基于零點(diǎn)匹配的彈體構(gòu)件超聲檢測(cè)方法*

吳其洲，張艷雙，金永

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原030051；2.衡水市醫(yī)療保險(xiǎn)基金管理中心，河北衡水050001）

基于零點(diǎn)匹配的彈體構(gòu)件超聲檢測(cè)方法*

吳其洲1，張艷雙2，金永1

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原030051；2.衡水市醫(yī)療保險(xiǎn)基金管理中心，河北衡水050001）

針對(duì)彈體坯料構(gòu)件檢測(cè)效率較低的問題，提出了一種基于零點(diǎn)匹配的超聲檢測(cè)原理。零點(diǎn)匹配原理是基于被檢構(gòu)件在做周期性的勻速旋轉(zhuǎn)過程中自身曲率變化的規(guī)律提出的，表現(xiàn)為探頭與構(gòu)件下表面的距離變化。利用小波分析的方法對(duì)含有噪聲的周期距離信號(hào)進(jìn)行降噪處理，并采用求不同檢測(cè)截面間周期信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)的方法，對(duì)各截面零點(diǎn)進(jìn)行一致性判斷，根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行零點(diǎn)匹配。該方法有效縮短了零點(diǎn)傳感器進(jìn)行零點(diǎn)判斷過程所需的等待時(shí)間，有效提高了構(gòu)件檢測(cè)的效率。

零點(diǎn)，超聲檢測(cè)，小波，彈體構(gòu)件

0　引言

在對(duì)變化較大的彈體構(gòu)件表面進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，為了保證檢測(cè)的有效性，超聲波探頭與被檢構(gòu)件的表面必須保持一定的恒定不變距離，且探頭發(fā)出超聲波的入射角度與被檢構(gòu)件的外表面成垂直關(guān)系。這就要求在測(cè)試過程中超聲波探頭能實(shí)現(xiàn)多軸向運(yùn)動(dòng)并能完成角度旋轉(zhuǎn)。這種情況下，就需要對(duì)目標(biāo)構(gòu)件進(jìn)行等間隔、多截面的檢測(cè)方式進(jìn)行C掃描檢測(cè)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是將構(gòu)件沿軸向進(jìn)行等間距分割，確定檢測(cè)截面，對(duì)每個(gè)截面進(jìn)行圓周掃描，通過零點(diǎn)傳感器產(chǎn)生檢測(cè)開始和結(jié)束的觸發(fā)信號(hào)，這種傳統(tǒng)方式檢測(cè)構(gòu)件的效率很低［1-3］。

相關(guān)性理論在實(shí)現(xiàn)信號(hào)匹配中被廣泛采用。吉李滿［4］研究了微弱信號(hào)中混入噪聲時(shí)，如何利用相關(guān)性理論從被干擾和噪聲淹沒的信號(hào)中提取有用信號(hào)。王巖松［5］提出了一種利用互相關(guān)實(shí)現(xiàn)圖像定位匹配的算法，克服了以往圖像匹配中精度低的缺點(diǎn)。

本文利用周期信號(hào)之間的相關(guān)性，查找圓周掃描的零點(diǎn)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過自適應(yīng)濾波，周期之間相關(guān)性良好，可以快速實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)匹配，優(yōu)化了檢測(cè)效率［6-7］。

1　構(gòu)件檢測(cè)分析

本文主要以復(fù)雜外形坯料構(gòu)件為研究對(duì)象，進(jìn)行檢測(cè)分析，圖1為構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖

檢測(cè)效率作為構(gòu)件檢測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)，提出一種不使用零點(diǎn)傳感器的檢測(cè)方法。構(gòu)件不停旋轉(zhuǎn)，探頭移動(dòng)至截面位置立即開始檢測(cè)，各個(gè)檢測(cè)截面的零點(diǎn)可能位于該截面的任意位置。對(duì)某一構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，其中包含一個(gè)長(zhǎng)條形缺陷，在不使用零點(diǎn)傳感器的情況下，會(huì)使得同一缺陷在不同的檢測(cè)截面上出現(xiàn)在不同的角度上，直接影響對(duì)缺陷的判斷，如圖2所示。

圖2　構(gòu)件C掃描結(jié)果

由于檢測(cè)對(duì)象為毛坯料構(gòu)件，在對(duì)截面的圓周掃描中，超聲波探頭與構(gòu)件表面距離會(huì)產(chǎn)生變化，如圖3所示。從圖中可以看出，在構(gòu)件勻速旋轉(zhuǎn)的過程中，這種距離的變化存在固定周期。

圖3　構(gòu)件某截面的距離測(cè)量值

根據(jù)不同截面檢測(cè)后采集到的回波信號(hào)分析，可以判斷檢測(cè)點(diǎn)處探頭與被檢構(gòu)件外表面之間距離的變化情況。以第一檢測(cè)截面信號(hào)的周期零點(diǎn)，作為構(gòu)件旋轉(zhuǎn)圓周上的零點(diǎn)。以計(jì)算機(jī)處理后的信號(hào)作為判斷截面的周期零點(diǎn)與第一截面零點(diǎn)一致性的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)匹配。

2　周期信號(hào)分析

如圖3所示為某檢測(cè)截面4個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)采集到的信號(hào)，通過幅值變化可以清楚地看到檢測(cè)點(diǎn)處探頭與被檢構(gòu)件的外表面之間距離變化存在一定的規(guī)律性和周期性。

在構(gòu)件的實(shí)際檢測(cè)過程中，由于采集信號(hào)會(huì)受到諸多因素影響，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)構(gòu)件作圓周運(yùn)動(dòng)會(huì)存在一些隨機(jī)的高頻振動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致采集信號(hào)中高頻噪聲的產(chǎn)生；毛坯料構(gòu)件表面存在的不規(guī)則細(xì)紋所導(dǎo)致的小型凸起或凹陷也會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果。為了提高各界面周期信號(hào)相似性判斷的準(zhǔn)確性，需要提前將采集到的信號(hào)進(jìn)行高頻噪聲降噪處理。因此，通過對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行降噪處理可以在進(jìn)行零點(diǎn)匹配前提取到效果更為理想的周期信號(hào)。圖4為某構(gòu)件檢測(cè)中得到構(gòu)件兩個(gè)不同截面的距離信號(hào)S1和S2。

圖4　不同檢測(cè)截面的距離信號(hào)

3　信號(hào)降噪處理

檢測(cè)過程中，采集到的檢測(cè)點(diǎn)處探頭與被檢構(gòu)件的外表面之間距離信號(hào)的變化主要呈現(xiàn)出一種較為平穩(wěn)的低頻信號(hào)，但其中也包含許多高頻的噪聲信號(hào)，會(huì)影響信號(hào)的有效分析，因此，需要對(duì)高頻成分的噪聲信號(hào)作濾波降噪處理，消除高頻噪聲對(duì)信號(hào)的影響。本文采用了一種多層次、多分辨率的自適應(yīng)的降噪方法。

利用小波原理，進(jìn)行多層次、多分辨率降噪的具體過程如下所示:

1）對(duì)采集到的含有高頻噪聲的信號(hào)進(jìn)行小波分解處理。首先選擇一個(gè)合適的小波，分析其所需分解層數(shù)進(jìn)行分解之后，可以通過計(jì)算得到其對(duì)應(yīng)的低高頻系數(shù)。

2）利用計(jì)算所得高頻系數(shù)，去除信號(hào)中的高頻噪聲成分。

3）根據(jù)分解層數(shù)，利用高低頻系數(shù)進(jìn)行離散小波重構(gòu)研究，重構(gòu)出高頻降噪后的信號(hào)。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］中對(duì)小波分解過程中小波基以及分解層數(shù)的選擇分析，利用db5小波對(duì)距離信號(hào)S1和S2進(jìn)行5層分解。

利用HeurSure閾值方法對(duì)分解后的各層高頻系數(shù)進(jìn)行軟閾值的選取，并濾除高頻噪聲，將濾噪后的各分量進(jìn)行小波重構(gòu)，得到小波多分辨分析方法降噪后的距離信號(hào)S1'和S2'，如圖5所示。

圖5　小波降噪后的信號(hào)

4　零點(diǎn)匹配

經(jīng)過小波降噪處理后，得到一個(gè)圓周旋轉(zhuǎn)所采集到的檢測(cè)點(diǎn)處探頭與被檢構(gòu)件的外表面之間距離變化的信號(hào)。在被檢構(gòu)件的圓周旋轉(zhuǎn)過程中，由于被檢構(gòu)件的尺寸及其曲率變化等因素的影響，在尋找信號(hào)周期的起始點(diǎn)時(shí)，需要根據(jù)構(gòu)件單截面單圈檢測(cè)得到的距離信號(hào)的數(shù)據(jù)值為依據(jù)，進(jìn)行所檢測(cè)構(gòu)件圓周旋轉(zhuǎn)的零點(diǎn)位置與信號(hào)周期起始零點(diǎn)時(shí)刻的一致性判斷，最終達(dá)到零點(diǎn)匹配的目的。

根據(jù)不同的隨機(jī)信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)存在的不同瞬時(shí)依賴關(guān)系，研究其對(duì)應(yīng)的2個(gè)樣本函數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)信號(hào)的數(shù)據(jù)波形會(huì)隨時(shí)間的連續(xù)移動(dòng)而變化，兩者之間也存在相互緊密的相關(guān)性。

隨機(jī)信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)的離散表達(dá)式:

由于互相關(guān)函數(shù)一般不是奇偶函數(shù)，在互相關(guān)函數(shù)的研究中，利用圖5中的兩條曲線S1'和S2'兩個(gè)離散的隨機(jī)信號(hào)，定義S1'和S2'分別為x（t）和y（t），運(yùn)用互相關(guān)函數(shù)的方法尋找與參考起點(diǎn)（第一次檢測(cè)的距離曲線的起點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的位置，進(jìn)而消除誤差。

圖6　S1'與S2'之間互相關(guān)函數(shù)Rxy

圖7　S1'與M2的對(duì)比圖

根據(jù)互相關(guān)函數(shù)的數(shù)值與相關(guān)性程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)Rxy的值為最大116時(shí)，S1'和S2'這兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)的相關(guān)性最好，也就是說此時(shí)兩條信號(hào)曲線具有一定的可重復(fù)性。因此，根據(jù)互相關(guān)函數(shù)的最大值點(diǎn)，在時(shí)域上將S2'信號(hào)波形平移116個(gè)對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)，即可得到信號(hào)M2。如圖7所示，S1'與M2的重合度極好。

利用上述方法，對(duì)圖2中采集到不同的檢測(cè)截面處探頭與外表面的距離信號(hào)曲線進(jìn)行零點(diǎn)匹配處理。利用處理后的信號(hào)數(shù)據(jù)得到零點(diǎn)匹配后的C掃描圖，如圖8所示。

圖8　調(diào)整后構(gòu)件C掃描結(jié)果

5　結(jié)論

本文針對(duì)復(fù)雜構(gòu)件檢測(cè)過程中檢測(cè)效率較低的問題，提出零點(diǎn)匹配法。利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)構(gòu)件勻速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行周期檢測(cè)，根據(jù)構(gòu)件尺寸和曲率變化存在的周期性變化規(guī)律，利用采集的各截面信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行零點(diǎn)匹配。首先通過對(duì)周期信號(hào)中的噪聲進(jìn)行降噪處理，其次對(duì)降噪后的信號(hào)利用互相關(guān)的方法，完成對(duì)無零點(diǎn)傳感器情況下檢測(cè)得到的C掃描圖的調(diào)整。利用此方法可以在原檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上提高平均約35%的檢測(cè)效率。

［1］鄧玉娟.基于小波變換的語音閾值去噪算法研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2009.

［2］戚勵(lì)文，王召巴，金永，等.合金彈體棒狀坯料超聲檢測(cè)方法研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009，29（4），269-272.

［3］葛新成，羅大成，曹勇，等.相關(guān)函數(shù)在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用［J］.電光與控制，2006，13（6）:78-80.

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［5］王巖松，阮秋琦.一種基于互相關(guān)的圖像定位匹配算法研究及應(yīng)用［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，26（2）:20-24.

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［7］FENG H，LIN Z H.The design of adaptive sigma-delta A/D converter［J］.HighTechnologyLetters，2005，11（4）: 367-370.

Analysis on Motion Path of Probe with Ultrasonic Testing of Missile Components

WU Qi-zhou1，ZHANG Yan-shuang2，JIN Yong1
（1.School of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Hengshui Medical Insurance Fund Management Center，Hengshui 050001，China）

There is a more complex problem of ultrasonic probe movement on surface missile components automatic detection.The paper offers a detection method，using the known parameters by calculation and presetting motion path.After analysis of the structure of missile components，the probe is fixed into boxes，which can spray the water.And it is adopted water-jet coupled method in order to not impact on the campaign when the component surface have a greater change.There are hollow and solid parts of components，so the system needs to analysis of the movement under a variety of structural components and calculate exercise paths based on detection way.This method reduces the time of ultrasonic ranging and ultrasonic probe position adjustment，improves the efficiency of the automatic detection.

zeropoints，ultrasonicprobe，wavelet，missilecomponents

TJ410.6

A

1002-0640（2016）06-0166-03

2015-05-11

2015-06-17

國(guó)家自然科學(xué)基金（61201412）；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20110321029）；山西省青年科技研究基金資助項(xiàng)目（2012021011-5）

吳其洲（1978-），男，江蘇泗陽人，博士研究生，副教授。研究方向：信號(hào)與信息處理。