CN104764806B - 一种缺陷量化参数估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种缺陷量化参数估计方法，主要针对材料或结构体内部缺陷，提出一种利用脉冲超声回波进行缺陷参数估计的简明方法。该方法主要特点是采集数据量非常少，超声回波模型简单方便，可由三角形模型确定。利用采集到的少量回波信号数据估计得到与缺陷量化参数相关的波达时刻、回波最大峰值、回波上升速率和下降速率、回波宽度及带宽。可用于无损检测与评估领域中缺陷检测与参数量化等场合。

Description

一种缺陷量化参数估计方法

技术领域

本发明涉及一种缺陷量化参数估计方法，是一种适用于采用脉冲超声波信号对材料或结构体内部缺陷检测时，根据少量记录参数建立缺陷脉冲回波模型，并利用模型估计缺陷位置、大小和形状等量化参数的方法。

背景技术

利用脉冲超声回波信号进行材料或结构体内部缺陷检测时，缺陷的脉冲回波中包含有缺陷位置、大小和形状等信息。不同种类的缺陷导致其回波形状存在差异。通过回波来估计缺陷量化参数是无损检测与评估领域广泛研究的课题之一。根据资料(卢振坤.参数化的超声回波模型及其参数估计[D].华南理工大学,2013.)通过建立回波模型并进行量化参数估计的方法很多。目前比较具有代表性的有基于高斯模型、混合指数模型、双指数模型、不对称高斯调制模型等。由于其参数设置灵活，参数估计精度高等优点,这些模型被广泛应用于实际工作中。但是，这些方法也有明显的不足，它们均需要先将回波信号采集并记录下来，然后再作离线分析。采集数据量大，实时性差，模型相对复杂。特别是在一些多传感器场合和长时间检测场合，记录的数据量非常大，对基于这些模型的量化参数估计方法应用受到制约。另外，这些方法一般都有各自的特点，没有一种可用于任何场合的通用方法。这也是多种方法并存的原因。

利用脉冲超声波对物体内部缺陷检测时，由传感器发射超声波信号，当超声波遇到反射界面时，产生回波，再由传感器接收，经处理后得到反射回波信号。由于超声波照射到目标体后，目标体可以看作是声波发射二次点源，其位置不同、大小不同、反射界面形状不同会导致回波在波形上存在较大差异。脉冲超声波可以看作是一类幅值调制信号，由超声波中心频率为主体的高频信号部分和由目标体调制后的低频包络部分组成。所以，回波的包络中包含了缺陷的丰富信息，可以用来对缺陷参数进行估计。

该发明针对缺陷脉冲回波信号的特点，提出了一种简便的缺陷量化参数估计方法，即基于四参数建立的不等腰三角形模型技术，并利用模型估计出与缺陷量化参数信息相关的参量。其目的是用最少的采集数据，更加实时地估计出缺陷量化参数。

发明内容

本发明的目的在于针对目前基于模型的缺陷脉冲回波信号参数估计方法采集和记录数据量大、实时性差的问题，提供一种基于四个参数建立的不等腰三角形脉冲超声回波模型技术，来反映缺陷的位置、大小和形状等量化参数信息。该方法具有简便，采集记录数据量少、实时性好、计算量小，易于实现的特点。

实现本发明的技术方案是，一种缺陷量化参数估计方法，包括如下具体步骤：

步骤1，获取检测脉冲回波信号f(t)，经过包络提取方法得到回波包络x(t)；

步骤2，将包络信号x(t)分两路输出，一路用于起始、结束时刻检测；另一路用于峰

值、峰值到达时刻检测；

步骤3，获取包络起始时刻t_s与包络结束时刻t_e；

步骤4，获取包络峰值a和峰值到达时刻t_p；

步骤5，将参数t_s、t_e、a、t_p作为输入参数，建立检测回波信号模型；

步骤6，通过模型估计出检测回波参数。

其中，步骤1检测脉冲回波信号f(t)为缺陷或目标体脉冲超声检测回波信号，回波包络x(t)为f(t)中低频轮廓，x(t)≥0，且x(t)经过光滑处理，仅有一个极值点。

步骤3中包络起始时刻t_s为包络x(t)的起始点，t_s由阈值控制，即x(t_s)≥b,b∈R⁺，b为阈值，可根据实际情况确定；此时，起始点在时域平面上的理想坐标为(t_s,0)；包络结束时刻t_e为包络x(t)的终点，t_e同样由阈值控制，即x(t_e)≥b,b∈R⁺；此时，包络终点在时域平面上的理想坐标为(t_e,0)。

步骤4中包络峰值a由峰值检测电路得到，此时对应的时刻为峰值到达时刻t_p，在时域平面上峰值点的坐标为(t_p,a)。

步骤5中根据三点坐标(t_s,0)、(t_e,0)及(t_p,a)可以确定一个三角形模型M，这个三角形模型只由四个参数确定，即t_s,t_e,t_p,a，三角形模型一般为非等腰三角形，其方程为

其中，

步骤6中可由模型M估计得到的参数{Θ}＝{θ_i,i＝1,2,…8}，分别为：

(1)θ₁＝t_s，反映脉冲回波的起始时刻，与缺陷位置相关；

(2)θ₂＝t_p，反映脉冲回波的峰值到达时刻，与缺陷位置相关；

(3)θ₃＝t_e，反映脉冲回波的结束点，与缺陷位置和形状相关；

(4)θ₄＝a，反映脉冲回波峰值大小，与缺陷大小相关；

(5)θ₅＝k_u，反映脉冲回波上升速率，与缺陷大小及形状相关；

(6)θ₆＝k_d，反映脉冲回波下降速率，与缺陷大小及形状相关；

(7)θ₇＝t_e-t_s，反映脉冲回波持续时间，与缺陷大小和形状相关；

(8)τ＝min{(t_p-t_s),(t_e-t_p)}，反映脉冲回波包络带宽，与缺陷大小和形状相关。

上述步骤中采用时钟周期为计时单位，从第一次起点t_s处开始计时，并在峰值点t_p和结束点t_e通过中断响应记录时刻。

本发明的有益效果：本发明的技术方案仅由四个参数就可以建立起脉冲缺陷回波信号的三角形模型，并由三角形模型可以估计出与缺陷大小、形状及位置相关的信息。本发明在应用中仅需记录四个参数的信息，数据量相比传统数字信号采集方法大大减少，极大地节约了硬件存储规模，降低了硬件开销和成本，使得多传感器阵列检测、长时间检测与长距离检测成为可能。本发明中采用三角形模型，具有计算简便的特点，可以在实际应用中实时解算出缺陷的相关参数，克服了传统模型方法中离线分析所造成的实时性差的不足，同时，由三角形模型可以解算出8个与缺陷信息相关的参数，信息量丰富，可以满足缺陷检测的要求。

附图说明：

图1为一种缺陷量化参数估计方法流程框图；

图2为一种缺陷量化参数估计方法原型三角形模型中各参数的关系示意图；

图3为一种缺陷量化参数估计方法实施例中缺陷检测示意图；

图4为一种缺陷量化参数估计方法中作为特例的无缺陷三角形模型示意图；

图5为一种缺陷量化参数估计方法中作为特例的裂纹类缺陷三角形模型示意图；

图6为一种缺陷量化参数估计方法作为特例的孔状缺陷三角形模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明原理分析：设目标体(缺陷)脉冲超声回波信号为f(t)，其包络为x(t)。将x(t)分为两路信号，分别由硬件电路检测到起始点(t_s,0)，终点(t_e,0)和峰值点(t_p,a)，其中起始点和终点的确定在理论上是由回波包络幅值为0的点确定的，但由于在实际中存在噪声等干扰，即使没有回波信号，其幅值也不为0，所以选择阈值来判断起始点和终点，起始点和终点的阈值可以相同，也可以不同，一般取阈值为大于噪声水平的最小值。当检测到信号始点或终点时，电路产生输出翻转，输出中断信号，由单片机响应中断，并记录对应的时钟信号，作为回波信号的起点和终点坐标。时钟信号为单片机固有的时钟信号。x(t)的另一路信号送入峰值检测电路，当出现峰值时，保持电路记录峰值，同时峰值电路产生输出翻转，将中断送入单片机，记录时钟信号，得到峰值点坐标。

当回波包络中始点、终点和峰值点坐标确定后，即(t_s,0)，(t_e,0)，(t_p,a)，可以由这三点确定两条直线的方程，结合时间轴为底边，就构成了回波包络的三角形模型为：

其中，

三角形模型的建立由单片机程序实现，算法简单明了，具有很好的实时性。当模型建立后，可由模型解算出与缺陷信息相关的8个量化参数{Θ}＝{θ_i,i＝1,2,…8}，分别为：

(1)θ₁＝t_s，反映脉冲回波的起始时刻，与缺陷位置相关；

(2)θ₂＝t_p，反映脉冲回波的峰值到达时刻，与缺陷位置相关；

(3)θ₃＝t_e，反映脉冲回波的结束点，与缺陷位置和形状相关；

(4)θ₄＝a，反映脉冲回波峰值大小，与缺陷大小相关；

(5)θ₅＝k_u，反映脉冲回波上升速率，与缺陷大小及形状相关；

(6)θ₆＝k_d，反映脉冲回波下降速率，与缺陷大小及形状相关；

(7)θ₇＝t_e-t_s，反映脉冲回波持续时间，与缺陷大小和形状相关；

(8)τ＝min{(t_p-t_s),(t_e-t_p)}，反映脉冲回波包络带宽，与缺陷大小和形状相关。

模型中各参数对应三角形几何形状如图2所示。

以常规的超声回波模型建立方法为例，设超声波探头中心频率为5MHz，采样频率为20MHz，对于声程为100mm的钢材进行检测，要建立检测回波模型，需要采集和存储至少680个点的数据量，且要等全部数据采集存储完成后才能进行建模。而本发明中的方法只要4个点的数据量，并可以进行实时参数估计。当探头数目增加、采样频率增加、检测声程增长的情况下，常规方法所需的数据采集量和存储量会增加更多，而本发明的方法是不受采样频率和检测声程的影响的，只与探头数目有关，数据量仅为探头数量的4倍。

本发明方法的实施：本实施例中以管道缺陷检测为背景，检测原理图如图3所示。实验中超声探头为收发一体式脉冲超声直探头，晶片直径为6mm，探头中心频率为5MHz，探头提离距离为11.5mm，实验以水为耦合介质。为了得到回波信号的三角形模型，并对模型参数进行估计，以得到与缺陷相关的信息，本实施例中分别对管道无缺陷、管道有裂纹状和孔状缺陷这三种情况进行了分析。实施步骤如下：

步骤1，按照图3建立测试***，获取回波信号f(t)，通过正交包络提取方法得到回波包络x(t)。

步骤2，将x(t)分为两路信号输出，一路用于起始、结束时刻检测；另一路用于峰值、峰值到达时刻检测。

步骤3，分别通过阈值法检测到起始点(t_s,0)和终点(t_e,0)，检测中阈值设定为0.08。

步骤4，通过峰值检测到峰值点(t_p,a)。

步骤5，按照实施例中原理分析方法，建立回波三角形模型。

步骤6，由模型解算出与缺陷信息相关的8个量化参数{Θ}＝{θ_i,i＝1,2,…8}。

在管道中无缺陷、有裂纹和孔状缺陷三种工况下，分别按照以上步骤得到其包络回波与三角形模型。图4为无缺陷时检测包络和其三角形模型、图5为裂纹缺陷时检测包络和其三角形模型、图6为孔状缺陷时检测包络和其三角形模型。其中，虚线为脉冲回波包络，实线为对应的三角形模型。由三角形模型估计得到的无缺陷、裂纹和孔状缺陷参数分别为:

{Θ}_no＝{49,60,66,0.1418,0.0129,-0.0236,17,0.5236}

{Θ}_crack＝{69,90,115,0.4227,0.0201,-0.0169,46,0.1496}

{Θ}_hole＝{49,60,67,0.0739,0.0067,-0.0106,18,0.4488}

所述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种缺陷量化参数估计方法，包括如下具体步骤：

步骤1，获取检测脉冲回波信号f(t)，经过包络提取方法得到回波包络x(t)；

步骤2，将包络信号x(t)分两路输出，一路用于起始、结束时刻检测；另一路用于峰值、峰值到达时刻检测；

步骤3，获取包络起始时刻t_s与包络结束时刻t_e；

步骤4，获取包络峰值a和峰值到达时刻t_p；

步骤5，将参数t_s、t_e、a、t_p作为输入参数，建立检测回波信号模型；

步骤6，通过模型估计出检测回波参数；

步骤1所述检测脉冲回波信号f(t)为缺陷或目标体脉冲超声检测回波信号，回波包络x(t)为f(t)中低频轮廓，x(t)≥0，且x(t)经过光滑处理，仅有一个极值点；

步骤3中所述包络起始时刻t_s为包络x(t)的起始点，t_s由阈值控制，即x(t_s)≥b,b∈R⁺，b为阈值，可根据实际情况确定；此时，起始点在时域平面上的理想坐标为(t_s,0)；包络结束时刻t_e为包络x(t)的终点，t_e同样由阈值控制，即x(t_e)≥b,b∈R⁺；此时，包络终点在时域平面上的理想坐标为(t_e,0)；

步骤4中所述包络峰值a由峰值检测电路得到，此时对应的时刻为峰值到达时刻t_p，在时域平面上峰值点的坐标为(t_p,a)；

步骤5中根据三点坐标(t_s,0)、(t_e,0)及(t_p,a)可以确定一个三角形模型M，这个三角形模型只由四个参数确定，即t_s,t_e,t_p,a，三角形模型一般为非等腰三角形，其方程为

其中，

2.根据权利要求1所述的一种缺陷量化参数估计方法，其特征是，步骤6中可由模型M估计得到的参数{Θ}＝{θ_i,i＝1,2,…8}，分别为：

(1)θ₁＝t_s，反映脉冲回波的起始时刻，与缺陷位置相关；

(2)θ₂＝t_p，反映脉冲回波的峰值到达时刻，与缺陷位置相关；

(3)θ₃＝t_e，反映脉冲回波的结束点，与缺陷位置和形状相关；

(4)θ₄＝a，反映脉冲回波峰值大小，与缺陷大小相关；

(5)θ₅＝k_u，反映脉冲回波上升速率，与缺陷大小及形状相关；

(6)θ₆＝k_d，反映脉冲回波下降速率，与缺陷大小及形状相关；

(7)θ₇＝t_e-t_s，反映脉冲回波持续时间，与缺陷大小和形状相关；

(8)τ＝min{(t_p-t_s),(t_e-t_p)}，反映脉冲回波包络带宽，与缺陷大小和形状相关。

3.根据权利要求1所述的一种缺陷量化参数估计方法，其特征是，步骤1至步骤6中采用时钟周期为计时单位，从第一次起点t_s处开始计时，并在峰值点t_p和结束点t_e通过中断响应记录时刻。