一種基于小波分析的多層粘接結構缺陷信號提取方法

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（1.軍械工程學院 彈藥工程系，石家莊 050003；2.總參炮兵訓練基地，宣化 075100）

對于由鋼板和多層橡膠類材料粘接而成的粘接結構的檢測，一直是無損檢測領域的一大難點。將超聲波檢測技術應用于粘接結構的檢測時，由于橡膠材料的強衰減作用和受限于普通探傷儀固定的算法，目前只能較好地檢出第一界面的脫粘，而對深層界面的缺陷難以發現。因此，找出一種有效算法并實現該算法至關重要。筆者以某型固體火箭發動機包覆質量檢測為背景，以由鋼殼體、絕熱層、包覆層粘接而成的方板為研究對象，試圖找到一種缺陷信號提取的算法。

1 檢測平臺的搭建

檢測平臺的超聲發射和接收設備采用SUFD2數字超聲波探傷儀。該型探傷儀增益達110 dB，支持0.1～15 MHz的橫/縱波探頭，脈沖強度最高達800 V，脈沖寬度50～1 000 ns可調，支持LCD實時回波顯示，帶缺陷報警功能。SUFD2可以通過自帶的USB接口導出波形數據，但導出的是經過DSP進行了Hil bert變換后的包絡信號，而且數據點有限（220個點），無法滿足后續數據分析的要求。因此必須設法自己采集回波信號。

試驗采用ADLINK公司的PCI－9812采集卡采集回波信號。PCI－9812采集卡是4通道12位20 MS/s同步采樣模擬輸入卡，硬件可編程輸入范圍為±1和±5 V，輸入阻抗50Ω，1.25 kΩ，15 MΩ。板載32k采樣點 A/D FIFO緩存數據，帶寬達17 MHz，支持模擬和數字觸發功能。

數字超聲波探傷儀SUFD2的工作原理是：發射電路產生一個高壓脈沖后，觸發信號發生器隨之產生一個由＋3.3 V降到0 V的負脈沖，接通ADC的輸入端，ADC開始以80 MS/s的轉換速率對回波信號進行A/D轉換，轉換結果送入DSP進行Hilbert變換求包絡信號。為了從外部采集回波信號，必須拆開SUFD2，找到觸發信號輸出端和ADC的模擬輸入端，將其引出，分別作為PCI－9812的模擬觸發信號源和采集信號源。檢測系統總體框圖如圖1所示。

圖1 超聲檢測平臺系統框圖

2 LabVIEW與Matlab混合編程

LabVIEW是美國NI公司推出的面向測控系統的圖形化編程語言，相比傳統的文本編程語言（VB，VC，Delphi等）來說具有編程效率高、開發速度快、數據流驅動的自動并行優化、庫函數及各種軟件接口豐富等優點，是開發中小型測控系統的理想平臺。Matlab是一款強大的數據分析軟件，其自帶的多種工具箱使它在多領域得到廣泛應用。筆者主要用到它的Wavelet tool box工具箱進行離散小波分解和重構。

L2（R）空間中的函數f（t）的連續小波變換WTf被定義為［1]：

式中ψa，τ（t）是母小波函數ψ（t）經過平移和伸縮變換得到的；ψ＊表示其共軛函數；WTf（a，τ）為小波變換系數。函數一經小波變換，就意味著將一個時間函數投影到二維的τ（時間）－a（尺度）平面上。連續小波變換的逆變換為：

為便于計算機計算，通常將a和τ進行二進離散化處理，這樣的變換稱為離散小波變換，計算機用Mallat算法進行快速離散小波變換。

觸發器引出線和AIN引出線分別接至PCI－9812的0，1通道。0通道設為模擬觸發信號源，觸發電平設為1 V，觸發信號到來后，采集卡采集200個數據點，然后保存以便后續處理。LabVIEW編程如圖2所示。

圖2 回波信號采集程序

采集得到的回波信號在保存的同時，調用Lab－VIEW中的Matlab接口對其進行小波分析：用db7小波將回波信號分解至第二層，然后重構第二層的高頻信號［2]（圖3）。

圖3 小波分解與重構程序

3 試驗結果

試驗對象是兩塊18 cm×18 cm的方形試件A和B，其規格見圖4。其中絕熱層和包覆層由工廠提供，這兩種材料都是橡膠類物質，絕熱層主要成分為三元乙丙橡膠，包覆層主要成分是端羥基聚丁二烯。在絕熱層和包覆層之間放置φ15 mm，厚0.1 mm的聚四氟乙烯［3]小圓片，以模擬絕熱層和包覆層之間的脫粘。探頭采用2.5 MHz的直探頭。對A，B試件的檢測結果分別如圖5，6所示。

圖4 試件模型

回波信號的小波分析通過LabVIEW中的Matlab接口完成。信號處理的關鍵有兩點，即小波基函數的選取和分解層數的確定。

3.1 小波基函數的選取

根據上一節的分析，選取的小波基函數應當與被分析函數中想要被提取的部分“貌似”，而回波信號是由若干超聲脈沖疊加而成的。Daubechies小波是最常用的小波族，該族小波的波形與超聲脈沖非常類似，其中的db7小波的振蕩次數與超聲脈沖最為一致，因此選擇db7作為小波基函數。

3.2 小波分解與重構層數的確定

分解與重構的層級與欲提取的頻率區段有關。回波信號的幅值譜中，幅值最高點位于2.1 MHz頻率處。根據離散小波變換所用Mallat算法的頻帶分解特點，即對于采樣頻率為fs的信號，經二進離散小波分解至第n層后，得到的低頻帶為（0，fs/2n＋1），高頻帶為（fs/2n＋1，fs/2n）。試驗中fs＝20 MHz，易知2.1 MHz位于第三層的高頻帶，即（1.25 MHz，2.5 MHz）。因此，為了提取2.1 MHz附近的信號，將回波信號用db7小波分解至第三層，然后重構第三層的高頻部分，所得結果如圖5和6所示。

理論分析知，當粘結良好時，回波中除了始波外，只會有一次底波存在；若出現脫粘，則在始波和一次底波之間將還會有缺陷波存在。圖5（a）可見，在［2.5μs，4.5μs]之間存在一次底波，但這個底波持續時間很長，很明顯是受到了波形成分中其他頻率分量的干擾；圖5（c）是存在脫粘缺陷的情形，圖中除了始波外還有兩個波峰，即缺陷回波［1.5μs，2.5μs]和一次底波［3.5μs，4.5μs]，其中缺陷回波因為靠近始波，受始波影響比較大，兩者并不能完全區分開，又因為缺陷反射了大部分超聲能量，所以一次底波較上圖更微弱了，且持續時間仍然較長。經過小波分解和重構之后，如圖5（b）和（d），始波、缺陷回波、一次底波非常容易區分：未脫粘時，只有一次底波，位于［3.5μs，4.2μs]之間；脫粘時，除了有微弱的一次底波［4μs，4.5μs]之外，還有缺陷回波［1.8μs，2.2μs]，不僅底波和缺陷波的持續時間縮短，時間分辨率得到了提高，而且波形更加干凈。對于絕熱層為8 mm的情形（圖6），未脫粘時大約能看出底波的存在［2.5μs，6μs]，不過持續時間非常長；脫粘時始波、缺陷波、底波交雜在一起，根本沒法區分。經過小波分解和重構之后，波形干凈了，始波、缺陷波和底波所在的時間段也一目了然。試驗結果表明，經過小波分解和重構，不僅能有效提高回波信號中的缺陷波和底波信息，還抑制了其他雜波，即頻率在（1.25 MHz，2.5 MHz）之外的分量，使波形更加干凈，達到了預期的效果。

另外，從圖5中還可注意到未脫粘和脫粘兩種情形下底波所處時間區段并不一致，這是因為，脫粘缺陷是采用聚四氟乙烯薄片模擬的，使整體厚度稍微增加了一點，再加上同一試件不同部位的各層厚度有差異，所以出現如此情形。

4 結語

通過小波分析，可以將原始波形中與母小波類似的部分提取出來，并加以放大，所以選擇合適的母小波是小波分析的關鍵。筆者選擇db7小波對信號進行兩個尺度的分解并重構第二尺度下的高頻信號。結果表明，該方法能夠較好地檢測出絕熱層（厚度不超過8 mm）和包覆層之間，即第二界面的脫粘缺陷。對于厚度超過8 mm的絕熱層下面的缺陷或者包覆層和推進劑之間的缺陷，此方法是否有效尚有待試驗驗證。

［1]葛哲學，沙威.小波分析理論與MATLAB R2007實現［M].北京：電子工業出版社，2007.

［2]敦怡，師小紅，徐章遂.基于小波包變換的金屬基復合材料深層界面脫粘缺陷特征提取［J].無損檢測，2007，29（12）：705－721.

［3]李建文，王增勇，湯光平.金屬殼體粘接結構件的超聲檢測［J].無損檢測，2010，32（4）：283－285.