脉冲压缩在铝薄板电磁超声导波检测中的应用

2022-04-26石文泽程进杰胡硕臻卢超陈尧

航空学报 2022年3期

石文泽，程进杰，胡硕臻，卢超,3,*，陈尧

1.南昌航空大学无损检测教育部重点实验室，南昌 330063 2.中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京 100190 3.赣南师范大学江西省数值模拟与仿真技术重点实验室，赣州 341000

铝合金具有良好的导电导热性能、密度小及耐腐蚀等优点，被广泛应用于飞机、卫星等航空航天领域。受加工工艺影响，机械制造过程中的各类锻压及塑造成型的铝合金薄板难免会出现裂纹、夹杂、分层等各种缺陷。这些缺陷会导致铝板使用性能下降，使用过程中存在变形、断裂等安全隐患。因此，采取有效的检测手段及时发现并剔除含缺陷残次品，对后续服役装备的安全可靠运行十分重要。

电磁超声SH导波检测技术因其非接触、衰减小、频散特性简单等优点而适用于铝金属薄板缺陷检测。但受电磁超声换能效率较低的影响，激励电压幅值高达数百甚至数千伏，而接收到的信号幅值仅为几微伏。在实际检测中，超声回波信噪比(SNR)受限于仪器的脉冲功率输出和低噪声信号放大能力。为此国内外学者从电磁超声换能器(EMAT)优化设计和超声信号处理等方面展开了研究。例如，王淑娟等建立了一种铝板电磁超声表面波检测的三维有限元模型，基于正交实验表对影响换能效率的关键参数(EMAT线圈和永磁体)进行了优化，结果表明优化后回波幅值为优化前的2.99倍。时亚等通过建立多根分裂曲折线圈接收EMAT有限元模型指出多根分裂曲折线圈EMAT换能效率较传统EMAT线圈提高了50%。Benegal等利用SH导波EMAT检测直径为∅60 mm的铝管，比较了3种不同的周期性永磁体(PPM)EMAT的优缺点，并指出与使用具有单个平面的PPM EMAT相比，使用与管道相同曲率的永磁体能将回波幅值提高70%以上。

信号处理方法是除EMAT优化设计之外的另一种提高SNR的重要手段。以雷达信号处理为例，受设备发射峰值功率的限制，在提高雷达探测距离的同时难以保证较高的距离分辨力。为此采用宽脉冲信号能在提高信号能量的同时，对信号进行脉内调制展宽信号频谱，接收信号通过匹配滤波器处理以获得窄脉冲、高峰值的脉冲信号，从而解决两者之间的矛盾。EMAT换能效率低、高频超声传播衰减系数大等不利因素导致SNR差及难以通过提高激励频率提高分辨率。雷达上应用成熟的脉冲压缩技术为提高电磁超声信号信噪比提供了有价值的参考。

常用的脉冲压缩技术主要包括频率调制(线性调频、非线性调频)和相位调制(二相码、多相码)，其中频率调制脉冲压缩技术已在超声检测领域广泛应用。韩雪梅等在基于线性调频信号的医学高帧率成像系统上进行了改进，采用预失真的线性调频信号作为激励信号提高系统信噪比及轴向分辨率。石文泽等通过建立基于线性调频信号激励的电磁超声检测过程有限元模型，结合连铸坯实验分析了线性调频信号脉宽和频宽对脉压信号信噪比和空间分辨率的影响。然而频率调制脉冲压缩处理过程较为复杂，匹配滤波器的输出响应往往旁瓣较高，这会模糊多目标距离分辨力，影响系统整体性能。而相位编码信号通过时域的非线性调相扩展信号带宽，易于生成且压缩处理过程简单。在空气耦合超声检测中，周正干等将脉冲压缩技术与超声C扫结合起来，比较了相位编码信号和调频信号的检测效果，结果表明相位编码脉冲压缩后信号信噪比优于调频信号，并优选调制信号的脉冲压缩关键参数，获取了脉冲压缩参数的选取准则。针对脉压信号旁瓣模糊多目标分辨力的问题，Sato和Shinriki在常规二进制编码的基础上搜寻了若干种峰值旁瓣小的编码序列，并提出了一种针对二进制编码的时间旁瓣(TSL)降低技术。Blunt和Gerlach提出了自适应脉冲压缩技术，基于最小均方误差准则，通过迭代处理实现对目标信息的提取且其旁瓣抑制能力不依赖于特定波形。

本文首先将相位编码脉冲压缩技术与电磁超声导波技术结合起来，通过设计匹配滤波器和旁瓣抑制滤波器达到较好的脉冲压缩效果。然后，采用电磁超声SH导波检测7075航空铝合金薄板，通过实验分析不同码长、载波周期数巴克码激励信号对脉冲压缩信号的主瓣幅值和主副比的影响，并比较旁瓣抑制的效果。最后，以检测不同规格裂纹为目的，比较单频正弦激励和巴克码激励脉冲压缩对应的超声回波信噪比，验证相位编码脉冲压缩技术在电磁超声导波检测中的优势。

1 SH导波EMAT换能机制及脉冲压缩技术的实现

1.1 电磁超声SH导波换能机制

在EMAT中，不同类型的线圈和永磁体配合，可激发出不同类型的超声波。如图1所示，采用PPM与跑道线圈组合可激励SH导波。PPM EMAT换能机制如图2所示，当大功率射频脉冲电流通过跑道线圈时，试样近表面将产生频率相同、方向相反的脉冲电涡流。电涡流在静磁场作用下产生沿轴方向的洛伦兹力，从而带动质点高频振动，由于质点之间作用力的传递和相互作用，进而产生沿轴正负方向传播的SH导波。SH导波的接收是其发射的逆过程。

图1 PPM EMAT示意图Fig.1 Schematic diagram of a PPM EMAT

图2 PPM EMAT洛伦兹力换能机制Fig.2 Lorentz force conversion mechanism of a PPM EMAT

1.2 SH导波EMAT工作点选取

铝合金薄板材质为7075航空铝材，厚度=3.0 mm，纵波波速为6 300 m/s，横波波速为3 080 m/s，密度为2 800 kg/m，由Disperse软件绘制的SH导波频散曲线如图3所示。PPM EMAT中激励导波波长=2，为相邻永磁体间距，越大，对应越大，检测分辨力越低，这不利于缺陷检测；设导波模式=0,1,…，为激励频率，为横波波速，由=/2可得=1时，对应的SH导波截止频率约为0.51 MHz，即对应的最小永磁体间距约为3.0 mm，但在实际检测中应保证激励频率尽量远离该截止频率，避免多模态现象。

图3 3 mm厚度铝板SH导波频散曲线Fig.3 Dispersion curves of SH guided waves in 3 mm thick aluminum plate

考虑到需尽可能地增大线圈换能区域并保证较强的SH导波信号及现有永磁体规格等限制条件，综合以上因素，选用永磁体间距=7.0 mm。以斜率为2的直线与SH曲线交点(=0.22 MHz, 相速度波速=3.08 mm/μs)为SH模态导波工作点，此时激励频率远小于SH导波的截止频率且激励信号的周期数和永磁体的对数相对较多，从而能得到较为单一的SH导波。板材中SH模态导波的相速度和群速度不随频率的改变而变化，恒等于铝板中横波的波速。

1.3 相位编码脉冲压缩技术原理

相位编码信号是依据码元对载波信号进行相位调制后发射的信号，其通过信号时域的非线性调相达到展宽信号频谱的目的。常见的相位编码信号有巴克码、m序列、Taylor码等。选择相位编码的依据是自相关函数旁瓣幅值足够小，使主瓣与旁瓣的比值(主旁瓣比)足够大。在相位编码中，二相编码信号是常用的脉冲压缩信号之一，若信号子脉冲采用矩形包络，则其复包络表达式为

(1)

式中：为子脉冲个数；为二进制序列；(-)为子脉冲函数；为时间；为子脉冲宽度；为编码信号的总持续时间，=。

与连续的线性、非线性调频信号不同，相位编码信号采用伪随机序列，它将宽脉冲分为若干个等宽度子脉冲，每个子脉冲的相移仅限于取0、π两个数值。以典型二相编码信号的13位巴克码序列为例，={1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1}，由式(1)可得，码元为正弦函数的巴克码信号如图4所示。宽度为的脉冲函数由个宽度为的子脉冲函数组成，等效带宽近似为子脉冲带宽=1/，即时宽带宽积为==。因此选用较长的二进制序列，可得到大的时宽带宽积。

图4 13位巴克码生成图Fig.4 Generation diagram of 13-bit Barker code

脉冲压缩算法选用时域脉冲压缩：

(2)

式中：()为输出信号;()为离散数字回波信号；“*”代表卷积运算；()为匹配滤波器冲激响应函数；为匹配滤波器冲激长度。

1.4 相位编码信号旁瓣抑制技术

相位编码信号经脉冲压缩处理后，小幅值、大时宽的信号变为大幅值、小时宽的尖脉冲信号。然而压缩输出的尖脉冲信号往往在主瓣旁存在多个距离旁瓣，其原因是匹配滤波器在压缩脉冲信号宽度外也会产生响应，从而产生距离旁瓣。在多目标环境中强目标脉压信号的旁瓣往往会淹没或干扰附近弱目标脉压信号主瓣，造成小目标难以辨识或丢失。在实际应用中，必须采用旁瓣抑制技术抑制旁瓣提高多目标分辨能力。抑制旁瓣有效的方法是加权技术，即信号经过匹配滤波器处理后级联一个旁瓣抑制滤波器亦或是重新设计匹配滤波器(失配滤波器)降低距离旁瓣。

由于巴克码具有0、1相间的非周期自相关特性，自相关函数主瓣和旁瓣几何上相似。以13位巴克码为例求取其自相关函数，如图5所示。根据旁瓣时宽和幅值的一致性，可在时域上采用一种简单的方法抑制旁瓣，13位巴克码旁瓣抑制加权网络原理图如图6所示，图中为主瓣加权系数，(≠0)为旁瓣加权系数。

由图5可得，13位巴克码的自相关函数波形其主瓣旁均匀分布12个旁瓣，左右各6个。因此可选用延时线加权网络抑制旁瓣，将匹配滤波器输出的信号经过12次延迟，单次延迟时间为2，将原始输出信号与每次延迟后得到的信号乘上相应的加权系数后相加，即可达到消除旁瓣的目的。由于主瓣两侧的旁瓣呈对称分布，因此加权系数也对称，推导过程见文献[28]。要求输出波形主瓣不变(高度为13)，在-12<<12范围内旁瓣为0，则令(0)=13，(2)=(4)=(6)=(8)=(10)=(12)=0；即延迟时间0～24对应的加权系数分别为,,…,,,,…,。

图5 13位巴克码自相关函数Fig.5 Autocorrelation function for 13-bit Barker code

图6 13位巴克码旁瓣抑制加权网络原理图Fig.6 Schematic diagram for sidelobe suppression weighted network of 13-bit Barker code

应用加权网络处理匹配滤波器输出信号后得到的结果如图7(a)所示，经抽头延时线加权网络抑制旁瓣后，旁瓣在-12<<12的范围内接近于0，主副比由-22.3 dB提高到-32.4 dB，即主副比提高了10.1 dB，但在||>12时将会产生新的旁瓣。

实际上，12往往难以达到多目标分辨力要求，这时可根据实际需要继续增加(减少)延时线节数，将旁瓣的位置继续往外(内)推。同样保证输出波形主瓣高度不变，以延迟14次为例，即在-14<<14范围内旁瓣为0，推导过程如式(3) 所示，同上，(0)=13，(2)=(4)=(6)=(8)=(10)=(12)=(14)=0，可得对应的加权系数。

图7 13位巴克码旁瓣抑制Fig.7 Sidelobe suppression of 13-bit Barker code

(3)

延迟14次得到的结果如图7(b)所示。由图7 可知，随延时线节数的增加，旁瓣抑制范围相应增大，旁瓣幅值相应减小。增加足够的延时线节数，待抑制的旁瓣幅值可接近于0，这种方法能有效抑制脉压信号旁瓣，提高信号信噪比。

2 铝合金薄板SH0导波EMAT实验结果分析

2.1 电磁超声检测系统构成

电磁超声检测系统由任意信号发生器AFG-2022B、功率放大器GA-2500A、阻抗匹配器、SH导波EMAT探头、带通滤波器、安装有LabVIEW软件界面的电脑等组成，如图8所示，图中EMAT(T)和EMAT(R)分别代表激励端EMAT和接收端EMAT。任意信号发生器产生特定时宽的巴克码激励信号，经功率放大器得到大幅值激励电流，并经阻抗匹配后作用于EMAT用于产生超声波。接收的超声信号经接收端阻抗匹配、带通滤波器、前置放大器后，由数据采集卡经过模数转换传送至LabVIEW界面。如式(2)所示，将接收的回波信号()与匹配滤波器脉冲响应()进行卷积可得输出信号()。信号同步平均次数为16次，带通滤波器设置为0.1～0.3 MHz。SH导波EMAT探头中的跑道线圈由柔性纱包线绕制而成，导线直径为∅0.3 mm。周期永磁体序列对数为8对，单个永磁体尺寸(长×宽×高)为20.0 mm×7.0 mm×4.0 mm。

图8 铝合金薄板SH0导波EMAT检测实验系统框图Fig.8 Block diagram of SH0 guided wave EMAT detection system for aluminum alloy sheet

含裂纹的铝合金薄板和EMAT位置示意图如图9所示。铝板尺寸(长×宽×厚)为900.0 mm×900.0 mm×3.0 mm。EMAT线圈为跑道线圈，采用柔性纱包线绕制，可紧贴于试样表面。置于线圈上的PPM可通过胶带紧密固定在铝薄板表面，实现三者的紧密接触。在试样上按从大到小的顺序人工预制4个U型槽缺陷，U型槽的长和宽均为10.0 mm和1.0 mm，深度依次为2.00 mm、1.00 mm、0.50 mm和0.25 mm。

图9 含预制缺陷的铝板试样示意图Fig.9 Schematic diagram of aluminum plate with prefabricated defects

2.2 不同码长巴克码信号的脉冲压缩效果对比

分别取5位、7位、11位、13位作为激励码长，其编码序列如表1所示，码元为正弦脉冲串，其中心频率为0.22 MHz。选取SH模态导波检测铝合金薄板，采用一发一收两个EMAT探头获得不同码长的脉冲压缩信号，去除电磁串扰信号和直达波，将曲线归一化后得到结果，如图10所示。

由图10可知，5位、7位、11位、13位码长对应的峰值旁瓣电平(PSL)分别为-9.4、-9.5、-11.8、-16.4 dB。即随着编码序列长度增加，主副比也一直增加；但相应地距离旁瓣也会一直增加，这会严重干扰缺陷回波信号的判断。通过实验得到的超声脉压信号主瓣幅值及主副比与相位编码脉压信号理论增长趋势一致，但主副比的实验值与理论值存在较大偏差。采用匹配滤波器后级联一个旁瓣抑制滤波器抑制距离旁瓣，得到的脉压信号如图11所示。

表1 不同码长巴克码编码序列

由图11可知，经旁瓣抑制处理后的5位、7位、11位、13位码长对应的主副比分别为-24.5、-29.5、-32.0、-36.5 dB。可见经旁瓣抑制后脉压信号的距离旁瓣大幅降低。即随着巴克码编码长度增加，输出脉压信号的主旁瓣比呈现非线性增大趋势；采用13位巴克码信号进行激励时，输出的脉压信号具有最大的主瓣幅值及主旁瓣比，且在时域内应用的延时线加权网络能有效改善距离旁瓣，提高多目标分辨能力。

图10 不同码长巴克码激励信号的脉压效果对比Fig.10 Comparison of pulse compression effects of excitation signals of Barker codes with different lengths

图11 经旁瓣抑制后不同码长巴克码信号脉压效果对比Fig.11 Comparison of pulse compression effects of Barker code signals with different lengths after sidelobe suppression

2.3 不同周期载波巴克码的脉冲压缩效果分析

为分析不同周期载波巴克码信号的脉冲压缩效果，以13位巴克码信号为例，分别选取1～2周期载波巴克码信号作为EMAT激励信号，实验获得的A扫描信号如图12所示。可知采用单个周期载波巴克码信号时，各个波包均清晰可见；而当载波周期数为2时，板端回波幅值并未增加，但回波宽度不断延长，后续波包幅值随着码元个数的增加而提高，激励信号和直达波出现了部分重叠的情况。经过相应的匹配滤波器和旁瓣抑制滤波器后，得到脉压信号如图13所示。随着巴克码载波周期数的增加，脉压信号主瓣峰值也不断提高，且主瓣宽度几乎不变。但载波周期数为2时，获得的脉压信号主瓣旁伴有明显的距离旁瓣，这将在很大程度上影响缺陷的判断。

图12 13位巴克码激励的原始A扫描信号Fig.12 Original A-scan signal excited by 13-bit Barker code

图13 经旁瓣抑制后不同周期数载波的13位巴克码激励的脉压信号Fig.13 Pulse compressed signal excited by 13-bit Barker code with different periodic carriers after sidelobe suppression

2.4 单频正弦及巴克码两种激励信号探伤信噪比对比

2.4.1 单频正弦激励信号

单频正弦信号的中心频率=0.22 MHz，周期数为5，采用脉冲反射法判断缺陷检出情况，保持探头相对位置不变，具体放置如图9所示。分别得到4种不同规格缺陷的A扫描信号如图14所示。由图15可知，长×宽×深为10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm的人工预制裂纹回波信号与噪声水平相差不大，信噪比仅为3.0 dB，在实际检测中难以可靠判定缺陷是否存在。

图14 单频正弦信号激励时不同规格裂纹的A扫描信号Fig.14 A-scan signal from defects of different sizes when excited by a single-frequency sinusoidal signal

图15 10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm裂纹超声回波信号局部放大(单频正弦信号)Fig.15 Partial enlarged view of ultrasonic signal of 10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm crack (single-frequency sinusoidal signal)

2.4.2 巴克码脉冲压缩

选用13位巴克码作为激励信号，得到的A扫描信号经匹配滤波器和旁瓣抑制滤波器处理后得到的脉冲压缩信号如图16所示，长×宽×深为10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm裂纹的局部放大图如图17所示。同单频信号计算信噪比一样，得出缺陷脉压信号信噪比。由图14和图16可知：选用巴克码作为激励信号时，得到的缺陷回波信号较单频正弦激励信号而言信噪比至少提高了7.2 dB；同时，前者能可靠检出更小规格(长×宽×深为10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm)的裂纹。

图16 巴克码激励信号下不同规格缺陷的脉压信号Fig.16 Pulse compressed signal from defects of different sizes excited by Barker signal

图17 10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm裂纹超声回波信号局部放大(巴克码信号)Fig.17 Partial enlarged view of ultrasonic signal of 10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm crack (Barker code signal)

2.5 EMAT大提离和少同步平均次数检测结果

为实现大规格铝合金薄板的在线快速扫查并避免EMAT探头磨损，有必要进一步增加EMAT探头提离和减小信号同步平均次数。将厚度为1.0 mm的塑料薄板置于EMAT与待测金属薄板之间，并保证EMAT探头、塑料薄板与试件紧密接触。此时激励和接收EMAT探头提离均为1.0 mm，信号同步平均次数由16次减小为4次，采用单频正弦激励信号和13位单周期巴克码脉冲压缩得到的缺陷回波信噪比如表2所示。可知采用巴克码脉冲压缩技术可检出4种规格的裂纹，但采用单一正弦激励信号无法检出最小(长×宽×深为10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm)的裂纹。与单一正弦激励方式相比，采用巴克码脉冲压缩技术可将缺陷回波的信噪比至少提高5.9 dB。