郭北濤 李耀鵬

摘要：介紹了奧氏體不銹鋼在超聲檢測中具有檢測難度大，信噪比低的缺點(diǎn)，給出了超聲檢測系統(tǒng)的軟硬件總體構(gòu)成，包括以計(jì)算機(jī)為核心，利用FPGA強(qiáng)大邏輯處理能力，實(shí)現(xiàn)超聲檢測信號的發(fā)射接收，采集處理，數(shù)據(jù)存儲、顯示和輸出等。為了有效解決在強(qiáng)噪聲背景下提取微弱超聲信號的問題，設(shè)計(jì)了一種易于軟硬件實(shí)現(xiàn)的基于LMS自適應(yīng)算法的改進(jìn)型濾波器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該濾波器能更有效抑制強(qiáng)噪聲，提取有效弱信號，并能進(jìn)一步提高自適應(yīng)濾波器的魯棒性、收斂速度和檢測精度。

關(guān)鍵詞：超聲檢測;LMS算法;自適應(yīng)濾波

引言

奧氏體不銹鋼被廣泛應(yīng)用于石油化工和核工業(yè)等領(lǐng)域，因此對奧氏體鋼零部件進(jìn)行無損檢測是保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全運(yùn)行不可缺少的工序。但是奧氏體鋼的超聲檢測是有一定困難，主要在于：奧氏體鋼冷卻時(shí)不發(fā)生相變，易形成粗大的枝狀晶粒;面心立方晶格對雜質(zhì)的較小固溶度使晶界夾雜濃度大大增加，使得奧氏體不銹鋼對超聲信號的散射很大;散射使信號的衰減增大，使缺陷信號的強(qiáng)度大大降低，被粗晶粒的相干散射信號的湮沒，使小缺陷檢測信號較難從雜亂的噪聲中識別，使得信噪比較低?。

針對不銹鋼信噪比低造成誤檢率和漏檢率上升的現(xiàn)象，人們目前主要從兩個方面來增加粗晶材料超聲檢測的可靠性和檢測能力。一是制作寬帶聚焦式探頭以提高某一深度區(qū)間的檢測能力;二是利用數(shù)字信號處理技術(shù)增強(qiáng)粗晶材料的信噪比，提高檢測能力，如反卷積法、頻譜分析法、時(shí)頻分析法、小波包去噪技術(shù)、模糊控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。本文著重從易于軟硬件實(shí)現(xiàn)的一種基于LMS算法（最小均方誤差算法least-mean-square）的自適應(yīng)濾波方法進(jìn)行研究。結(jié)果表明，此方法能夠有效抑制材料噪聲，明顯增強(qiáng)缺陷信息。

1.超聲檢測系統(tǒng)總體方案

超聲探傷系統(tǒng)的工作原理為：通過發(fā)射電路，產(chǎn)生高壓尖脈沖激勵超聲探頭產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波，工件返回的超聲波通過放大電路進(jìn)行信號放大，放大后信號經(jīng)過濾波電路進(jìn)行去噪。FPGA對電路進(jìn)行邏輯控制和數(shù)據(jù)存儲。FPGA通過PCI總線橋接芯片PCI9054連接到PCI總線。上位機(jī)通過總線控制超聲波發(fā)射、信號接收、放大濾波、數(shù)據(jù)采集、顯示和數(shù)據(jù)處理等一系列的操作。

基于虛擬儀器技術(shù)的圖形化語言LabVIEW?軟件的功能強(qiáng)大，集成度高，程序運(yùn)行速度快、性能穩(wěn)定，人機(jī)交互界面簡潔明了。用戶可以使用LabVIEW在電腦屏幕上創(chuàng)建一個圖形化的用戶界面，即可設(shè)計(jì)出完全符合自己要求的虛擬儀器。通過這個圖形主控界面，使用者可以進(jìn)行超聲檢測的相關(guān)操作如設(shè)置硬件、分析采集到的數(shù)據(jù)和進(jìn)行測試曲線顯示等?。采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，各個模塊分別執(zhí)行相應(yīng)的功能。

根據(jù)功能要求，整個超聲檢測系統(tǒng)的軟件主要包括以下兩大部分：①系統(tǒng)對硬件的管理：如對FPGA參數(shù)配置包括模擬處理板的參數(shù)控制、DAC增益控制、數(shù)字處理板的參數(shù)控制、系統(tǒng)報(bào)警控制、發(fā)射延遲參數(shù)調(diào)節(jié)等參數(shù)設(shè)置;②系統(tǒng)軟件編制部分：包括信號處理的自適應(yīng)濾波算法;探傷波形實(shí)時(shí)處理如檢波方式、雜波抑制參數(shù)、峰值包絡(luò)方式、跟蹤閘門等;波形顯示包括探傷波形顯示、界面顯示和網(wǎng)絡(luò)化等。

2.自適應(yīng)濾波算法

將自適應(yīng)應(yīng)用于微弱信號處理中，濾除晶粒噪聲的影響，以期提取出有用的信號。自適應(yīng)濾波器與普通濾波器相比，有兩個重要的特點(diǎn)：①自適應(yīng)濾波器的濾波參數(shù)（系數(shù)）能隨著外界信號統(tǒng)計(jì)特性的變化而動態(tài)地調(diào)整，始終保持最佳的濾波狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。②自適應(yīng)濾波器除了濾波器的硬件以外還包括算法，算法是自適應(yīng)濾波器的基礎(chǔ)，自適應(yīng)濾波算法決定了濾波器如何根據(jù)外界信號的變化來調(diào)整自身的參數(shù)（系數(shù)），自適應(yīng)算法的好壞直接影響著濾波效果?。

最小均方（least-mean-square，LMS）誤差算法因其結(jié)構(gòu)比較簡單，涉及到的計(jì)算量小，系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，易于用軟硬件實(shí)現(xiàn)，因而在實(shí)踐中被廣泛采用。

LMS算法的濾波器輸出為：

（1）

其中：

（2）

（3）

是期望輸入向量，是濾波器權(quán)因子。

當(dāng)N較小時(shí)可由式（1）直接計(jì)算得到最優(yōu)解，但當(dāng)N較大時(shí)，因含有矩陣求逆運(yùn)算，計(jì)算量將變得很大。為了減小計(jì)算量另一種改進(jìn)算法為：通過對濾波器權(quán)系數(shù)進(jìn)行修正，使濾波器的輸出信號與期望信號之間的均方誤差最小，得到LMS算法的另一表達(dá)式：

（4）

其中：

（5）

（6）

（7）

是歸一化收斂因子，是濾波器系數(shù)的個數(shù)，是輸入信號功率估計(jì)，是用以降低過去輸入影響的“遺忘因子”。為了保證LMS算法的收斂性，其收斂因子必須在如下范圍內(nèi)選取。

（8）

式中，是輸入信號自相關(guān)矩陣的最大特征值。

3.結(jié)論

為了驗(yàn)證系統(tǒng)采集超聲信號的效果，?選擇縱波直探頭25Z20N，超聲信號進(jìn)行采集，?然后運(yùn)用自適應(yīng)濾波器對超聲信號進(jìn)行濾波?？傻玫狡交諗啃院们揖雀叩某暀z測曲線，?表明自適應(yīng)濾波對超聲信號具有良好的濾波效果。濾波器具有了更高的跟蹤能力，更好的濾波效果和較為理想的測試精度。適用于對超聲信號降噪并對后期的缺陷信號的準(zhǔn)確定量和定性分析具有重要作用。