CN110108240A - 一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法 - Google Patents

一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法，将无中间薄层时上层结构，即参考层结构的回波信号作为自适应滤波器的参考信号，通过基于递推最小二乘法的自适应滤波算法，将三层结构中间层上下界面的混叠回波信号中的上界面信号分离出来，得到包含下界面的一次回波信号S11和二次回波信号S12的误差信号e，进而准确的测量出三层结构的中间薄层的厚度，克服了现有技术中在通过超声脉冲回波法测量多层结构的中间薄层厚度时，若薄层与上下层结构之间的上界面回波和下界面回波发生混叠时无法实现测量中间薄层厚度的缺陷。

Description

一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法
技术领域
本发明属于测控技术领域，尤其涉及一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法。
背景技术
超声波测量具有非接触、非介入、设备简单和精度高的优点，因而广泛用于测厚，目前市场上已经有应用超市脉冲回波法测厚的十分成熟的产品，能够满足大部分工业应用场景下的需求。但在对薄层材料进行测厚时，由于超声波在薄层上界面的回波的持续时间较长，在薄层中往复传播的时间较短，导致上下界面的回波发生混叠，给测厚带来了困难。
针对这一问题，国内外的学者做了大量的研究。1978年，国外的学者Haines和Bell在论文《The application of broadband ultrasonic spectroscopy to the study oflayered media》中提出了通过声波垂直入射到多层材料内的声压反射系数幅度谱测量薄层的厚度。2006年，李喜孟在论文《薄层结构超声信号的小波分析》中提出通过小波变换模极大值法测量铝表面环氧树脂薄层的厚度。2009年，陈秀明在论文《超声干涉法薄层厚度测量声阻抗匹配判据及其应用》分析了超声干涉法的信号变化规律，总结了声压反射系数谱极值的选取原则。上述研究主要针对涂层厚度测量，涂层位于基底上，超声波经由耦合剂直接入射到薄层中。对于三层结构的中间薄层，由于上层材料的不均匀性和上下界面的非理想边界条件的客观存在，脉冲回波信号十分复杂，通过频谱分析难以得到与薄层厚度相关的频率信息，上述方法不再适用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法，能够实现混叠回波信号中上界面信号的分离，进而准确的测量出三层结构的中间薄层的厚度。
一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法，所述薄层位于上层结构和下层结构之间，形成三层结构，所述方法包括以下步骤：
S1：采用超声脉冲从参考层结构的上表面垂直入射，得到参考层结构下表面的回波信号d，其中，所述参考层结构的材料与厚度与所述上层结构的材料与厚度均相同；
S2：采用超声脉冲从所述三层结构的上表面垂直入射，得到上界面与下界面共同形成的混叠回波信号x，其中，上界面为薄层和上层结构之间的形成的交界面，下界面为薄层和下层结构之间的形成的交界面；
S3：将回波信号d与混叠回波信号x分别作为基于递推最小二乘法的自适应滤波器的参考信号和输入信号，然后进行自适应滤波，得到参考信号和输入信号之间的误差信号e；
S4：测量误差信号e中包含的下界面的一次回波信号S11和二次回波信号S12之间的时间差Δt，然后由如下公式计算薄层的厚度h：
h＝Δt×c
其中，c为薄层的声速，由薄层的材料决定。
进一步地，所述薄层为硅橡胶，上层结构为金属，下层结构为高分子材料。
有益效果：
本发明提出一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法，将无中间薄层时上层结构，即参考层结构的回波信号作为自适应滤波器的参考信号，通过基于递推最小二乘法的自适应滤波算法，将三层结构中间层上下界面的混叠回波信号中的上界面信号分离出来，得到包含下界面的一次回波信号S11和二次回波信号S12的误差信号e，进而准确的测量出三层结构的中间薄层的厚度，克服了现有技术中在通过超声脉冲回波法测量多层结构的中间薄层厚度时，若薄层与上下层结构之间的上界面回波和下界面回波发生混叠时无法实现测量中间薄层厚度的缺陷。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法的流程图；
图2为本发明提供的提供的用于薄层厚度测量的超声测厚系统；
图3为本发明提供的自发自收模式下三层结构中的超声传播过程示意图；
图4为本发明提供的薄层厚度较大时得到的理想回波信号示意图；
图5为本发明提供的回波信号d的示意图；
图6为本发明提供的混叠回波信号x的示意图；
图7为本发明提供的自适应滤波输出误差信号e的示意图；
图8为本发明提供的基于递推最小二乘法的自适应滤波器的原理示意图；
1-超声收发仪、2-示波器、3-探头、4-三层结构。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1，该图为本实施例提供的一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法的流程图。所述薄层位于上层结构和下层结构之间，形成三层结构，其中，本方法尤其适用于薄层的厚度远远小于上层结构和下层结构厚度，即薄层厚度与上层结构和下层结构厚度属于不同量级的三层结构；可选的，薄层为硅橡胶，上层结构为金属，下层结构为高分子材料。
需要说明的是，本实施例用于薄层厚度测量的超声测厚系统如图2所示，包括超声收发仪1、示波器2以及探头3。清洁三层结构4的表面后涂抹耦合剂，超声收发仪1通过探头3发射的激励超声脉冲从三层结构上表面垂直入射。超声波在各层材料的交界面发生折射和反射，如图3所示。超声波在上层材料中来回反射，探头接收到S1、S2等回波，其中，S0为激励超声脉冲信号，S1为上层结构和薄层之间形成的上界面的一次回波，S2为上层结构和薄层之间形成的上界面的二次回波。小部分能量的超声波穿过上界面进入到中间薄层继续传播，在中间薄层中来回反射后再次穿过上界面由探头3接收，并由示波器2显示波形，表现为回波S11、S12和S13等，其中，S11为S1引起的下界面的一次回波，S12为S1引起的下界面的二次回波，S13为S1引起的下界面的三次回波，下界面为薄层和下层结构之间形成的交界面。理想情况下三层结构的回波信号如图4所示，回波信号之间的时间间隔足够，回波幅值较大，可以直接测得S1和S11(或S11、S12、S13中的任意两个)的时间差Δt后计算中间薄层厚度。但在实际情况中，由于S1的持续时间较长，Δt很小，S1和S11将会重叠在一起，且S12和S13幅值一般很小难以分辨，给测厚带来困难。因此，本实施例提供的一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法，所述方法包括以下步骤：
S1：采用超声脉冲从参考层结构的上表面垂直入射，得到参考层结构下表面的回波信号d，如图5所示，其中，所述参考层结构的材料与厚度与所述上层结构的材料与厚度均相同。
S2：采用超声脉冲从所述三层结构的上表面垂直入射，得到上界面与下界面共同形成的混叠回波信号x，如图6所示，其中，上界面为薄层和上层结构之间的形成的交界面，下界面为薄层和下层结构之间的形成的交界面。
S3：将回波信号d与混叠回波信号x分别作为基于递推最小二乘法的自适应滤波器的参考信号和输入信号，然后进行自适应滤波，得到参考信号和输入信号之间的误差信号e。
需要说明的是，基于递推最小二乘法的自适应滤波器的原理如图8所示。其中，u(n)为输入信号，即混叠回波信号x，d(n)为期望信号，即回波信号d，e(n)表示输入信号向期望信号靠拢近似的过程，即误差信号e，y(n)为输出信号，即输入信号u(n)尽可能向期望响应d(n)“靠拢”得到的信号，但在本实施例中并未参与后续的薄层厚度计算。基于递推最小二乘(RLS)算法的自适应滤波器的递推准则是使加权累计误差代价函数取得最小值，给定n-1次迭代滤波器抽头权向量最小二乘估计，根据新到达的数据计算n次迭代权向量的最新估计。RLS自适应滤波器的递推过程计算复杂，但收敛速度快。
待最小化的代价函数记为ε(n)，于是有：
其中e(i)是期望信号d(i)与i时刻的横向滤波器输出y(i)之差。即
e(i)＝d(i)-y(i) (2)
λ是一个范围为0-1的正常数，一般称为遗忘因子。显然距离当前时刻n越远的过去数据，其权重越小，这使得滤波器能够工作在非平稳环境下。
滤波器输出y(i)由下式计算：
y(i)＝wH(n)u(i) (3)
其中u(i)是i时刻抽头的输入向量，
u(i)＝[u(i),u(i-1),...,u(i-M+1)]T (4)
w(n)是i时刻的抽头权向量，
w(n)＝[w0(n),w1(n),...,wM-1(n)]T (5)
M为滤波器阶数。
为了使代价函数取得最小值，求代价函数对权向量的导数并使其为零可得到如下正则方程:
其中r(n)是自相关矩阵：
z(n)是互相关向量：
由式(6)可知要求得w(n)的最佳估计值，首先要求得自相关矩阵r(n)的逆。由于矩阵求逆运算量非常大，在实际应用中是通过递推法计算权矢量的值，令p(n)＝r-1(n)，则RLS算法的递推过程为如下：
(1)计算第n个增益矢量
(2)计算先验估计误差
e(n)＝d(n)-wH(n-1)u(n) (10)
(3)计算权矢量
w(n)＝w(n-1)+k(n)e(n) (11)
(4)计算自相关矩阵的逆
p(n)＝λ-1(p(n-1)-k(n)uH(n)p(n-1)) (12)
RLS自适应滤波中的滤波器参数随误差信e(n)的变化而变化，以适应下一时刻的输入信号u(n+1)，使其接近于期望信号d(n+1)。
混叠回波信号x是与回波信号d相似的上界面回波和下界面的回波叠加得到的信号，所以通过基于递推最小二乘法的自适应滤波器，选取合适的滤波器阶数和遗忘因子进行自适应滤波，从混叠回波信号x中提取得到与回波信号d尽可能相似的输出信号之后，得到的误差信号即为下界面的一次回波信号S11和二次回波信号S12。也就是说，混叠回波信号x中的S1回波被滤除了之后才得到的误差信号e，一次回波信号S11和二次回波信号S12才被分离出来，也即误差信号e包含下界面的一次回波信号S11和二次回波信号S12，如图7所示；需要说明的是，误差信号e中有可能还包含了三次回波信号和四次回波信号等多次回波信号，而本实施例的薄层厚度测量方法只需要用到幅值最大的一次回波信号S11和二次回波信号S12即可，因而对幅值较小的三次回波信号和四次回波信号等多次回波信号忽略不计，且不作赘述。
S4：测量误差信号e中包含的下界面的一次回波信号S11和二次回波信号S12之间的时间差Δt，然后由如下公式计算薄层的厚度h：
h＝Δt×c
其中，c为薄层的声速，由薄层的材料决定。可选的，时间差Δt单位为μs，声速单位为mm/μs，薄层的厚度h单位为mm，具体的，时间差Δt通过测量一次回波信号S11和二次回波信号S12的对应峰值所在时间采样点的差值得到。
至此，根据本实施例提出的基于自适应滤波的薄层厚度测量方法，可以根据在时域上分离得到的回波信号实现测厚。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法，所述薄层位于上层结构和下层结构之间，形成三层结构，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：采用超声脉冲从参考层结构的上表面垂直入射，得到参考层结构下表面的回波信号d，其中，所述参考层结构的材料与厚度与所述上层结构的材料与厚度均相同；
S2：采用超声脉冲从所述三层结构的上表面垂直入射，得到上界面与下界面共同形成的混叠回波信号x，其中，上界面为薄层和上层结构之间的形成的交界面，下界面为薄层和下层结构之间的形成的交界面；
S3：将回波信号d与混叠回波信号x分别作为基于递推最小二乘法的自适应滤波器的参考信号和输入信号，然后进行自适应滤波，得到参考信号和输入信号之间的误差信号e；
S4：测量误差信号e中包含的下界面的一次回波信号S11和二次回波信号S12之间的时间差Δt，然后由如下公式计算薄层的厚度h：
h＝Δt×c
其中，c为薄层的声速，由薄层的材料决定。
2.如权利要求1所述的一种基于自适应滤波的薄层厚度测量方法，其特征在于，所述薄层为硅橡胶，上层结构为金属，下层结构为高分子材料。
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