基于零点匹配的弹体构件超声检测方法*

吴其洲，张艳双，金永

（1.中北大学信息与通信工程学院，太原030051；2.衡水市医疗保险基金管理中心，河北衡水050001）

基于零点匹配的弹体构件超声检测方法*

吴其洲1，张艳双2，金永1

（1.中北大学信息与通信工程学院，太原030051；2.衡水市医疗保险基金管理中心，河北衡水050001）

针对弹体坯料构件检测效率较低的问题，提出了一种基于零点匹配的超声检测原理。零点匹配原理是基于被检构件在做周期性的匀速旋转过程中自身曲率变化的规律提出的，表现为探头与构件下表面的距离变化。利用小波分析的方法对含有噪声的周期距离信号进行降噪处理，并采用求不同检测截面间周期信号的互相关函数的方法，对各截面零点进行一致性判断，根据判断结果进行零点匹配。该方法有效缩短了零点传感器进行零点判断过程所需的等待时间，有效提高了构件检测的效率。

零点，超声检测，小波，弹体构件

0　引言

在对变化较大的弹体构件表面进行超声波检测时，为了保证检测的有效性，超声波探头与被检构件的表面必须保持一定的恒定不变距离，且探头发出超声波的入射角度与被检构件的外表面成垂直关系。这就要求在测试过程中超声波探头能实现多轴向运动并能完成角度旋转。这种情况下，就需要对目标构件进行等间隔、多截面的检测方式进行C扫描检测。传统的检测方法是将构件沿轴向进行等间距分割，确定检测截面，对每个截面进行圆周扫描，通过零点传感器产生检测开始和结束的触发信号，这种传统方式检测构件的效率很低［1-3］。

相关性理论在实现信号匹配中被广泛采用。吉李满［4］研究了微弱信号中混入噪声时，如何利用相关性理论从被干扰和噪声淹没的信号中提取有用信号。王岩松［5］提出了一种利用互相关实现图像定位匹配的算法，克服了以往图像匹配中精度低的缺点。

本文利用周期信号之间的相关性，查找圆周扫描的零点。回波信号经过自适应滤波，周期之间相关性良好，可以快速实现零点匹配，优化了检测效率［6-7］。

1　构件检测分析

本文主要以复杂外形坯料构件为研究对象，进行检测分析，图1为构件结构示意图。

图1　构件结构示意图

检测效率作为构件检测的一个重要指标，提出一种不使用零点传感器的检测方法。构件不停旋转，探头移动至截面位置立即开始检测，各个检测截面的零点可能位于该截面的任意位置。对某一构件进行检测，其中包含一个长条形缺陷，在不使用零点传感器的情况下，会使得同一缺陷在不同的检测截面上出现在不同的角度上，直接影响对缺陷的判断，如图2所示。

图2　构件C扫描结果

由于检测对象为毛坯料构件，在对截面的圆周扫描中，超声波探头与构件表面距离会产生变化，如图3所示。从图中可以看出，在构件匀速旋转的过程中，这种距离的变化存在固定周期。

图3　构件某截面的距离测量值

根据不同截面检测后采集到的回波信号分析，可以判断检测点处探头与被检构件外表面之间距离的变化情况。以第一检测截面信号的周期零点，作为构件旋转圆周上的零点。以计算机处理后的信号作为判断截面的周期零点与第一截面零点一致性的标准，对检测结果进行校正，实现零点匹配。

2　周期信号分析

如图3所示为某检测截面4个旋转周期内采集到的信号，通过幅值变化可以清楚地看到检测点处探头与被检构件的外表面之间距离变化存在一定的规律性和周期性。

在构件的实际检测过程中，由于采集信号会受到诸多因素影响，如驱动电机带动构件作圆周运动会存在一些随机的高频振动现象，会导致采集信号中高频噪声的产生；毛坯料构件表面存在的不规则细纹所导致的小型凸起或凹陷也会影响检测结果。为了提高各界面周期信号相似性判断的准确性，需要提前将采集到的信号进行高频噪声降噪处理。因此，通过对含噪信号进行降噪处理可以在进行零点匹配前提取到效果更为理想的周期信号。图4为某构件检测中得到构件两个不同截面的距离信号S1和S2。

图4　不同检测截面的距离信号

3　信号降噪处理

检测过程中，采集到的检测点处探头与被检构件的外表面之间距离信号的变化主要呈现出一种较为平稳的低频信号，但其中也包含许多高频的噪声信号，会影响信号的有效分析，因此，需要对高频成分的噪声信号作滤波降噪处理，消除高频噪声对信号的影响。本文采用了一种多层次、多分辨率的自适应的降噪方法。

利用小波原理，进行多层次、多分辨率降噪的具体过程如下所示:

1）对采集到的含有高频噪声的信号进行小波分解处理。首先选择一个合适的小波，分析其所需分解层数进行分解之后，可以通过计算得到其对应的低高频系数。

2）利用计算所得高频系数，去除信号中的高频噪声成分。

3）根据分解层数，利用高低频系数进行离散小波重构研究，重构出高频降噪后的信号。

根据文献［1］中对小波分解过程中小波基以及分解层数的选择分析，利用db5小波对距离信号S1和S2进行5层分解。

利用HeurSure阈值方法对分解后的各层高频系数进行软阈值的选取，并滤除高频噪声，将滤噪后的各分量进行小波重构，得到小波多分辨分析方法降噪后的距离信号S1'和S2'，如图5所示。

图5　小波降噪后的信号

4　零点匹配

经过小波降噪处理后，得到一个圆周旋转所采集到的检测点处探头与被检构件的外表面之间距离变化的信号。在被检构件的圆周旋转过程中，由于被检构件的尺寸及其曲率变化等因素的影响，在寻找信号周期的起始点时，需要根据构件单截面单圈检测得到的距离信号的数据值为依据，进行所检测构件圆周旋转的零点位置与信号周期起始零点时刻的一致性判断，最终达到零点匹配的目的。

根据不同的随机信号之间的互相关函数存在的不同瞬时依赖关系，研究其对应的2个样本函数，发现随机信号的数据波形会随时间的连续移动而变化，两者之间也存在相互紧密的相关性。

随机信号的互相关函数的离散表达式:

由于互相关函数一般不是奇偶函数，在互相关函数的研究中，利用图5中的两条曲线S1'和S2'两个离散的随机信号，定义S1'和S2'分别为x（t）和y（t），运用互相关函数的方法寻找与参考起点（第一次检测的距离曲线的起点）对应的位置，进而消除误差。

图6　S1'与S2'之间互相关函数Rxy

图7　S1'与M2的对比图

根据互相关函数的数值与相关性程度的对应关系，当Rxy的值为最大116时，S1'和S2'这两个随机信号的相关性最好，也就是说此时两条信号曲线具有一定的可重复性。因此，根据互相关函数的最大值点，在时域上将S2'信号波形平移116个对应检测点，即可得到信号M2。如图7所示，S1'与M2的重合度极好。

利用上述方法，对图2中采集到不同的检测截面处探头与外表面的距离信号曲线进行零点匹配处理。利用处理后的信号数据得到零点匹配后的C扫描图，如图8所示。

图8　调整后构件C扫描结果

5　结论

本文针对复杂构件检测过程中检测效率较低的问题，提出零点匹配法。利用驱动电机带动构件匀速旋转进行周期检测，根据构件尺寸和曲率变化存在的周期性变化规律，利用采集的各截面信号数据进行零点匹配。首先通过对周期信号中的噪声进行降噪处理，其次对降噪后的信号利用互相关的方法，完成对无零点传感器情况下检测得到的C扫描图的调整。利用此方法可以在原检测方法的基础上提高平均约35%的检测效率。

［1］邓玉娟.基于小波变换的语音阈值去噪算法研究［D］.重庆:重庆大学，2009.

［2］戚励文，王召巴，金永，等.合金弹体棒状坯料超声检测方法研究［J］.弹箭与制导学报，2009，29（4），269-272.

［3］葛新成，罗大成，曹勇，等.相关函数在数字信号处理中的应用［J］.电光与控制，2006，13（6）:78-80.

［4］吉李满，张海军.基于互相关的信号检测研究与实现［J］.吉林工程技术师范学院学报，2004，20（6）:39-41.

［5］王岩松，阮秋琦.一种基于互相关的图像定位匹配算法研究及应用［J］.北京交通大学学报，2002，26（2）:20-24.

［6］CHEN X，HU H L，ZHANG J，et al.An ECT system based on improved RBF network and adaptive wavelet image enhancement for solid/gas two-phase flow［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2012，20（2）:359-367.

［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

国家自然科学基金（61201412）；山西省科技攻关项目（20110321029）；山西省青年科技研究基金资助项目（2012021011-5）

吴其洲（1978-），男，江苏泗阳人，博士研究生，副教授。研究方向：信号与信息处理。