鋼軌踏面電磁超聲檢測信號處理方法

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（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 軍用電器研究所，哈爾濱 150001）

鋼軌在長期運行過程中，由于滾動接觸疲勞引起的踏面剝離、裂紋等缺陷嚴(yán)重威脅著列車的運行安全。目前，無損檢測技術(shù)中所用壓電超聲檢測技術(shù)依賴于聲耦合劑，檢測速度受到限制；與之相比，電磁超聲換能器（electro magnetic acoustic transducer，EMAT）以其非接觸、無需耦合劑等優(yōu)勢逐步被國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)所青睞，各種產(chǎn)品相繼問世。對于電磁超聲鋼軌檢測僅有英國、加拿大、俄羅斯等進(jìn)行了研究，但是均未見相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用的報道［1－3]。

然而EMAT換能效率低，接收到的回波信號幅值一般僅為微伏級，并且對周圍環(huán)境噪聲敏感度高。即使通過模擬電路對其放大濾波，仍然難以達(dá)到檢測要求。基于以上原因，筆者針對電磁超聲回波信號的周期性、窄帶性、相關(guān)性等特點，進(jìn)行了電磁超聲數(shù)字信號處理算法的研究。

1 試驗系統(tǒng)

以基于電磁超聲表面波的鋼軌踏面缺陷檢測系統(tǒng)為試驗基礎(chǔ)，該系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。包括電磁超聲表面波換能器、發(fā)射電路、接收電路、基于USB的數(shù)據(jù)采集電路 （包括數(shù)據(jù)采集電路、FPGA控制電路和USB接口電路）、上位機(jī)等幾部分。EMAT探頭采用收發(fā)一體的單探頭結(jié)構(gòu)，利用脈沖反射法實現(xiàn)對鋼軌踏面缺陷的有效檢測。

系統(tǒng)工作過程如下所述：上位機(jī)通過USB控制FPGA發(fā)出控制信號，觸發(fā)發(fā)射電路工作，驅(qū)動EMAT探頭在鋼軌中激發(fā)出表面波；表面波沿鋼軌踏面?zhèn)鞑ィ鋈毕輹r，由于聲阻抗的變化會發(fā)生反射，回波信號被EMAT探頭接收，經(jīng)濾波放大后傳送到數(shù)據(jù)采集電路；采集到的回波數(shù)據(jù)通過USB上傳到上位機(jī)，進(jìn)行后續(xù)處理、分析及顯示。

圖1 鋼軌踏面缺陷檢測系統(tǒng)總體框圖

在鋼軌踏面加工一個長度為30 mm、深1 mm的裂紋缺陷，利用該系統(tǒng)對其進(jìn)行檢測，如圖2所示，探頭頻率為500 kHz，采樣率4 MSPS，采樣點數(shù)2 048點。接收到的回波波形如圖3所示，作為下文處理方法的處理對象。

2 電磁超聲檢測信號處理方法

EMAT換能效率低，接收信號常被噪聲湮沒。為從微弱的電磁超聲接收信號中提取有用信息，采用數(shù)字信號處理算法對其進(jìn)行消噪、包絡(luò)提取等處理，其流程如圖4所示。

2.1 小波消噪

圖4 信號處理流程框圖

小波變換屬于時頻分析的一種，具有時頻局部性、多分辨特性等諸多優(yōu)點，已成為EMAT回波信號分析中一種重要的處理方法。因此，采用小波變換對接收回波信號進(jìn)行消噪處理。

采用基于濾波器理論的快速小波算法（Mallat算法）［4]，以4層小波分解為例，消噪過程如圖5所示，其中小波分解和重構(gòu)示意圖如圖6所示。

2.1.1 小波分解

可供選用的小波基函數(shù)種類眾多，綜合考慮消噪效果和運算量后，選用db4小波基函數(shù)。對圖3所示的電磁超聲回波信號進(jìn)行4層小波分解，得到各層的小波系數(shù)如圖7所示。

圖7 小波分解系數(shù)

2.1.2 閾值選取

閾值的選擇對消噪效果起決定性作用。筆者選用軟閾值的處理方法，為選擇合適的閾值，采集不含缺陷信息的噪聲信號，如圖8所示，用db4小波基函數(shù)對該噪聲信號進(jìn)行小波分解，根據(jù)獲得的小波系數(shù)選擇合適的閾值，以達(dá)到較好的消噪效果。

2.1.3 小波重構(gòu)

利用Mallat合成算法對經(jīng)閾值處理后的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，得到重構(gòu)后的波形如圖9所示。與圖3所示的原始信號對比可見，經(jīng)小波變換后，噪聲得到顯著抑制，缺陷回波清晰可見。

2.2 包絡(luò)提取

提取包絡(luò)能夠使信號變得光滑平緩，便于檢測缺陷回波時間以及進(jìn)行超聲成像。采用希爾伯特變換提取信號包絡(luò)，該方法是從噪聲中提取有用信號的一種有利工具，對于提取電磁超聲回波信號這樣的窄帶載波信號的包絡(luò)是十分有效的。

函數(shù)f（t）的希爾伯特變換被定義為：

f（t）的解析信號可寫為：

利用希爾伯特變換直接提取圖10所示信號的包絡(luò)，結(jié)果如圖11所示。

結(jié)果顯示，得到的信號包絡(luò)兩端偏離原始信號。分析可知，導(dǎo)致該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因如下：式 （1）表明，函數(shù)f（t）的希爾伯特變換是其與1/πt的卷積。對于信號的前端，由于截斷而呈階越狀態(tài)，計算卷積的過程中，當(dāng)乘積項不足時，補(bǔ)0代替，有效部分僅為圖12中陰影部分，致使包絡(luò)偏離，隨著陰影面積的增大，偏離將逐漸減小［5]。

針對該問題，對算法做了適當(dāng)?shù)男薷模x取采集信號中間的一段，如圖10中的m段，僅對該段進(jìn)行希爾伯特變換，提取信號包絡(luò)，提取結(jié)果如圖13所示，有效地避免了偏離現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.3 幅值調(diào)節(jié)

在檢測過程中，探頭沿鋼軌踏面長度方向掃查，探頭到缺陷的聲程會隨著探頭的移動而改變，這將造成探頭在不同位置對同一缺陷檢測的回波信號幅值不同，不利于缺陷量化。因此，需設(shè)計一種幅值調(diào)節(jié)算法，使探頭移動過程中對同一缺陷進(jìn)行檢測的回波信號幅值相等。

用圖1所示的檢測系統(tǒng)檢測圖2中加工的鋼軌踏面裂紋。移動探頭，采集不同距離下對應(yīng)的缺陷回波，并通過上述消噪和包絡(luò)提取處理后計算得到信號幅值。利用Matlab軟件自帶的cftool曲線擬合工具箱進(jìn)行曲線擬合，得到的距離幅度曲線如圖14所示。

圖14 距離－幅度曲線

根據(jù)距離－幅度曲線計算得到時間增益表，上位機(jī)檢測到缺陷回波時間后，通過查表計算得到與之對應(yīng)的增益值，作用于采集到的回波數(shù)據(jù)，實現(xiàn)幅值調(diào)節(jié)。

2.4 超聲成像

EMAT探頭沿鋼軌長度方向掃查，每隔300 mm采集一組回波數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行小波消噪、包絡(luò)提取、幅值調(diào)節(jié)等處理后，以探頭的起始位置為原點，按各數(shù)據(jù)距原點的距離將多組數(shù)據(jù)存放在一個大的數(shù)組中，對于不同組數(shù)據(jù)之間數(shù)據(jù)重疊的部分，取多組數(shù)據(jù)的平均值。隨后，將數(shù)組中的回波數(shù)據(jù)用圖15所示的灰階表示，即得到沿鋼軌長度方向的踏面超聲圖像。

圖15 調(diào)色板

3 上位機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件

上位機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件采用LabWindows/CVI和Matlab混合編程的方式編寫，總體軟件流程框圖如圖16所示，實現(xiàn)對檢測系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，超聲回波數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、顯示等功能。

圖16 總體軟件流程框圖

用圖1所示的系統(tǒng)檢測包含裂紋的鋼軌踏面，裂紋長30 mm，深1 mm。運用該軟件處理采集到的回波數(shù)據(jù)，上位機(jī)顯示界面如圖17所示。波形從上至下依次是缺陷回波原始波形、經(jīng)小波消噪后的波形以及鋼軌踏面的超聲圖像。對比可見，經(jīng)小波消噪后的波形信噪比得到了顯著提高，缺陷回波清晰可見。沿鋼軌長度方向的超聲圖像直觀地呈現(xiàn)了鋼軌踏面的檢測狀態(tài)。利用超聲波傳播速度和傳播時間可以計算得到超聲回波信號的聲程，從而對缺陷進(jìn)行定位。通過圖17所示的超聲圖像以及缺陷位置識別部分可以看到系統(tǒng)檢測到的缺陷到探頭的距離是244.5 mm，與實際距離250 mm基本一致。

4 結(jié)論

研究了鋼軌踏面電磁超聲檢測信號的處理方法，采用小波變換對電磁超聲回波信號進(jìn)行消噪處理，顯著提高了回波信號的信噪比；利用希爾伯特變換有效提取了信號的包絡(luò)；沿鋼軌長度方向?qū)︿撥壧っ孢M(jìn)行成像，使顯示更加直觀，有利于缺陷檢測。

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［5]張曉穎，馬書林.數(shù)字包絡(luò)的實現(xiàn)［J].長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，31（2）：118－120.