CN107450061B - 一种超声测厚中的自适应声时计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种超声测厚中的自适应声时计算方法属于超声检测技术领域，特别涉及一种超声测厚中的自适应声时计算方法。该方法中，将声时计算转化为系统辨识问题，将相邻的两个脉冲回波分别作为输入信号和期望信号，在迭代过程中使用改进的变步长自适应算法，由输出误差功率的比例、积分和微分形成步长综合控制函数，以减小噪声的影响，更加准确地获得相邻回波信号的脉冲响应序列；然后采用对脉冲响应序列进行分段拟合、一阶求导处理，得到脉冲响应序列极大值位置，由脉冲响应序列极大值的横坐标换算得到超声声时。本发明有效减小了超声测厚中干扰噪声的影响，实现了声时的稳定、高精度计算，使超声测厚的精度得到了显著提高。

Description

一种超声测厚中的自适应声时计算方法

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，特别涉及一种超声测厚中的自适应声时计算方法。

背景技术

超声测厚被广泛应用于航空航天等领域关键零部件的壁厚检测。超声测厚主要采用脉冲反射原理。超声探头发射的超声波在被测工件的上下表面间来回反射形成一系列脉冲回波，并被超声探头接收。利用脉冲回波在工件中的传播声时，计算出被测工件厚度。因此，声时计算的准确性是影响测厚精度的关键环节。然而，采集得到的超声回波信号中往往包含着复杂的干扰噪声，同时多次回波信号能量呈逐步衰减趋势，导致超声回波信号的信噪比较低。那么，实现超声回波声时的高精度计算，难度大。

目前，超声回波声时的计算方法主要有阈值法、峰值法和互相关法等等。阈值法通过检测回波幅值第一次超过设定阈值的时间作为声时。峰值法通过测量两个相邻回波幅值达到最大值时的时间差作为声时。互相关法由两个相邻回波互相关系数的最大值的横坐标来得到声时。对于信噪比较低的超声信号，上述传统方法得出的声时会出现较大的计算误差，而且利用同一组回波信号的不同相邻回波得出的声时会出现较大的波动。

2012年，王健在《电子测试》第2期发表文章《超声测厚技术的试验应用与硬件设计》中采用峰值法对声时进行计算，将相邻脉冲回波出现峰值的时间差作为声时。2015年，李慧娟等在《中国测试》第41卷第3期发表文章《相关匹配在超声测厚信号特征提取中的应用》中介绍了一种声时的互相关计算方法，根据相邻回波互相关函数的最大值位置来获得声时。2016年，王子成等在发明专利CN105841645A中发明了一种超声过零点测厚方法，通过检测相邻回波第一次通过零点的时间差作为声时。

然而，上述研究均未提及超声测厚中的自适应声时计算方法。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是克服现有方法的不足，针对超声测厚中低信噪比超声声时计算精度和稳定性难以保证的问题，发明一种超声测厚中的自适应声时计算方法。该方法基于自适应时间延迟估计原理，在计算过程中采用改进的步长控制策略，可以显著减小噪声干扰；通过对脉冲响应序列进行拟合处理，能够更加精确地确定脉冲响应序列的极大值位置，减小有限采样频率对声时精度的影响，实现超声声时的稳定、高精度计算。

本发明的技术方案是一种超声测厚中的自适应声时计算方法，该方法将声时计算转化为系统辨识问题，将相邻的两个脉冲回波分别作为输入信号和期望信号，在迭代过程中使用改进的变步长自适应算法，由输出误差功率的比例、积分和微分形成步长综合控制函数，以减小噪声的影响，更加准确地获得相邻回波信号的脉冲响应序列；然后采用对脉冲响应序列进行分段拟合、一阶求导处理，得到脉冲响应序列极大值位置，由脉冲响应序列极大值的横坐标换算得到超声声时。方法的具体步骤如下：

第一步，超声回波信号采集和预处理

采集超声回波信号，从中截取两个相邻回波，并在两相邻回波之间截断的部分进行补零操作，得到相邻前回波x₁(n)和相邻后回波x₂(n)，n为采样点。确定脉冲响应序列W(k)＝[w₁(k),w₂(k),w₃(k),...,w_N(k)]^T的阶数N，其中，w_i(k)为第i阶权系数，k为迭代次数，T表示向量转置运算符。选取迭代步长μ(k)在首次迭代，即k＝1时的值μ(1)，并对脉冲响应序列W(k)的首次迭代值置零，即k＝1时，W(1)＝[0,0,0,...,0]^T。

第二步，迭代求解脉冲响应序列W(k)

首先，计算第k次迭代计算的输出误差e(k)，

e(k)＝x₂(k)-X₁ ^T(k)*W(k) (1)

式中，X₁(k)＝[x₁(k),x₁(k+1),...,x₁(k+N-1)]^T为第k次迭代计算的输入信号，x₂(k)为第k次迭代计算的期望信号，符号*表示卷积运算符。迭代更新脉冲响应序列，

W(k+1)＝W(k)+μ(k)e(k)X₁(k) (2)

式中，μ(k)为第k次迭代步长，W(k+1)为第k+1次脉冲响应序列。

其次，按照下式计算步长综合控制函数p(k)，

式中，β为步距遗忘因子，且有0＜β＜1；中间参量k₁、k₂和k₃分别被定义为k₁＝K_P+K_I+K_D、k₂＝-K_P-2K_D和k₃＝K_D；K_P、K_I和K_D分别为误差信号能量e²(k)的比例系数、积分系数和微分系数。

接着，更新第k次迭代步长μ(k)，

μ(k+1)＝αμ(k)+γp(k) (4)

式中，α为步长遗忘因子，γ为步距比例因子，且有0＜α＜1、γ＞0。

最后，按照上面步骤对脉冲响应序列W(k)迭代更新，直到迭代次数k等于补零后回波信号的长度。

第三步，脉冲响应序列处理

取第二步中最后一次迭代得到的脉冲响应序列W(k)作为最终的脉冲响应序列离散解w_j，对脉冲响应序列离散解w_j进行样条曲线拟合处理，得到分段连续的脉冲响应曲线

式中，j为分段离散区间，j∈[1,N-1]；a_j,b_j,c_j和d_j为第j分段区间的多项式系数，t为时间。

通过对分段拟合曲线进行求导计算，获得脉冲响应曲线

极大值对应横坐标t₀。

第四步，声时计算

通过下式计算声时TOF：

TOF＝t₀×T (6)

其中，T为系统采样间隔。

本发明的有益效果是该方法采用改进的自适应算法对声时进行计算，在迭代过程中利用步长综合控制函数对迭代步长进行控制，从而减小噪声对迭代的影响，获得准确的脉冲响应序列；对得到的脉冲响应序列进行三次样条曲线拟合，以更加准确地确定脉冲响应序列的最大值位置，使得声时的计算精度在采样频率不变的情况下得到有效提高，进而提高超声测厚的精度和可靠性。

附图说明

图1为本方法声时计算流程图。

图2为采集得到的超声回波信号，其中，横坐标表示采样点，纵坐标表示归一化幅值。

图3a)为补零后相邻前回波x₁(n)，图3b)为补零后相邻后回波x₂(n)，其中，横坐标表示时间(ns)，纵坐标表示幅值。

图4为脉冲响应序列拟合曲线；其中，横坐标为时间(ns)，纵坐标为脉冲响应幅值。

图5为各试件中不同声时计算方法稳定性对比图，其中：a-互相关法，b-定步长自适应方法，c-本发明方法；其中，横坐标表示试件号，纵坐标表示声时TOF标准差(ns)。

具体实施方式

下面结合具体实施例和相关附图对本发明进行详细说明。

本发明实施例采用如图1所示的超声测厚声时计算流程图，使用中心频率为10MHz的超声探头进行超声波发射和接收，超声信号的采集频率为2.5GHz。对6个不同厚度的铝合金试件进行超声厚度测量，试件真实厚度的三坐标机测量结果如表1所示。

表1各试件厚度的三坐标机测量结果

通过厚度6mm试件的声时测定方法对本发明进一步详细地描述。

第一步，超声回波信号采集和预处理。采集得到的超声脉冲回波信号如图2所示，截取出两个相邻回波并进行补零操作，得到的相邻前回波x₁(n)如图3a)所示、相邻后回波x₂(n)如图3b)所示。选取脉冲响应序列W(k)的阶数为7000，则W(k)＝[w₁(k)，w₂(k)，w₃(k)，...W₇₀₀₀(k)]^T，并进行初始置零操作。选取初始迭代步长μ(1)为0.0001。迭代算法的各参数选取为，α＝0.1，β＝0.4，γ＝0.0006，K_P＝0.9，K_I＝0.07，K_D＝0.9。x₁(n)作为输入信号X₁(k)＝[x₁(k),x₁(k+1),...,x₁(k+6999)]^T，x₂(n)作为期望信号。

第二步，迭代求解脉冲响应序列W(k)。使用公式(1)、(2)、(3)和(4)对W(k)迭代求解，当迭代次数等于补零后回波信号长度k＝8802后迭代终止。

第三步，脉冲响应序列处理。取第二步中最后一次迭代的脉冲响应序列W(k)作为最终的脉冲响应序列离散解w_j，离散解w_j极大值的离散横坐标为j′＝4722。采用三次样条曲线对脉冲响应序列离散解w_j进行拟合，得到分段连续的脉冲响应曲线

如图4所示。

求解脉冲响应曲线

的极大值横坐标t₀。对极大值离散横坐标j′＝4722两侧的三次样条曲线段求一阶导数得到两个一元二次方程：

w′₄₇₂₁(t)＝3a₄₇₂₁t²+2b₄₇₂₁t+c₄₇₂₁＝0，t∈[4721,4722)

w′₄₇₂₂(t)＝3a₄₇₂₂t²+2b₄₇₂₂t+c₄₇₂₂＝0，t∈[4722,4723)

求解上述两个方程可得到符合各自区间要求的唯一解t₀＝4721.7647。

第四步，声时计算。本实验中采样间隔T＝0.4ns，使用公式(6)计算声时TOF：

TOF＝t₀·T＝1888.7059ns

对六个铝合金试件分别利用前四个回波信号计算得到了3个声时值，使用上述本发明提出的方法与使用互相关法和定步长自适应算法得出的声时值的标准差如图5所示。可以看出在不同试件中，本发明的方法均具有最小的标准差，因此使用本发明方法可以有效提高声时计算的稳定性。

对一厚度为20mm的相同标准件使用本发明方法计算声时后得到10MHz的超声波在铝合金试件中的传播速度v＝6403.72m/s。分别将不同方法计算得到的三个声时通过d＝TOF·v/2计算得到各个试件的厚度，将厚度计算结果与表1中三坐标测量机的测量结果进行对比，不同声时测定方法得到测量厚度的平均相对误差如表2所示，本发明的超声测厚方法与互相关法和定步长自适应法相比，相对误差明显减小，超声测厚的精度得到了有效提升。

表2测量厚度的平均相对误差

本发明有效减小了超声测厚中干扰噪声的影响，实现了声时的稳定、高精度计算，使超声测厚的精度得到了显著提高。

Claims (1)

1.一种超声测厚中的自适应声时计算方法，其特征在于，计算方法将声时计算转化为系统辨识问题，将相邻的两个脉冲回波分别作为输入信号和期望信号，在迭代过程中使用改进的变步长自适应算法，由输出误差功率的比例、积分和微分形成步长综合控制函数，以减小噪声的影响，更加准确地获得相邻回波信号的脉冲响应序列；然后采用对脉冲响应序列进行分段拟合、一阶求导处理，得到脉冲响应序列极大值位置，由脉冲响应序列极大值的横坐标换算得到超声声时；方法的具体步骤如下：

第一步，超声回波信号采集和预处理

采集超声回波信号，从中截取两个相邻回波，并在两相邻回波之间截断的部分进行补零操作，得到相邻前回波x₁(n)和相邻后回波x₂(n)，n为采样点；确定脉冲响应序列W(k)＝[w₁(k),w₂(k),w₃(k),...,w_N(k)]^T的阶数N，其中w_i(k)为第i阶权系数，k为迭代次数，T表示向量转置运算符；选取迭代步长μ(k)在首次迭代即k＝1时的值μ(1)，并对脉冲响应序列W(k)的首次迭代值置零，即k＝1时W(1)＝[0,0,0,...,0]^T；

第二步，迭代求解脉冲响应序列W(k)

首先，计算第k次迭代计算的输出误差e(k)，

e(k)＝x₂(k)-X₁ ^T(k)*W(k) (1)

式中，X₁(k)＝[x₁(k),x₁(k+1),...,x₁(k+N-1)]^T为第k次迭代计算的输入信号，x₂(k)为第k次迭代计算的期望信号，符号*表示卷积运算符；迭代更新脉冲响应序列，

W(k+1)＝W(k)+μ(k)e(k)X₁(k) (2)

式中，μ(k)为第k次迭代步长，W(k+1)为第k+1次脉冲响应序列；

其次，按照下式计算步长综合控制函数p(k)，

式中，β为步距遗忘因子，且有0＜β＜1；中间参量k₁、k₂和k₃分别被定义为k₁＝K_P+K_I+K_D、k₂＝-K_P-2K_D和k₃＝K_D；K_P、K_I和K_D分别为误差信号能量e²(k)的比例系数、积分系数和微分系数；

接着，更新第k次迭代步长μ(k)，

μ(k+1)＝αμ(k)+γp(k) (4)

式中，α为步长遗忘因子，γ为步距比例因子，且有0＜α＜1、γ＞0；

最后，按照上面步骤对脉冲响应序列W(k)迭代更新，直到迭代次数k等于补零后回波信号的长度；

第三步，脉冲响应序列处理

取第二步中最后一次迭代得到的脉冲响应序列W(k)作为最终的脉冲响应序列离散解w_j，对脉冲响应序列离散解w_j进行样条曲线拟合处理，得到分段连续的脉冲响应曲线

式中，j为分段离散区间，j∈[1,N-1]；a_j,b_j,c_j和d_j为第j分段区间的多项式系数，t为时间；

通过对分段拟合曲线进行求导计算，获得脉冲响应曲线

极大值对应横坐标t₀；

第四步，声时计算

通过下式计算声时TOF：

TOF＝t₀×T (6)

其中，T为系统采样间隔。

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