相关技术在超声信号渡越时间参数估计中的应用

　　0　引言

　　超声检测是无损检测技术中的一种重要检测技术,在医学、工业等各个领域得到了广泛的应用,尤其在工业领域的应用,近些年来得到了迅猛的发展。超声检测中渡越时间TOF的确定是超声工业检测中需要确定的重要参数之一,它对于缺陷定位、材料声速测量、工件厚度测量具有极其重要的意义。在超声检测中信号分析大都基于射频输出模式,因为检波模式滤掉了大量的信息,所以很少在检波模式下进行信号处理。但实际通常所用的超声探伤仪,大都提供半波或全波检波模式的显示。本文即提供了一种在检波模式下进行超声信号处理的方法———相关函数法,给出了相关函数法在检波模式下的TOF参数估计结果。

　　1　相关技术简介

　　相关技术是一种传统的时域信号处理技术,是描述两个信号(或其自身)具有何种相似性程度的技术[1]。在随机信号的数字处理中,通常用相关技术(相关函数)来描述一个平稳随机过程的统计特性[2]。两个信号f1(t)和f2(t)的互相关函数定义为[3]:

　　τ是加给一个信号的时移, T0是信号观察的时间段。当f1(t)=f2(t)时,即为自相关函数表达式。假设信号f1(t)和信号f2(t)波形一样,只在时间上差一个时移td,那么当τ=td时, rxy(τ)一般将取得极大值[3]。在超声信号检测中,在超声发射信号的同时可产生一参考信号(或者延迟一已知时间,产生一参考信号),通过求取接收到的探伤信号与参考信号的相关函数极值点位置,估计超声信号的渡越时间参数。对于两信号都是有限长度为N的实序列f1(n)和f2(n),则它们的互相关函数的表达式可以写成[2]:

　　由以上分析可知,求得探伤信号序列f1(n)和参考信号序列f2(n)的相关函数rxy(m)极值所对应的m,即可得到超声信号渡越时间参数TOF。

　　2　结果与分析

　　求超声信号的检波模型的方法是采用超声射频信号模型[4]的检波模型x(t),加入高斯白噪声w(t),得超声信号s(t)的数学模型为:

式中:β为超声信号幅值,τ为渡越时间TOF,α为带宽因子。

　　如图1和图2所示,单峰值信号模型中的渡越时间参数为τs=1·84μs,双峰值信号模型中的渡越时间参数分别为τd1=1·84μs和τd2=4·72μs,两信号中白噪声干扰信号的信噪比为SNR20dB。两信号的参考信号假定都为信号产生时延迟1·00μs产生,即参考信号中含有时间延迟τr=1·00μs。两信号与参考信号相关所得的波形分别如图3和图4所示,其中,单峰值信号模型的幅值βs=1·01,双峰值信号模型的两幅值分别为βd1=1·01和βd2=0·82。参考信号模型波形如图5所示。参考信号的幅值为βr=1·00,模型信号与参考信号的带宽因子α=25(MHz)2,模型模拟采样频率为100MHz,模型模拟采样点数为1000点。