CN112526600B - 一种扫频超声波激发信号的振幅补偿方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种扫频超声波激发信号的振幅补偿方法及系统，该方法包括：S10、采集第一扫频子波信号，存储为原始信号S1(Ti)；S20、将所述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号；S30、采集所述第一扫频超声波信号，存储为响应信号S2(Ti)；S40、根据所述原始信号和响应信号得出第二扫频子波信号；并将其转换为第二扫频超声波信号发出。本发明可以获得等振幅的超声扫频子波信号，能更加逼真地模拟野外可控震源地震勘探。

Description

一种扫频超声波激发信号的振幅补偿方法及系统
技术领域
本发明属于超声波频检测技术领域，具体涉及一种扫频超声波激发信号的振幅补偿方法及系统。
背景技术
超声波检测也叫超声探伤，是无损检测的一种。无损检测是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种检测手段。超声地震物理模型实验也是通过超声波模拟地震波传播的进行超声探测的，通过超声波在地质模型中的传播观测对地震波在各种复杂地质体中的传播进行室内模拟观测，并根据观测结果进行地震学研究。
目前常用的超声波检测方法一般采用压电式超声波探头进行超声波发射和接收。这种探头通常由压电晶片或其他材料(如复合材料)组成，其结构比较简单，安装方便，收发可互换。当对固体材料进行测量时，发射探头和接收探头紧贴被测物体表面。发射头将电信号(一般为窄脉冲)转换为超声波信号；而接收头则将超声波信号转换为电信号。
专利号为ZL201510633143.0和ZL201510633143.0公开了一种超声波信号激发接收测试方法和系统，如图1所示。利用信号发生装置按照测试要求的频率生成扫频子波信号，利用发射端的声发射换能器将扫频子波信号转换为扫频超声波信号，并将扫频超声波信号传送至待测的模拟地质模型的检测点，利用接收端的声发射换能器接收经过待测的模拟地质模型传播后的接收超声波信号，利用数据采集转换器采集接收超声波信号中的波场信息，利用处理器根据扫频子波信号与所述波场信息得到模拟地震勘探的波场记录。但该技术在激发扫频子波信号时，由于声发射换能器的幅频响应特性，使得利用发射端的声发射换能器将扫频子波信号转换为扫频超声波信号时，振幅是随着频率变化而变化的，如图2所示，而理想的扫频子波应该是完全等振幅的，如图3所示，野外可控震源勘探的震源车产生的扫频子波类似于图4所示，扫频起始和结束振幅较小，但基本是等振幅的。而声发射换能器本身有谐振频率的特性，在不同频率输出的信号振幅一定是有变化的，这样就造成扫频超声波信号的振幅与模拟的野外可控震源地震勘探的扫频信号是有很大的差别的，从而影响实验的准确性，测量不能反映野外施工可控震源激发的实际情况。
发明内容
本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
为克服现有技术的问题，本发明提供一种扫频超声波激发信号的振幅补偿方法，包括：
S10、采集第一扫频子波信号，存储为原始信号S1(Ti)；
S20、将所述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号；
S30、采集所述第一扫频超声波信号，存储为响应信号S2(Ti)；
S40、根据所述原始信号和响应信号得出第二扫频子波信号；并将其转换为第二扫频超声波信号发出。
可选地，所述步骤S20具体包括：
S21、发射端的声发射换能器将所述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号；
S22、发射端的声发射换能器将所述第一扫频超声波信号发送给接收端的声发射换能器。
可选地，在步骤S21之前，进一步包括：通过高频功率放大器对所述原始信号S1(Ti)进行放大。
可选地，所述步骤S40包括：
S41、获取所述响应信号S2(Ti)所有的波峰值及对应的时间Tk(k＝1,2,……,n，)，记为P2(Tk)，并求取峰值的最大值Pmax和最小值Pmin。
S42、生成扫频控制数据S3(Tk)＝(Pmax-Pmin)/(2×P2(Tk))；
S43、将S3(Tk)根据原始信号S1(Ti)对应的Ti值进行线性插值，获得S4(Ti)；
S44、根据S4(Ti)、S1(Ti)获取第二扫频子波信号S5(Ti)＝S4(Ti)×S1(Ti)。
S45、将所述第二扫频子波信号S5(Ti)转换为第二扫频超声波信号发出。
可选地，所述步骤S45包括：将所述第二扫频子波信号S5(Ti)作为任意函数发生器的自定义子波输出，经过高频功率放大器放大，利用发射端的声发射换能器将经过放大后的第二扫频子波信号S5(Ti)转换为第二扫频超声波信号。
本发明提供一种扫频超声波激发信号的振幅补偿系统，包括：
第一采集存储单元，用于采集第一扫频子波信号，存储为原始信号S1(Ti)；
第一信号转换单元，用于将所述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号；
第二采集存储单元，用于采集第一扫频超声波信号，存储为响应信号S2(Ti)；
信号处理单元，用于根据所述原始信号和响应信号得出第二扫频子波信号；
第二信号转换单元，用于将第二扫频子波信号转换为第二扫频超声波信号发出。
可选地，所述第一信号转换单元包括：
发射端的声发射换能器，用于将所述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号；
接收端的声发射换能器，用于接收所述发射端的声发射换能器发出的所述第一扫频超声波信号。
可选地，所述第一信号转换单元进一步包括：
高频功率放大器，用于对所述原始信号S1(Ti)进行放大。
可选地，所述信号处理单元具体用于：
获取所述响应信号S2(Ti)所有的波峰值及对应的时间Tk(k＝1,2,……,n，)，记为P2(Tk)，并求取峰值的最大值Pmax和最小值Pmin。
生成扫频控制数据S3(Tk)＝(Pmax-Pmin)/(2×P2(Tk))；
将S3(Tk)根据原始信号S1(Ti)对应的Ti值进行线性插值，获得S4(Ti)；
根据S4(Ti)、S1(Ti)获取第二扫频子波信号S5(Ti)＝S4(Ti)×S1(Ti)。
可选地，所述第二信号转换单元包括：
任意函数发生器，用于将所述第二扫频子波信号作为自定义子波输出；
高频功率放大器，用于放大所述第二扫频子波信号；
发射端的声发射换能器，用于将放大后的第二扫频子波信号转换为第二扫频超声波信号。
本发明提供的扫频超声波激发信号的振幅补偿方法及系统，可以获得等振幅的超声扫频子波信号，能更加逼真地模拟野外可控震源地震勘探。
附图说明
图1为现有技术中可控振动物理模拟实验的结构示意图；
图2为某型号声发射换能器扫频子波的示意图；
图3为理想的扫频子波的示意图；
图4为可控震源产生的扫频子波的示意图；
图5为本发明实施例提供的扫频超声波激发信号的振幅补偿方法的流程示意图；
图6为本发明实施例提供的扫频超声波激发信号的振幅补偿系统的结构示意图；
图7A为系统发射的第一扫频子波信号S1，频率范围150KHz-450KHz，扫描时间2s；
图7B为响应信号S2；
图8A根据原始信号S1和响应信号S2计算获得的第二扫频子波信号S5；
图8B为利用第二扫频子波信号S5激发声发射换能器获得的第二扫频超声波信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图5所示，本发明提供一种扫频超声波激发信号的振幅补偿方法，包括步骤：
S10、采集第一扫频子波信号，存储为原始信号S1(Ti)；
S20、将所述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号；
S30、采集所述第一扫频超声波信号，存储为响应信号S2(Ti)；
具体由数据采集转换器采集所接收到的第一扫频超声波信号，存储为S2(Ti)，Ti＝0,ΔT,……,T，ΔT为采样间隔，T为采样长度。所述数据采集转换器可以为高速数模转换器。
S40、根据所述原始信号和响应信号得出第二扫频子波信号，并将其转换为第二扫频超声波信号发出。
具体实施时，上述步骤S10具体包括：
S11、利用任意函数发生器产生第一扫频子波信号，第一扫频信号根据实验需要进行设置；例如，扫频区间：100KHz～800KHz，电压1v，扫描时间2s，波形：正弦波；
上述任意函数发生器可以选用型号为NI PXI-5412的任意函数发生器。当然，本发明对此不作限制。
S12、数据采集转换器采集所发出的第一扫频子波信号，存储为原始信号S1(Ti)，Ti＝0,ΔT,……，T，ΔT为采样间隔，T为采样长度。
上述步骤S20具体包括：
S21、发射端的声发射换能器将上述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号；
S22、接收端的声发射换能器接收发射端的声发射换能器发出的第一扫频超声波信号；
在具体实施时，可以将发射端的声发射换能器和接收端的声发射换能器的晶片端直接接触，不经过任何中间传输介质。
声发射换能器可选型号为富士Ref-vl；当然，本发明对此不作限制。
优选地，在步骤S21之前，进一步包括：通过高频功率放大器对所述原始信号S1(Ti)进行放大，将放大后的原始信号S1(Ti)传送给发射端的声发射换能器，这样获得的波形信号信噪比更高。高频功率放大器的参数为：高压20v-200v可调，频率范围DC-500KHz，可以选用HSA4052。
上述步骤S40具体包括：
S41、获取响应信号S2(Ti)所有的波峰值及对应的时间Tk(k＝1,2,……,n，n的大小取决于该信号有多少个周期的振动)，记为P2(Tk)，并求取峰值的最大值Pmax和最小值Pmin。
S42、生成扫频控制数据S3(Tk)＝(Pmax-Pmin)/(2×P2(Tk))；
S43、将S3(Tk)根据原始信号S1(Ti)对应的Ti值进行线性插值，获得S4(Ti)；线性插值的过程可以为：当k＝1时，如果Ti≤Tk，S4(Ti)＝S3(Ti)，Ti＝0，ΔT,……，Tk；当k＞1时，如果Tk-1≤Ti≤Tk，S4(Ti)＝S3(Tk-1)+(Ti-Tk-1)/(Tk-Tk-1)×(S3(Tk)-S3(Tk-1))，如果Ti＞Tk，S4(Ti)＝S3(Ti)。
S44、根据S4(Ti)、S1(Ti)获取第二扫频子波信号S5(Ti)，S5(Ti)＝S4(Ti)×S1(Ti)。
S45、将第二扫频子波信号S5(Ti)作为任意函数发生器的自定义子波输出，经过高频功率放大器放大，利用发射端的声发射换能器将上述经过放大的第二扫频子波信号转换为第二扫频超声波信号，即完成了信号的振幅补偿，产生的第二扫频超声波信号基本为等振幅输出。
如图6所示，本发明提供一种扫频超声波激发信号的振幅补偿系统，包括：第一采集存储单元50、第一信号转换单元60、第二采集存储单元70、信号处理单元80、第二信号转换单元90。
第一采集存储单元50用于采集第一扫频子波信号，存储为原始信号S1(Ti)。
在具体实施时，第一采集存储单元50包括任意函数发生器51及数据采集转换器52。其中，任意函数发生器51用于产生第一扫频子波信号，第一扫频信号根据实验需要进行设置；例如，扫频区间：100KHz～800KHz，电压1v，扫描时间2s，波形：正弦波。在具体实施时，上述任意函数发生器可以选用型号为NI PXI-5412的任意函数发生器。当然，本发明对此不作限制。
数据采集转换器52用于采集任意函数发生器51所发出的第一扫频子波信号，存储为原始信号S1(Ti)，Ti＝0,ΔT,……，T，ΔT为采样间隔，T为采样长度。数据采集转换装置可以为高速数模转换器。
第一信号转换单元60与第一采集存储单元50相连，用于将所述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号。第一信号转换单元60包括：发射端的声发射换能器61及接收端的声发射换能器62。发射端的声发射换能器61用于将所述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号；接收端的声发射换能器62用于接收所述发射端的声发射换能器发出的所述第一扫频超声波信号。在具体实施时，可以将发射端的声发射换能器和接收端的声发射换能器的晶片端直接接触，不经过任何中间传输介质。声发射换能器可选型号为富士Ref-vl；当然，本发明对此不作限制。
优选地，第一信号转换单元60进一步包括高频功率放大器63，高频功率放大器63与发射端的声发射换能器相连，高频功率放大器63用于对原始信号S1(Ti)进行放大。
第二采集存储单元70与第一信号转换单元60相连，用于采集第一扫频超声波信号，存储为响应信号S2(Ti)；在具体实施时，第二采集存储单元70可以采用数据采集转换器。
信号处理单元80与第一采集存储单元50、第二采集存储单元70相连，用于根据原始信号和响应信号得出第二扫频子波信号。信号处理单元可以采用计算机实施，信号处理单元具体用于：
获取所述响应信号S2(Ti)所有的波峰值及对应的时间Tk(k＝1,2,……,n，)，记为P2(Tk)，并求取峰值的最大值Pmax和最小值Pmin。
生成扫频控制数据S3(Tk)＝(Pmax-Pmin)/(2×P2(Tk))；
将S3(Tk)根据原始信号S1(Ti)对应的Ti值进行线性插值，获得S4(Ti)；线性插值的过程可以为：当k＝1时，如果Ti≤Tk，S4(Ti)＝S3(Ti)，Ti＝0，ΔT,……，Tk；当k＞1时，如果Tk-1≤Ti≤Tk，S4(Ti)＝S3(Tk-1)+(Ti-Tk-1)/(Tk-Tk-1)×(S3(Tk)-S3(Tk-1))，如果Ti＞Tk，S4(Ti)＝S3(Ti)；
根据S4(Ti)、S1(Ti)获取第二扫频子波信号S5(Ti)，S5(Ti)＝S4(Ti)×S1(Ti)。
第二信号转换单元90与信号处理单元80相连，用于将第二扫频子波信号转换为第二扫频超声波信号发出。
在具体实施时，第二信号转换单元90包括：任意函数发生器91、高频功率放大器92、发射端的声发射换能器93。
任意函数发生器91与信号处理单元相连，用于将所述第二扫频子波信号作为自定义子波输出；高频功率放大器92与任意函数发生器91相连，用于放大所述第二扫频子波信号；发射端的声发射换能器93与高频功率放大器92相连，用于将放大后的第二扫频子波信号转换为第二扫频超声波信号。
需要说明的是，在实际实施时，任意函数发生器51、91可以为同一个任意函数发生器，同样，数据采集转换器52、70也可以为同一个数据采集转换器；高频功率放大器63、92可以为同一个高频功率放大器；发射端的声发射换能器61、93可以为同一个发射端的声发射换能器。在具体实施时,61和62可以为同一种型号的两个声发射换能器，一个发射，一个接收。
采用本发明提供的扫频超声波激发信号的振幅补偿方法或系统进行扫频激发超声波信号的补偿试验，如图7A至8B所示，试验表明，本发明可以获得等振幅的超声扫频子波信号，能更加逼真地模拟野外可控震源地震勘探。
本发明提供的扫频超声波激发信号的振幅补偿方法及系统，是对室内模拟野外可控震源地震勘探时扫频信号输出部分进行振幅补偿，具体方法是利用信号发生装置产生一个第一扫频子波信号，将该第一扫频子波信号通过高频功率放大器进行放大后，利用发射端的声发射换能器转换为第一扫频超声波信号，再由接收端的声发射换能器接收，然后接收到的第一扫频超声波信号经过高速模数转换器采集得到一组响应信号，对原始信号和响应信号进行比较计算得到扫频控制文件，进而计算出第二扫频子波信号，然后用得到的第二扫频子波信号输入信号发生装置作为输出子波，再通过高频功率放大器放大，利用声发射换能器转换为第二扫频的超声波信号发出，即可以获得等振幅输出的超声扫频信号。
本发明克服常规扫频子波激发时超声波振幅随频率而有较大变化的问题，可对扫频激发信号进行振幅补偿控制，用在可控震源超声地震物理模拟实验上，得到较好的效果。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (8)

1.一种扫频超声波激发信号的振幅补偿方法，其特征在于，包括：
S10、采集第一扫频子波信号，存储为原始信号S1(Ti)；
S20、将所述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号；
S30、采集所述第一扫频超声波信号，存储为响应信号S2(Ti)；
S40、根据所述原始信号和响应信号得出第二扫频子波信号；并将其转换为第二扫频超声波信号发出；
所述S40包括：
S41、获取所述响应信号S2(Ti)所有的波峰值及对应的时间Tk，记为P2(Tk)，并求取峰值的最大值Pmax和最小值Pmin；k＝1,2,……,n，k为自然数，n为周期；
S42、生成扫频控制数据S3(Tk)＝(Pmax-Pmin)/(2×P2(Tk))；
S43、将S3(Tk)根据原始信号S1(Ti)对应的Ti值进行线性插值，获得S4(Ti)；
S44、根据S4(Ti)、S1(Ti)获取第二扫频子波信号S5(Ti)＝S4(Ti)×S1(Ti)；
S45、将所述第二扫频子波信号S5(Ti)转换为第二扫频超声波信号发出。
2.根据权利要求1所述扫频超声波激发信号的振幅补偿方法，其特征在于，所述S20具体包括：
S21、发射端的声发射换能器将所述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号；
S22、发射端的声发射换能器将所述第一扫频超声波信号发送给接收端的声发射换能器。
3.根据权利要求2所述扫频超声波激发信号的振幅补偿方法，其特征在于，在步骤S21之前，进一步包括：通过高频功率放大器对所述原始信号S1(Ti)进行放大。
4.根据权利要求1所述扫频超声波激发信号的振幅补偿方法，其特征在于，所述S45包括：将所述第二扫频子波信号S5(Ti)作为任意函数发生器的自定义子波输出，经过高频功率放大器放大，利用发射端的声发射换能器将经过放大后的第二扫频子波信号S5(Ti)转换为第二扫频超声波信号。
5.一种扫频超声波激发信号的振幅补偿系统，其特征在于，包括：
第一采集存储单元，用于采集第一扫频子波信号，存储为原始信号S1(Ti)；
第一信号转换单元，用于将所述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号；
第二采集存储单元，用于采集第一扫频超声波信号，存储为响应信号S2(Ti)；
信号处理单元，用于根据所述原始信号和响应信号得出第二扫频子波信号；
第二信号转换单元，用于将第二扫频子波信号转换为第二扫频超声波信号发出；
所述信号处理单元具体用于：
获取所述响应信号S2(Ti)所有的波峰值及对应的时间Tk，记为P2(Tk)，并求取峰值的最大值Pmax和最小值Pmin；k＝1,2,……,n，k为自然数，n为周期；
生成扫频控制数据S3(Tk)＝(Pmax-Pmin)/(2×P2(Tk))；
将S3(Tk)根据原始信号S1(Ti)对应的Ti值进行线性插值，获得S4(Ti)；
根据S4(Ti)、S1(Ti)获取第二扫频子波信号S5(Ti)＝S4(Ti)×S1(Ti)。
6.根据权利要求5所述扫频超声波激发信号的振幅补偿系统，其特征在于，所述第一信号转换单元包括：
发射端的声发射换能器，用于将所述原始信号S1(Ti)转换为第一扫频超声波信号；
接收端的声发射换能器，用于接收所述发射端的声发射换能器发出的所述第一扫频超声波信号。
7.根据权利要求6所述扫频超声波激发信号的振幅补偿系统，其特征在于，所述第一信号转换单元进一步包括：
高频功率放大器，用于对所述原始信号S1(Ti)进行放大。
8.根据权利要求5所述扫频超声波激发信号的振幅补偿系统，其特征在于，所述第二信号转换单元包括：
任意函数发生器，用于将所述第二扫频子波信号作为自定义子波输出；
高频功率放大器，用于放大所述第二扫频子波信号；
发射端的声发射换能器，用于将放大后的第二扫频子波信号转换为第二扫频超声波信号。
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