本發(fā)明屬于超聲無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種去除超聲探頭響應(yīng)特性的超聲波信號處理方法。

背景技術(shù)：

超聲檢測通過分析暫態(tài)聲場與缺陷相互作用后的回波實現(xiàn)對缺陷的診斷和評價，是應(yīng)用最為廣泛的一種無損檢測方法。超聲回波由檢測系統(tǒng)的特性和缺陷特性共同決定，檢測系統(tǒng)特性主要受超聲探頭的電-聲和聲-電特性決定，同一批探頭因為制造工藝、壓電材料性能參數(shù)的差異，表現(xiàn)出來的特性不一樣。壓電材料經(jīng)受高頻振動，退極化傾向大，易引起壓電材料電性能的老化，使探頭響應(yīng)特性變化，影響對回波的準(zhǔn)確判斷。特別是當(dāng)缺陷特性相似的時候，如果采用不同的探頭，就會得到差異較大的超聲回波，導(dǎo)致缺陷評價不準(zhǔn)確。為了突出缺陷的特性，很有必要去除探頭響應(yīng)特性對回波信號的影響。

基于超聲信號產(chǎn)生及超聲波在介質(zhì)內(nèi)的傳播模型，超聲回波是探頭響應(yīng)特性與缺陷特性的時域卷積，因此對超聲回波信號進行反卷積處理就成為解決這一問題的最佳途徑。工程中常用的反卷積方法有同態(tài)反卷積和最小熵反卷積等。當(dāng)系統(tǒng)是最小相位系統(tǒng)時，解卷積問題不難解決，當(dāng)系統(tǒng)是非最小相位，應(yīng)用同態(tài)反卷積和預(yù)測反卷積比較困難，會產(chǎn)生病態(tài)問題。最小熵反卷積非常適用于非最小相位或非線性系統(tǒng)的反卷積方法，這種方法通過迭代找到使輸出序列熵最小的逆濾波器，其結(jié)果是一種折衷的方案，并不是最優(yōu)的。因為超聲檢測系統(tǒng)的未知性，超聲信號的反卷積問題是一個盲反卷積問題，可以通過求超聲探頭響應(yīng)特性函數(shù)的方法把盲卷積問題轉(zhuǎn)換成常規(guī)反卷積。超聲探頭的響應(yīng)特性可以采用激光測振儀測量得到，但激光測振儀價格昂貴，成本太高。有學(xué)者用逼近的辦法求解探頭響應(yīng)特性，如Boβmann Florian基于高斯回波模型利用多次迭代的求得探頭響應(yīng)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單個超聲回波求得探頭響應(yīng)特性(Wei L,Huang Z,Que P.Sparse deconvolution method for improving the time-resolution of ultrasonic NDE signals[J].Ndt&E International,2009,42(5):430-434.)，但是，這些方法所得到的探頭響應(yīng)特性只是一個估計值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種去除超聲探頭響應(yīng)特性的超聲波信號處理方法，其方法步驟簡單，設(shè)計新穎合理，實現(xiàn)方便，實現(xiàn)成本低，能夠突出缺陷的特征，能夠得到準(zhǔn)確的結(jié)果，實用性強，使用效果好，便于推廣使用。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種去除超聲探頭響應(yīng)特性的超聲波信號處理方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、制作標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊；所述標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的形狀為圓柱形，所述標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面半徑Φ＝6D，所述標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的高度H的取值范圍為其中λ為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊中的波長，當(dāng)所述超聲探頭為圓形超聲探頭時，D為超聲探頭的直徑；當(dāng)所述超聲探頭為矩形超聲探頭時，D為所述矩形的長邊的邊長；

步驟二、采集超聲探頭在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面回波：將超聲探頭放置在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的頂部中心處，操作與超聲探頭連接的超聲波探傷儀，采集超聲探頭在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面一次回波y(t)并傳輸給計算機；

步驟三、計算標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的空間脈沖響應(yīng)：將所述超聲探頭的換能器分割成邊長為a的正方形微元，并將所述標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面分割成邊長為b的正方形微元，所述計算機根據(jù)公式計算標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的空間脈沖響應(yīng)h(t)；其中，*為卷積運算，ρ為標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的密度，S_r為超聲探頭的換能器的表面面積，S_f為標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面面積，r_f為標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面微元的位置矢量；r_tf為超聲探頭的換能器微元到標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面微元的位置矢量，r_fr為標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面微元到超聲探頭的換能器微元的位置矢量，h(r_fr)為位置矢量r_f處處標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面微元對位置矢量r_r處超聲探頭的換能器微元的空間脈沖響應(yīng)且r_r為超聲探頭的換能器微元的位置矢量，S'為位置矢量r_f處標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面微元的面積，c為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊中的速度，t為時間，δ()為狄利克雷函數(shù)；h(r_f)為超聲探頭對位置矢量r_f處標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面微元的空間脈沖響應(yīng)且S_t為超聲探頭的換能器的表面積；θ_fr為位置矢量r_f處標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面微元和位置矢量r_r處超聲探頭的換能器微元之間向量與標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面法向量間的夾角，r_p(θ_fr)為超聲波作用在位置矢量r_f處標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面微元時的反射系數(shù)且m為密度比且ρ₁為空氣的密度，n為折射率且c₁為超聲波在空氣中的速度；

步驟四、反卷積求探頭響應(yīng)特性，具體過程為：

步驟401、計算機將超聲探頭在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面一次回波y(t)表示為超聲探頭的響應(yīng)v(t)與標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的空間脈沖響應(yīng)h(t)的時域卷積，用公式表示為y(t)＝v(t)*h(t)；

步驟402、對公式y(tǒng)(t)＝v(t)*h(t)進行反卷積，得到超聲探頭響應(yīng)的頻域表達式其中，H(ω)為h(t)的傅利葉變換，用公式表示為H(ω)＝FFT(h(t))；Y(ω)為y(t)的傅利葉變換，用公式表示為Y(ω)＝FFT(y(t))；

步驟五、對實際檢測中的超聲回波信號k(t)進行維納濾波反卷積計算，得到去除了超聲探頭響應(yīng)特性的被檢測物質(zhì)的響應(yīng)函數(shù)其中，IFFT()為傅里葉反變換，K(ω)為k(t)的傅利葉變換，用公式表示為K(ω)＝FFT(k(t))；V(ω)^*為V(ω)的共軛，Q為噪聲信噪比。

上述的一種去除超聲探頭響應(yīng)特性的超聲波信號處理方法，其特征在于：步驟三中所述a的取值范圍為0.5λ≤a≤λ，步驟三中所述b的取值范圍為λ≤b≤2λ。

上述的一種去除超聲探頭響應(yīng)特性的超聲波信號處理方法，其特征在于：步驟五中所述Q的取值根據(jù)公式Q²＝0.07max(|V(ω)|)²計算得到，其中，max()為求最大值的運算。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明利用試塊和回波模型求得的探頭響應(yīng)特性，并對實際檢測中的超聲回波信號進行反卷積運算，以去除探頭響應(yīng)特性對回波信號的影響，方法步驟簡單，設(shè)計新穎合理，實現(xiàn)方便。

2、采用本發(fā)明的方法求解得到的探頭響應(yīng)特性，避免了檢測系統(tǒng)等對結(jié)果的影響，采用常規(guī)的設(shè)備和儀器就可以實現(xiàn)，不需要采用激光測振儀這樣昂貴的設(shè)備，實現(xiàn)成本低，且能夠得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

3、本發(fā)明能夠有效去除探頭響應(yīng)特性對回波信號的影響，能夠突出缺陷的特征，能夠準(zhǔn)確檢測出缺陷，且避免了采用不同探頭得到差異較大的超聲回波的問題出現(xiàn)，特別適用于采用多個超聲探頭對大批量被檢測物質(zhì)進行檢測的場合。

4、本發(fā)明的實用性強，使用效果好，便于推廣使用。

綜上所述，本發(fā)明方法步驟簡單，設(shè)計新穎合理，實現(xiàn)方便，實現(xiàn)成本低，能夠突出缺陷的特征，能夠得到準(zhǔn)確的結(jié)果，實用性強，使用效果好，便于推廣使用。

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法流程框圖。

圖2為本發(fā)明采集超聲探頭在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面回波所用系統(tǒng)的連接關(guān)系示意圖。

圖3為本發(fā)明計算機接收到的超聲探頭在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的底面一次回波y(t)圖。

圖4為本發(fā)明標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊的空間脈沖響應(yīng)如圖。

圖5為本發(fā)明反卷積求得的探頭響應(yīng)特性圖。

圖6為本發(fā)明實際檢測中的超聲回波信號圖。

圖7為本發(fā)明去除超聲探頭響應(yīng)特性的被檢測物質(zhì)的響應(yīng)函數(shù)圖。

附圖標(biāo)記說明:

1—超聲探頭； 2—超聲波探傷儀； 3—計算機；

4—標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明的去除超聲探頭響應(yīng)特性的超聲波信號處理方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、制作標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4；所述標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的形狀為圓柱形，所述標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面半徑Φ＝6D，所述標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的高度H的取值范圍為其中λ為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4中的波長，當(dāng)所述超聲探頭1為圓形超聲探頭時，D為超聲探頭1的直徑；當(dāng)所述超聲探頭1為矩形超聲探頭時，D為所述矩形的長邊的邊長；

本實施例中，所述超聲探頭1為型號為2.5Z20N的圓形超聲探頭，D為20mm，超聲探頭1的中心頻率為2.5MHz；所述標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面半徑Φ＝120mm，超聲波在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4中的速度為5900m/s，所述標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的高度H為45mm。

步驟二、采集超聲探頭1在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面回波：如圖2所示，將超聲探頭1放置在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的頂部中心處，操作與超聲探頭1連接的超聲波探傷儀2，采集超聲探頭1在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面一次回波y(t)并傳輸給計算機3；

本實施例中，所述超聲波探傷儀2的型號為CTS-4020；

本實施例中，計算機3接收到的超聲探頭1在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面一次回波y(t)如圖3所示；

步驟三、計算標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的空間脈沖響應(yīng)：將所述超聲探頭1的換能器分割成邊長為a的正方形微元，并將所述標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面分割成邊長為b的正方形微元，所述計算機3根據(jù)公式計算標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的空間脈沖響應(yīng)h(t)；其中，*為卷積運算，ρ為標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的密度，S_r為超聲探頭1的換能器的表面面積，S_f為標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面面積，r_f為標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面微元的位置矢量；r_tf為超聲探頭1的換能器微元到標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面微元的位置矢量，r_fr為標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面微元到超聲探頭1的換能器微元的位置矢量，h(r_fr)為位置矢量r_f處處標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面微元對位置矢量r_r超聲探頭1的換能器微元的空間脈沖響應(yīng)且S'為位置矢量r_f處標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面微元的面積，c為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4中的速度，t為時間，δ()為狄利克雷函數(shù)(dirichlet function)；h(r_f)為超聲探頭1對位置矢量r_f處標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面微元的空間脈沖響應(yīng)且r_r為超聲探頭1的換能器微元的位置矢量，S_t為超聲探頭1的換能器的表面積；θ_fr為位置矢量r_f處標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面微元和位置矢量r_r處超聲探頭1的換能器微元之間向量與標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面法向量間的夾角，r_p(θ_fr)為超聲波作用在位置矢量r_f處標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面微元時的反射系數(shù)且m為密度比且ρ₁為空氣的密度，n為折射率且c₁為超聲波在空氣中的速度；

本實施例中，步驟三中所述a的取值范圍為0.5λ≤a≤λ，步驟三中所述b的取值范圍為λ≤b≤2λ。優(yōu)選地，步驟三中所述a的取值為1.2mm，步驟三中所述b的取值為3mm。

本實施例中，計算得到的標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的空間脈沖響應(yīng)如圖4所示；

步驟四、反卷積求探頭響應(yīng)特性，具體過程為：

步驟401、計算機3將超聲探頭1在標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的底面一次回波y(t)表示為超聲探頭1的響應(yīng)v(t)與標(biāo)準(zhǔn)大平面試塊4的空間脈沖響應(yīng)h(t)的時域卷積，用公式表示為y(t)＝v(t)*h(t)；超聲波的產(chǎn)生和接收，是一個電到聲、聲到電轉(zhuǎn)換的過程，同時也伴隨著傳播介質(zhì)、耦合劑、檢測儀器等對超聲波信號的影響，基于線性聲學(xué)假設(shè)，超聲探頭1回波能夠表示為探頭響應(yīng)與缺陷空間脈沖響應(yīng)的時域卷積；

步驟402、對公式y(tǒng)(t)＝v(t)*h(t)進行反卷積，得到超聲探頭1響應(yīng)的頻域表達式其中，H(ω)為h(t)的傅利葉變換，用公式表示為H(ω)＝FFT(h(t))；Y(ω)為y(t)的傅利葉變換，用公式表示為Y(ω)＝FFT(y(t))；

本實施例中，反卷積求得的探頭響應(yīng)特性如圖5所示；

步驟五、對實際檢測中的超聲回波信號k(t)進行維納濾波反卷積計算，得到去除了超聲探頭響應(yīng)特性的被檢測物質(zhì)的響應(yīng)函數(shù)其中，IFFT()為傅里葉反變換，K(ω)為k(t)的傅利葉變換，用公式表示為K(ω)＝FFT(k(t))；V(ω)^*為V(ω)的共軛，Q為噪聲信噪比。由于脈沖信號的頻譜在低頻或高頻部分幅值較低，容易受到噪聲干擾，簡單頻域相除容易導(dǎo)致信號失真，因此此處采用了維納濾波反卷積來消除這種影響。

本實施例中，步驟五中所述Q的取值根據(jù)公式Q²＝0.07max(|V(ω)|)²計算得到，其中，max()為求最大值的運算。噪聲信噪比Q的取值直接關(guān)系到維納濾波反卷積計算時維納濾波的性能，當(dāng)Q取的太小時，會引入噪聲，降低分辨率，當(dāng)Q取的太大時，會使計算精度下降，取Q²＝0.07max(|V(ω)|)²，能夠獲得較好的維納濾波效果。

本實施例中，實際檢測中的超聲回波信號k(t)如圖6所示，從圖6中可見有兩個回波，但第二個缺陷波較復(fù)雜，可判斷在t＝2.0μs和t＝5.0μs處分別有一個缺陷；對實際檢測中的超聲回波信號k(t)進行維納濾波反卷積計算，得到去除了超聲探頭1響應(yīng)特性的被檢測物質(zhì)的響應(yīng)函數(shù)如圖7所示，從圖7可以看出，實際檢測中的物體有3個缺陷，各缺陷所對應(yīng)的具體時刻為t1＝1.4μs，t2＝4.3μs，t3＝5.2μs。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。