丁 華，杜金強，何宇廷，伍黎明，張海威

（空軍工程大學工程學院，陜西西安 710038）

0 引言

近年來，為了有效解決在大面積表面上進行手控檢測時工作量大、效率與可靠性低的問題，由多探頭、多通道檢測發(fā)展而來的陣列渦流檢測技術迅速得到世界各國的重視［1，2］。目前在美國、德國、加拿大等國，陣列渦流檢測技術已成功應用于多個工業(yè)領域的無損檢測中，如加拿大R/D Tech公司制造的OmniScan渦流陣列儀。我國的南昌航空大學、清華大學、吉林大學、國防科技大學、西安交通大學等單位也對渦流陣列檢測技術展開了研究［3］。

針對諧波激勵的渦流陣列傳感器，如何從陣列感應線圈的含噪聲原始信號中提取出幅值和相位是后期對結構損傷進行定量和定性評價的關鍵。渦流陣列傳感器原始輸出信號具有強背景噪聲，弱輸出信號的特點，強背景噪聲對結構損傷信號的識別存在很大的干擾［4］。背景噪聲主要來源為以下幾部分:1）測量噪聲;2）線圈抖動造成的提離變化產生的干擾信號;3）被測對象表面沉積物、支撐架等非缺陷因素產生的干擾信號。一般說來，測量噪聲主要為高頻成份;提離噪聲和表面沉積物、支撐架產生的信號主要為低頻成分，本文所研究的渦流陣列傳感器屬于平面渦流陣列傳感器，同時在實驗條件下采用超高精度三維電動平移臺保證了陣列感應線圈平面同標準試件之間提離距離的穩(wěn)定性，很好地消除了低頻噪聲。國內外對渦流信號中高頻噪聲的消噪處理研究比較成熟，文獻［4，6］采用小波變換對渦流檢測信號進行去噪和特征提取處理，文獻［7］采用數字濾波濾除沖擊噪聲干擾，取得較好效果，但本文所研究的渦流陣列傳感器對快速掃描和實時在線檢測能力的要求限制了小波等復雜消噪算法的應用范圍，而多重相關法由于其算法簡單，精度高，在渦流陣列傳感器的快速掃描和實時在線檢測的軟硬件信號處理上具有較好的應用前景。

本文在實驗條件下采用多重自/互相關法對一種平面渦流陣列傳感器［8］提離效應的含噪聲輸出信號進行消噪處理，提取了輸出信號幅值比和相位差信息，并分析了提離距離對輸出信號的影響。

1 多重相關檢測法

信號的互相關和自相關描述的是2個時間序列之間或同一個時間序列在任意2個不同時刻的取值之間的相關程度，即互相關描述的是信號x（t），y（t）在任意2個不同時刻t1，t2的取值之間的相關程度，而自相關描述的是信號x（t）在任意2個不同時刻t1，t2的取值之間的相關程度。

1.1 傳統(tǒng)相關法原理

傳統(tǒng)的自相關或互相關檢測法是利用信號和噪聲、噪聲和噪聲之間不相關的特性達到提高信噪比的目的［9］。

假設有2個同頻信號x（t）和y（t）都被噪聲污染

其中，A，B分別為x（t）和y（t）的幅值，Nx，Ny分別為噪聲信號。顯然兩信號的相位差為Δφ=φ1－φ0，但實際中是無法知道φ1和φ0的。用相關法求相差的原理如下

當τ=0時

在理想白噪聲狀態(tài)下，噪聲和信號不相關，且噪聲之間也不相關，積分后可得

即

另外，信號的幅值和它在延時τ=0時自相關函數值又有下述關系

通過信號內部的自相關和信號之間互相關就可以求得信號相位差和幅值比。

1.2 多重相關法原理

多重信號相關法就是利用兩路信號的自相關和互相關的多次運算提高信噪比，針對1.1節(jié)所述兩路含噪聲信號，對x（t）進行自相關運算得［10］

式（5）中第一項是信號的自相關函數，第二項和第三項是信號和噪聲之間的互相關函數，最后一行是噪聲自身的自相關函數。在理想高斯白噪聲情況下，當T趨于無窮時，后三項趨于0，即

但是在實際測量過程中，由于T不可能趨于無窮，同時噪聲不是理想高斯白噪聲，故信號經一次自相關運算的實際信號為

其中，N'x（t）要比原來的Nx（t）小很多，即提高了信噪比。在考慮非理想白噪聲和非無窮T下信號x（t）和y（t）一次互相關運算后實際信號為

經分析可知，信號經過一次自相關運算后相位變?yōu)?，頻率不變;信號經過互相關運算后相位差和頻率保持不變，同時提高了信噪比。把一次自相關輸出信號和互相關輸出信號進行多次相同的自相關和互相關運算則可以很大地提高信噪比。將該方法應用于平面渦流陣列傳感器提離效應的含噪聲輸出信號處理中，可較好地提取出陣列感應線圈的幅值比和相位差。

2 渦流陣列傳感器提離效應實驗平臺

搭建的渦流陣列傳感器提離效應實驗平臺如圖1所示。首先由AFG3101任意信號發(fā)生器產生所需頻率、幅值的正弦信號;然后通過功放模塊將正弦信號進行功率放大，功放模塊采用LDMOS寬帶匹配技術，射頻通路全頻段耦合，使200 kHz～30 MHz的信號都能全頻段放大，放大后的激勵信號驅動平面渦流陣列傳感器激勵線圈;接著寬頻運放電路對渦流陣列傳感器感應線圈的輸出信號進行放大，放大后的信號由DPO4104示波器進行實時采集，并將采集的數據傳送至計算機，通過軟處理方式采用多重自/互相關法對陣列感應線圈多通道含噪聲輸出數據進行消噪處理，提取輸出信號幅值比和相位差信息。

渦流陣列傳感器線圈平面同標準試件之間提離距離的控制采用微納光科WN220系列超高精度電動平移臺和WN04系列高精度電動升降臺組合而成的三維移動平臺與運動控制器來實現，保證了提離距離的可控性和穩(wěn)定性。

圖1 渦流陣列傳感器提離效應實驗平臺示意圖Fig 1 Schematic diagram of the experimental platform for lift-off effect of eddy current array sensor

3 提離實驗信號處理與結果分析

通過電動移動臺運動控制器改變渦流陣列傳感器線圈平面同標準試件之間的提離距離，并對采集的多通道含噪聲輸出信號采用多重相關法提取出幅值比和相位差，分析提離距離對傳感器輸出特性的影響。

利用信號發(fā)生器產生信號頻率為3 MHz，信號幅值為0.2 V的激勵信號，經陣列感應線圈得到多通道含噪聲信號，圖2為某一通道原始含噪聲輸出信號的多重自相關運算比較結果。

圖2（a）的含強背景噪聲原始輸出信號經一次自相關運算后，在τ=0處自相關函數出現局部突變，體現了非理想白噪聲以及非無窮T對傳統(tǒng)自相關運算的影響，圖2（c）所示的雙重自相關運算效果較好，大大提高了信噪比。對原始信號幅值的反推可以通過式（7）得到。

圖2 含噪聲原始輸出信號的多重自相關運算結果Fig 2 Operational result of multi-layer correlation of noised original output signal

經雙重自相關運算精確反推出陣列感應線圈的各通道輸出信號和激勵線圈輸入信號的幅值，得到各通道輸出信號和輸入信號的幅值比，后將各路陣列感應線圈的各通道輸出信號同激勵線圈輸入信號進行雙重互相關運算，利用幅值量并根據式（8）反推出各通道陣列感應線圈的輸出信號同激勵線圈輸入信號的相位差。圖3為3個輸出通道同激勵輸入通道的幅值比隨提離距離變化規(guī)律。圖4為3個輸出通道同激勵輸入通道的相位差隨提離距離變化規(guī)律。

圖3 通道幅值比隨提離距離變化規(guī)律Fig 3 Rule of amplitude ratio varies with lift-off distance

分析圖3和圖4中幅值比和相位差隨提離距離的變化規(guī)律得知，本文所研究的平面渦流陣列傳感器其各通道輸出信號同激勵信號的幅值比對提離距離較為敏感，呈現出較好的單調遞增性，尤其第二通道隨提離距離的信號幅值變化較為明顯。而各輸出通道同激勵通道的相位差隨提離距離基本保持不變。利用這些規(guī)律，該渦流陣列傳感器經過適當地改進，可望將其應用于腐蝕檢測和鍍層厚度檢測等領域。

圖4 通道相位差隨提離距離變化規(guī)律Fig 4 Rule of phase difference varies with lift-off distance

4 結論

1）將多重自/互相關法應用于平面渦流陣列傳感器的多通道含噪聲輸出信號的消噪處理效果明顯，該算法大大提高了弱強度、強背景噪聲信號的信噪比，并且算法簡單，精度高;

2）隨提離距離的增加，陣列傳感器各通道輸出信號同激勵信號的幅值比遞增，尤其第二通道的信號幅值變化較為明顯。而輸出通道同激勵通道的相位差基本保持不變;

3）渦流陣列傳感器對提離較敏感，根據傳感器的輸出特性，可望將其應用于結構的腐蝕檢測中。

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