超聲無損檢測與評(píng)價(jià)中的信號(hào)處理及模式識(shí)別技術(shù)

安婧 蘭州文理學(xué)院

自改革開放以來，信息技術(shù)方面發(fā)展非常迅速，主要包括微機(jī)技術(shù)方面的發(fā)展、信息技術(shù)方面的發(fā)展、微電子技術(shù)方面的發(fā)展，這些行業(yè)的發(fā)展逐步帶動(dòng)了其他相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展，尤其在超聲無損檢測技術(shù)行業(yè)，人們不斷的根據(jù)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步對(duì)信號(hào)處理以及模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行著改革與升級(jí)，其中包括檢測手法的改進(jìn)、檢測手段的更新以及檢測儀器的升級(jí)。超聲技術(shù)是無損檢測信號(hào)過程中所使用最多的信號(hào)處理技術(shù)，它的信號(hào)處理頻率一直穩(wěn)定在兆赫數(shù)量級(jí)，以往的技術(shù)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理是非常具有挑戰(zhàn)性的。

近幾年，數(shù)字化信息化時(shí)代不斷地充斥著我們的耳膜，超聲無損檢測經(jīng)過數(shù)字化的處理或信息化的處理變得更加方便快捷準(zhǔn)確，各式各樣的超聲無損檢測技術(shù)與信號(hào)處理及模式識(shí)別檢測技術(shù)不斷被人們研究出來。而且國內(nèi)外有大量學(xué)者或科研工作者從事超聲無損檢測與信號(hào)處理及模式識(shí)別技術(shù)的研究，不僅為超聲無損檢測與評(píng)價(jià)中的信號(hào)處理及模式識(shí)別技術(shù)提供了大量的科研材料，而且為無損檢測與信號(hào)處理識(shí)別領(lǐng)域注入了新鮮血液以及創(chuàng)新思想。另一方面來說，技術(shù)開發(fā)部門以及儀器制造基地將所研究的成果投入到工業(yè)化制作中，并對(duì)這些研究成果進(jìn)行智能化的設(shè)計(jì)與數(shù)字化的設(shè)計(jì)，保證制造的儀器符合科研人員的預(yù)期思想，之后對(duì)生產(chǎn)的儀器進(jìn)行檢測，保證儀器的準(zhǔn)確性，從而在一定方面推動(dòng)著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展。

超聲無損檢測與評(píng)價(jià)中的信號(hào)處理與模式識(shí)別技術(shù)的主要目的是：（1）對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的篩選，選擇有用的信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)處理，對(duì)稍弱的信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量方面的檢測，對(duì)信號(hào)進(jìn)行適用性的截取。（2）對(duì)不同的信號(hào)進(jìn)行測量，不同的信號(hào)得出不同的信號(hào)缺陷，并作出一定的分類，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的單獨(dú)檢測以及定量設(shè)計(jì)。此外，使用儀器中的檢測任務(wù)對(duì)發(fā)射出的信號(hào)進(jìn)行特定的處理以保證信號(hào)達(dá)到最佳狀態(tài)，或者將這種信號(hào)作為超聲信號(hào)的處理類別。超聲無損檢測與評(píng)價(jià)中的信號(hào)處理與識(shí)別技術(shù)屬于學(xué)術(shù)類研究項(xiàng)目，具有非常大的潛力，提供的研究方法也比較具有實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)性，這類研究所提供的研究結(jié)果以及所給出的技術(shù)方案在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中還需要進(jìn)一步的進(jìn)行方案簡化與技術(shù)加工，而對(duì)應(yīng)的另一套研究方案就是通過現(xiàn)實(shí)的工業(yè)化進(jìn)行生產(chǎn)以及升級(jí)方面的服務(wù)，主要是對(duì)儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)的改進(jìn)，這種類型的處理方法相對(duì)比較簡單并且速度非常迅速，在保證質(zhì)量的前提下方便使用者的使用操作。因此，對(duì)這種信號(hào)處理以及模式識(shí)別進(jìn)行綜合處理并且對(duì)這種處理的技術(shù)進(jìn)行研究分析具有極其重要的意義。

1 增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)

在使用超聲技術(shù)對(duì)信號(hào)缺陷的回波進(jìn)行檢測的時(shí)候可能會(huì)受到來自各個(gè)方面的干擾作用，主要存在于兩大方面，首先散射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是材料的微結(jié)構(gòu)分布的不均勻?qū)е碌?，比如粗晶奧氏體不銹鋼，它里面的晶體顆粒展現(xiàn)的就是散射現(xiàn)象，再比如纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料，它里面所包含的纖維散射現(xiàn)象以及混凝土中因?yàn)樗显斐傻纳⑸洮F(xiàn)象等，并且這些散射現(xiàn)象所產(chǎn)生信號(hào)非常強(qiáng)，通過超聲對(duì)這種回波進(jìn)行分辨是比較難以實(shí)現(xiàn)的。其次可能被測物體的表面結(jié)構(gòu)或者一些邊界因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性而形成表面的信號(hào)反射，這種情況的反射信號(hào)也是非常強(qiáng)的，從而比較難以分辨信號(hào)回波。

1.1 抑制微結(jié)構(gòu)材料的散射

因?yàn)楦蓴_信號(hào)和缺陷回波信號(hào)兩者在頻率上相差不是很大，所以不能通過簡單的濾波器使用低通、高通或者帶通的方式進(jìn)行信號(hào)之間的分離，必須使用一些特殊的手段。對(duì)于信號(hào)分離過程中受散射的影響，自上世紀(jì)就已經(jīng)提出了相應(yīng)的解決技術(shù)，即根據(jù)信號(hào)的散射情況提出的分離譜技術(shù)，這種技術(shù)方法在此后的幾十年被很多的學(xué)者專家進(jìn)行研究，取得了非常好的成效，分離譜技術(shù)主要是利用缺陷回波現(xiàn)象與微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的散射回波現(xiàn)象對(duì)超聲頻率的感知度不同而形成的多個(gè)頻道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并根據(jù)實(shí)際情況做出處理。相對(duì)應(yīng)的一部分人利用小波率之間的變換增加強(qiáng)散射材料產(chǎn)生信號(hào)后進(jìn)行超聲檢測時(shí)候依據(jù)的信噪比，但是實(shí)際上這種小波變換的方式是通過恒Q 值進(jìn)行的多種濾波情況，使用恒Q 值進(jìn)行濾波的優(yōu)點(diǎn)是濾波器所選組比普通情況的分離譜的技術(shù)要求要低，因此這種方式所使用的檢測儀器比較方便操作。此外也可以實(shí)行分離譜技術(shù)與信息其他處理技術(shù)的結(jié)合，但是這種方式的信號(hào)處理非常復(fù)雜并且實(shí)用性不高，只能作為學(xué)術(shù)研究類型。

散射回波的抑制方式也是當(dāng)下需要研究的問題，而最新的抑制方式就是通過自適應(yīng)濾波技術(shù)進(jìn)行散射回波的抑制，這種濾波技術(shù)與低通濾波和高通濾波以及帶通濾波的方式不同，它是根據(jù)兩個(gè)信號(hào)之間的大小相關(guān)性進(jìn)行信號(hào)的分離，比如如果兩個(gè)測信號(hào)的探頭位置相距比較近，所以兩方所測的信號(hào)大小也都不相上下，而此時(shí)將信號(hào)輸入到自適應(yīng)濾波器之中，會(huì)使缺陷回波的信號(hào)相關(guān)性大于散射回波信號(hào)的相關(guān)性，從而增加了缺陷回波的強(qiáng)度。而對(duì)于自適應(yīng)濾波器來說，它需要一定的時(shí)間建立所需要的平衡自適應(yīng)的系統(tǒng)，所以隨著不斷的研究出現(xiàn)了解決這種微結(jié)構(gòu)噪聲的方案，就是通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與自適應(yīng)濾波器相結(jié)合，這種方法的算法速度不僅很快，而且還比較適合連續(xù)作業(yè)。

雖然不均勻材料所形成的散射回波信號(hào)與缺陷回波信號(hào)的相差明顯度很小，但是經(jīng)過仔細(xì)的分析研究還是存在很多不同的地方，雖然相似度很高，但是區(qū)別性也是比較大的。對(duì)于這個(gè)問題，人們不斷的使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)模糊識(shí)別的技術(shù)來對(duì)此進(jìn)行相互關(guān)系之間的判斷。這兩種信號(hào)識(shí)別的方式主要是致力于解決一些比較復(fù)雜而且模糊度很高的問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要首先進(jìn)行相關(guān)的訓(xùn)練，但是模糊識(shí)別信號(hào)技術(shù)需要首先有反應(yīng)不同信號(hào)特征的先行檢驗(yàn)知識(shí)。全部具備這些條件，這兩種信號(hào)識(shí)別技術(shù)才可以發(fā)揮它們獨(dú)有的優(yōu)勢。

1.2 對(duì)界面反射進(jìn)行消除

對(duì)于超聲檢測來說，材料界面的反射信號(hào)往往比較強(qiáng)烈，以至于存在界面附近的一些缺陷回波信號(hào)比較難以辨別，所以需要抵消界面的反射信號(hào)來突出信號(hào)缺陷回波。但是抵消界面反射需要一定標(biāo)準(zhǔn)的界面反射回波作為相關(guān)參考，非常簡單的方式就是取一些沒有缺陷的界面作為反射回波x(t)，之后對(duì)含有缺陷回波信號(hào)與界面回波信號(hào)的檢測信號(hào)y(t)進(jìn)行公式運(yùn)算。其中表示y(t)中的幅度譜，表示的是x(t)中的幅度譜，而表示的是微小常數(shù)值，之后再通過對(duì)進(jìn)行傅里葉逆變換就可以得到對(duì)應(yīng)的缺陷回波信號(hào)的波形。第二種方法是通過將Wiener濾波進(jìn)行簡化后獲得相應(yīng)的缺陷回波信號(hào)。其中*指的是取對(duì)應(yīng)的復(fù)共軛，是指取得最小量，之后對(duì)取傅里葉逆變換得到缺陷回波的信號(hào)波形，因?yàn)閃iener 濾波具有性能比較穩(wěn)定的特點(diǎn)，所以國外學(xué)者經(jīng)常采用這種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

信號(hào)相關(guān)技術(shù)處理兩個(gè)需要對(duì)比的信號(hào)時(shí)，自適應(yīng)濾波可以適應(yīng)界面回波信號(hào)的消除。而所使用的超聲檢測技術(shù)就是將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的界面回波信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)輸入到自適應(yīng)濾波器之中，因?yàn)閷?shí)際超聲檢測的時(shí)候信號(hào)混疊在一起會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特定界面的回波信號(hào)成分，因此對(duì)于自適應(yīng)濾波器的輸出期望是將界面回波的信號(hào)去除之后所設(shè)定的，并且對(duì)于自適應(yīng)濾波器來說具有非常良好的輸出誤差，也就是在信號(hào)檢測的過程中可以得到這個(gè)界面所設(shè)定的回波信號(hào)，從而這樣的工程對(duì)于技術(shù)人員來說，可以根據(jù)需求進(jìn)行信號(hào)的提取。

當(dāng)然在這些信號(hào)超聲檢測的過程中還需要有特殊信號(hào)的處理方式，比如空間信號(hào)處理方式，Wiegner 濾波器利用時(shí)頻處理方式以及多變量處理方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的處理與識(shí)別，還可以將非線性科學(xué)中的孤立子理論技術(shù)應(yīng)用到超聲檢測的強(qiáng)干擾過程中，也能取得可觀的成效。

2 對(duì)材料信號(hào)的定量檢測與評(píng)價(jià)

2.1 定量檢測

在進(jìn)行普通超聲檢測的時(shí)候我們應(yīng)該判斷回波信號(hào)的缺陷，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行檢測，從而判斷出信號(hào)缺陷的具體形狀以及信號(hào)缺陷的大小，既不能定期的進(jìn)行檢測，也不能定量的進(jìn)行檢測，應(yīng)該從工業(yè)的角度出發(fā)，盡快并且保證質(zhì)量的前提下對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行解決，所以對(duì)于這一領(lǐng)域的研究一直是科學(xué)方面的重點(diǎn)，但是定量檢測一直以逆問題的角色出現(xiàn)在科學(xué)研究之中，也就是獲取的檢測信號(hào)一直可以演示信號(hào)所處位置的形狀與大小情況，但是信號(hào)不是單純的信號(hào)，影響信號(hào)的因素含有很多，通常情況下不可以明確的給出“量化”的唯一解決方式，這也是各種經(jīng)典信號(hào)反演手段不同的地方。

進(jìn)行定量評(píng)價(jià)缺陷回波的時(shí)候，必須保證所得到的回波信號(hào)之于材料所測的缺陷有關(guān)系，但是大部分情況可以由普通的超聲技術(shù)換取一定的信號(hào)檢測技術(shù)與超聲波儀器有關(guān)。這里對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的過程中首先要做的就是對(duì)卷積進(jìn)行求解，從而去除掉一些外界因素的影響，之后進(jìn)行定量卷積的求解，比如對(duì)Wiener 濾波器來說，x(t)可以選擇與目標(biāo)深度比較相似的界面回波方式進(jìn)行求解，并且可以選擇不同的卷積求解方案對(duì)其進(jìn)行解算，隨著專家學(xué)者不斷的研究與改進(jìn)，這種信號(hào)研究取得了很大的成就。

對(duì)缺陷信號(hào)獲取完畢后，確定信號(hào)的量化指標(biāo)成為一個(gè)非常大的難題，首先需要根據(jù)信號(hào)的特征進(jìn)行缺陷信號(hào)的量化確認(rèn)，但是平常出現(xiàn)的缺陷的形狀相對(duì)來說比較復(fù)雜，一般情況下人們將這種缺陷歸結(jié)為多種類似的經(jīng)典樣式，之后在所有的樣式中選擇符合樣式的特征形式，在信號(hào)處理早期，主要是采用缺陷回波信號(hào)的傅里葉逆變換進(jìn)行缺陷回波的確認(rèn)的，比如譜峰的寬度，譜峰在頻域上的主要位置以及主峰與次峰之間高度的比值部分，并且也有很多使用倒譜的特征進(jìn)行信號(hào)分辨的。當(dāng)然在選擇的時(shí)候也可以將時(shí)域特征作為選擇的對(duì)象形式，比如相關(guān)函數(shù)之間的運(yùn)算，波形的不同形狀對(duì)比等方式進(jìn)行缺陷回波的確認(rèn)。

因?yàn)槿毕莼夭ǖ男盘?hào)具有若干個(gè)特征以及很多不確定的隱患所以在進(jìn)行超聲檢測的時(shí)候應(yīng)該著重注意這些，防止將一些自然缺陷的情況歸結(jié)到人工缺陷里面，但是歸結(jié)方式可能會(huì)出現(xiàn)一些不確定的因素，這時(shí)候就應(yīng)該使用人工智能儀器對(duì)這些缺陷進(jìn)行一定的歸類，其中模糊數(shù)學(xué)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為這種缺陷分類提供了非常有效的方案，首先模糊數(shù)學(xué)中的檢測信號(hào)主要將缺陷的全部特征與人工之間的特征進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過綜合的分析確定缺陷的類型以及缺陷的大小，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不需要進(jìn)行多種特征的輸入提供，只需要將檢測的信號(hào)與或者輸入到儀器的信號(hào)的變換域明確就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)比自然缺陷與人工缺陷之間的關(guān)系以及它們之間的相似程度，從而做出合理的解釋說明，因?yàn)閿?shù)學(xué)模糊識(shí)別與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別都具有非常大的研究發(fā)展?jié)摿Γ栽谑褂贸暭夹g(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行定量檢測與研究的過程中具有非常重要的地位。

2.2 對(duì)材料進(jìn)行評(píng)價(jià)

在過去超聲無損技術(shù)對(duì)信號(hào)的檢測大部分是對(duì)信號(hào)進(jìn)行超聲波方面的檢測，現(xiàn)在許多研究工作需要對(duì)使用的材料進(jìn)行一定的評(píng)價(jià)，所以對(duì)缺陷信號(hào)的材料進(jìn)行材料質(zhì)量的評(píng)價(jià)也是非常重要的，尤其是對(duì)材料的整體情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中包括對(duì)材料的組織結(jié)構(gòu)以及材料中所含晶粒的大小進(jìn)行評(píng)價(jià)，使用超聲波技術(shù)對(duì)這種方式進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程中主要是對(duì)材料的聲音以及衰減度進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)，但是這種評(píng)價(jià)方式受很多因素的制約，使用較多的信號(hào)處理方式是倒譜位置的檢測估計(jì)，窄脈沖寬度的大小進(jìn)行信號(hào)譜的檢測，這些手段比較像生物醫(yī)學(xué)工程使用超聲波技術(shù)對(duì)人體組織進(jìn)行檢測，隨著時(shí)代科技的不斷發(fā)展，通過各種研究數(shù)據(jù)的檢測可以知道高頻脈沖這種超聲波技術(shù)可以探測材料的硬化結(jié)構(gòu)深度，并且可以根據(jù)一些簡單的空間技術(shù)的信號(hào)處理進(jìn)行硬化層與材料邊界信號(hào)的回波處理。

隨著各種復(fù)合材料的不斷發(fā)現(xiàn)與研究，人們對(duì)這種復(fù)合材料技術(shù)方面的質(zhì)量問題也不斷提出新的要求，因?yàn)閺?fù)合材料大部分質(zhì)量檢測是對(duì)整體質(zhì)量的檢測，而不是單獨(dú)的質(zhì)量缺陷檢測，因此對(duì)于材料來說，相互之間的粘結(jié)性以及相互之間的飽和度成為判斷質(zhì)量好壞的主要問題，在工程方面人們大多數(shù)喜歡使用超聲技術(shù)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行模式激發(fā)應(yīng)力波度來決定復(fù)合材料的好壞，有關(guān)研究表明在工業(yè)應(yīng)用上超聲無損檢測的技術(shù)對(duì)復(fù)合材料的檢測具有非常重要的影響。

3 信號(hào)處理與模式識(shí)別的實(shí)現(xiàn)與研究

信號(hào)處理與模式識(shí)別的研究手段可以分為兩個(gè)方面，一方面是通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)新方法的探究之后在工業(yè)應(yīng)用方面進(jìn)行檢驗(yàn)，另一個(gè)方面是對(duì)儀器進(jìn)行改建以便于提高工業(yè)生產(chǎn)時(shí)候的效率與質(zhì)量，但是這兩種研究的結(jié)果不同，所以研究的方式也不同。

3.1 實(shí)驗(yàn)室研究

信號(hào)處理與模式識(shí)別在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究的時(shí)候應(yīng)該考慮的是實(shí)驗(yàn)室配備的研究工具是否先進(jìn)與通用，而不用擔(dān)心信號(hào)的獲取問題，目前使用比較多的信號(hào)處理軟件是Matlab，它具有非常良好的數(shù)據(jù)分析與波形展示功能，在超聲無損檢測信號(hào)中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與后期的處理大部分使用的是Matlab，因?yàn)镸atlab 中含有很多現(xiàn)成的處理信號(hào)指令以及信號(hào)工具箱，可以較為直觀的將信號(hào)波形以及信號(hào)數(shù)據(jù)展現(xiàn)在人們面前，同時(shí)它還具有很多的創(chuàng)新性的處理方法，但是Matlab 處理信號(hào)的效率不是特別高，比如遇到一些較長的運(yùn)算，它的運(yùn)行速度將會(huì)很慢，所以科研人員還會(huì)運(yùn)用C 語言對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。

3.2 工業(yè)性研究開發(fā)

針對(duì)不同的工業(yè)需求進(jìn)行超聲無損儀器的開發(fā)具有非常重要的意義，一來可以節(jié)約硬件的資源，提高工作人員的工作效率，二來可以節(jié)約一部分的研究成本，這種工業(yè)性的研究開發(fā)可以使用最簡單的方法以及最迅速的方式達(dá)到處理的預(yù)期功能。早期的超聲波檢測系統(tǒng)是基于單片機(jī)進(jìn)行的儀器研究，這里包括對(duì)信號(hào)的簡單處理以及對(duì)儀器的不同研究實(shí)驗(yàn)。目前最具有權(quán)威性的信號(hào)處理儀器為DSP，它的成本非常低，但是相關(guān)性能比較高?？梢栽谝幻腌娭畠?nèi)完成1024 點(diǎn)的傅里葉變換，并且DSP 的編程語言與編程方法比較簡單易學(xué)，非常適合目前信號(hào)處理的要求。

4 結(jié)語

超聲無損檢測信號(hào)處理與模式識(shí)別隨著目前科技的不斷進(jìn)步也在不斷發(fā)展著，并且檢測內(nèi)容也在不斷的變化，使用超聲無損檢測信號(hào)處理與模式識(shí)別需要以其物理特征為基礎(chǔ)，尋找最可靠的使用途徑，這點(diǎn)需要研究學(xué)者繼續(xù)研究更新，從而更好地對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。