空间脉冲响应h(t)的时域卷积，用公式表示为y(t)＝v(t)*h(t)；超声波的产生和接收，是一个电到声、声到电转换的过程，同时也伴随着传播介质、耦合剂、检测仪器等对超声波信号的影响，基于线性声学假设，超声探头1回波能够表示为探头响应与缺陷空间脉冲响应的时域卷积；
步骤402、对公式y(t)＝v(t)*h(t)进行反卷积，得到超声探头1响应的频域表达式其中，H(ω)为h(t)的傅利叶变换，用公式表示为H(ω)＝FFT(h(t))；Y(ω)为y(t)的傅利叶变换，用公式表示为Y(ω)＝FFT(y(t))；
本实施例中，反卷积求得的探头响应特性如图5所示；
步骤五、对实际检测中的超声回波信号k(t)进行维纳滤波反卷积计算，得到去除了超声探头响应特性的被检测物质的响应函数其中，IFFT()为傅里叶反变换，K(ω)为k(t)的傅利叶变换，用公式表示为K(ω)＝FFT(k(t))；V(ω)*为V(ω)的共轭，Q为噪声信噪比。由于脉冲信号的频谱在低频或高频部分幅值较低，容易受到噪声干扰，简单频域相除容易导致信号失真，因此此处采用了维纳滤波反卷积来消除这种影响。
本实施例中，步骤五中所述Q的取值根据公式Q2＝0.07max(|V(ω)|)2计算得到，其中，max()为求最大值的运算。噪声信噪比Q的取值直接关系到维纳滤波反卷积计算时维纳滤波的性能，当Q取的太小时，会引入噪声，降低分辨率，当Q取的太大时，会使计算精度下降，取Q2＝0.07max(|V(ω)|)2，能够获得较好的维纳滤波效果。
本实施例中，实际检测中的超声回波信号k(t)如图6所示，从图6中可见有两个回波，但第二个缺陷波较复杂，可判断在t＝2.0μs和t＝5.0μs处分别有一个缺陷；对实际检测中的超声回波信号k(t)进行维纳滤波反卷积计算，得到去除了超声探头1响应特性的被检测物质的响应函数如图7所示，从图7可以看出，实际检测中的物体有3个缺陷，各缺陷所对应的具体时刻为t1＝1.4μs，t2＝4.3μs，t3＝5.2μs。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种去除超声探头响应特性的超声波信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、制作标准大平面试块(4)；所述标准大平面试块(4)的形状为圆柱形，所述标准大平面试块(4)的底面半径Φ＝6D，所述标准大平面试块(4)的高度H的取值范围为其中λ为超声波在标准大平面试块(4)中的波长，当所述超声探头(1)为圆形超声探头时，D为超声探头(1)的直径；当所述超声探头(1)为矩形超声探头时，D为所述矩形的长边的边长；
步骤二、采集超声探头(1)在标准大平面试块(4)的底面回波：将超声探头(1)放置在标准大平面试块(4)的顶部中心处，操作与超声探头(1)连接的超声波探伤仪(2)，采集超声探头(1)在标准大平面试块(4)的底面一次回波y(t)并传输给计算机(3)；
步骤三、计算标准大平面试块(4)的空间脉冲响应：将所述超声探头(1)的换能器分割成边长为a的正方形微元，并将所述标准大平面试块(4)的底面分割成边长为b的正方形微元，所述计算机(3)根据公式计算标准大平面试块(4)的空间脉冲响应h(t)；其中，*为卷积运算，ρ为标准大平面试块(4)的密度，Sr为超声探头(1)的换能器的表面面积，Sf为标准大平面试块(4)的底面面积，rf为标准大平面试块(4)的底面微元的位置矢量；rtf为超声探头(1)的换能器微元到标准大平面试块(4)的底面微元的位置矢量，rfr为标准大平面试块(4)的底面微元到超声探头(1)的换能器微元的位置矢量，h(rfr)为位置矢量rf处标准大平面试块(4)的底面微元对位置矢量rr处超声探头(1)的换能器微元的空间脉冲响应且rr为超声探头(1)的换能器微元的位置矢量，S'为位置矢量rf处标准大平面试块(4)的底面微元的面积，c为超声波在标准大平面试块(4)中的速度，t为时间，δ()为狄利克雷函数；h(rf)为超声探头(1)对位置矢量rf处标准大平面试块(4)的底面微元的空间脉冲响应且St为超声探头(1)的换能器的表面积；θfr为位置矢量rf处标准大平面试块(4)的底面微元和位置矢量rr处超声探头(1)的换能器微元之间向量与标准大平面试块(4)的底面法向量间的夹角，rp(θfr)为超声波作用在位置矢量rf处标准大平面试块(4)的底面微元时的反射系数且m为密度比且ρ1为空气的密度，n为折射率且c1为超声波在空气中的速度；
步骤四、反卷积求探头响应特性，具体过程为：
步骤401、计算机(3)将超声探头(1)在标准大平面试块(4)的底面一次回波y(t)表示为超声探头(1)的响应v(t)与标准大平面试块(4)的空间脉冲响应h(t)的时域卷积，用公式表示为y(t)＝v(t)*h(t)；
步骤402、对公式y(t)＝v(t)*h(t)进行反卷积，得到超声探头(1)响应的频域表达式其中，H(ω)为h(t)的傅利叶变换，用公式表示为H(ω)＝FFT(h(t))；Y(ω)为y(t)的傅利叶变换，用公式表示为Y(ω)＝FFT(y(t))；
步骤五、对实际检测中的超声回波信号k(t)进行维纳滤波反卷积计算，得到去除了超声探头(1)响应特性的被检测物质的响应函数其中，IFFT()为傅里叶反变换，K(ω)为k(t)的傅利叶变换，用公式表示为K(ω)＝FFT(k(t))；V(ω)*为V(ω)的共轭，Q为噪声信噪比。
2.按照权利要求1所述的一种去除超声探头响应特性的超声波信号处理方法，其特征在于：步骤三中所述a的取值范围为0.5λ≤a≤λ，步骤三中所述b的取值范围为λ≤b≤2λ。
3.按照权利要求1所述的一种去除超声探头响应特性的超声波信号处理方法，其特征在于：步骤五中所述Q的取值根据公式Q2＝0.07max(|V(ω)|)2计算得到，其中，max()为求最大值的运算。
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CN112114045B (zh) * 2020-08-03 2023-09-19 中国科学院大学 一种面向超声显微镜的分辨率增强方法
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