空氣耦合超聲檢測中脈沖壓縮方法的參數選優

周正干，馬保全，孫志明，周暉，黃姿禹，劉晶晶

(1.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191;2.上海飛機制造有限公司航空制造技術研究所，上海200436)

空氣耦合超聲檢測技術是一種以空氣作為耦合介質的非接觸聲學檢測方法，被認為是檢測與評價纖維增強復合材料(即 CFRP，GFRP，GLARE)、蜂窩夾芯/泡沫夾芯結構材料、金屬、耐溫陶瓷材料等質量的有效手段［1-3］.空氣耦合條件下，由于空氣同檢測對象之間巨大的聲阻抗差及空氣對高頻聲波的高吸收率，造成接收信號微弱且信噪比低，提高空氣耦合條件下接收信號強度及信噪比是該技術發展及應用所面臨的首要問題.雷達系統中，為了提高檢測范圍及距離分辨率，基于相關運算的脈沖壓縮技術實現了從大時寬、低幅值信號向小時寬、高幅值信號的轉換，有效解決了雷達距離分辨率與平均功率之間的矛盾.因此，具有諸多優異特性的脈沖壓縮技術為空氣耦合超聲信號信噪比的提高提供了有效的參考手段，基于該技術建立的空氣耦合超聲檢測方法能顯著提高信號的魯棒性及檢測圖像的分辨率，并已應用到醫學超聲領域［4］.國外針對脈沖壓縮方法應用于超聲無損檢測領域的研究開展較深入［5］，目前常用的脈沖壓縮處理方法包括頻率調制脈沖壓縮技術和相位調制脈沖壓縮技術.頻率調制脈沖壓縮技術已經在超聲無損檢測領域獲得應用(線性調頻、非線性調頻等)［6-8］，尤其在醫學高精度超聲成像方面得到驗證［4，9］.相位編碼脈沖壓縮方法也是雷達信號處理的重要手段，相比頻率調制脈沖壓縮方法而言，相位編碼信號的調制更便捷，更容易獲得高主副比(主瓣旁瓣幅值比)的脈沖壓縮信號，因此該技術也已得到普遍重視和廣泛應用，并逐步向超聲檢測領域推廣［10］.

在特殊復合材料的空氣耦合超聲檢測方面，應用脈沖壓縮技術可使接收信號信噪比得到大幅提高，上述方法已被認為是可行、可靠的信號處理手段，已成為空氣耦合超聲檢測技術的重要研究內容之一.與脈沖壓縮方法在雷達信號處理技術中的成熟應用不同，空氣耦合超聲檢測中超聲換能器激發出的超聲波信號與雷達信號有較大差異，針對脈沖壓縮參數的調整對超聲信號脈沖壓縮效果的影響并不十分明確，影響了該技術在空氣耦合超聲檢測領域的推廣應用.為更好地利用脈沖壓縮方法來提高空氣耦合超聲信號信噪比，研究脈沖壓縮方法的參數選優問題很有必要.

本文基于脈沖壓縮技術的基本原理及其在超聲檢測領域的實現過程，建立完善的空氣耦合超聲檢測系統(并編制上位機C++算法實現超聲信號的實時脈沖壓縮處理).針對窄帶空氣耦合超聲換能器分別就線性調頻、非線性調頻及相位編碼脈沖壓縮方法的關鍵參數(激勵信號時寬、帶寬、巴克碼位數及載波周期數)對脈沖壓縮效果(主瓣峰值及信噪比)的影響開展實驗研究，進而獲得脈沖壓縮參數的選取準則.最后，以模擬缺陷的蜂窩夾芯復合材料試樣為對象，驗證參數選優后的脈沖壓縮方法在空氣耦合超聲檢測中的實際應用效果.

1 基本理論

1.1 脈沖壓縮處理技術原理及其實現

所謂脈沖壓縮，就是采用寬脈沖發射以提高發射的平均功率，在接收時采用匹配濾波器進行脈沖壓縮以獲得窄脈沖信號，進而提高檢測能力的同時又不失距離分辨力［11］.發射脈沖寬度t與壓縮后系統有效脈沖寬度t0的比值，稱為脈沖壓縮比，即

因為脈沖壓縮后的有效脈沖寬度t0=1/B(B為調制信號帶寬)，所以上式可寫成:

即脈沖壓縮比等于信號的時寬帶寬積.

匹配濾波器的作用是處理系統通過匹配濾波過程對輸入的信號進行一次相關運算.在輸入為已知信號及白噪聲時，所得輸出信噪比最大的線性濾波器就是匹配濾波器.假設參考信號為us(t)，與參考信號相關的接收信號為xs(t)，對接收信號進行脈沖壓縮處理過程如圖1所示.基于相關性原理，兩相關信號的脈沖壓縮過程實際上是接收信號xs(t)與參考信號的匹配濾波器進行卷積運算，其中匹配濾波器的頻率特性函數實際上是參考信號頻譜的共軛.為提高數據處理效率，實現信號的實時處理，卷積運算一般通過頻域點乘來實現，經傅里葉逆變換獲得時域脈沖壓縮信號.

圖1 接收信號的脈沖壓縮原理Fig.1 Pulse compression principle of received signal

基于上述原理，對超聲信號進行脈沖壓縮的實現過程主要分為以下幾個步驟:

1)編制合理的激勵信號來激發超聲換能器，同時對激勵信號進行快速傅里葉變換(FFT)，存儲變換后的數據作為參考信號;

2)基于參考信號獲得匹配濾波器的頻率響應函數(即對激勵信號頻域上的各點取共軛);

3)對超聲接收信號采樣點進行快速傅里葉變換，并與匹配濾波器頻率響應函數在頻域點乘;

4)將點乘后的數據進行傅里葉逆變換(IFFT)，獲得脈沖壓縮后的時域信號.

1.2 三大脈沖壓縮處理技術

1.2.1 線性調頻脈沖壓縮技術

線性調頻(LFM)是超聲信號脈沖壓縮中的常用調制手段.線性調頻信號激勵超聲發射換能器，通過匹配濾波器(matched filter)對接收到的透射信號進行壓縮處理，可得到滿足要求的檢測信號［12］.LFM信號(也稱Chirp信號)的數學表達式為［7］

式中，A為信號幅值;f0為基頻(選擇換能器中心頻率);T為調制信號時寬.線性調頻信號斜率K為

當選定調制信號時寬T，調制信號帶寬B，則調制信號瞬時頻率以斜率K做線性變化.在超聲檢測中，一般需要調整時寬T和帶寬B來獲得最佳的脈沖壓縮效果.

1.2.2 非線性調頻脈沖壓縮技術

由于線性調頻方法產生的激勵信號瞬時頻率呈線性增加，信號頻帶與換能器頻帶相符程度不高.非線性調頻(NLFM)信號是線性調頻信號的一種改進，使調制后信號頻帶與換能器頻帶接近，從而能使換能器在各個頻段都能輸出最高的能量，大大提高了脈沖壓縮信號主副比［8］.NLFM信號是按特定的信號幅度譜來生成，假設以相角函數表示的非線性調制信號為

式中φ(t)為相角函數.根據相位逗留原理，求得激勵超聲換能器的非線性調頻信號us(t)為

其中T(f)為群延時函數，表達式為

式中S(v)為調制信號幅度譜，通過對超聲換能器掃頻獲得.根據設定的調制時寬T確定邊界條件T(f1)=0，T(f2)=T，可得常數項 C1，C2.

將非線性調頻脈沖壓縮技術應用于超聲檢測時，由于換能器頻譜分布特性已知，只要設置不同調制時寬T，即可獲得一系列不同的激勵信號.

1.2.3 相位編碼脈沖壓縮技術

常用的相位編碼方式有巴克碼、互補格萊(Golay)碼、M 序列、Taylor碼、弗蘭克碼等.選擇相位編碼的依據是其自相關函數旁瓣幅值足夠小，使主副比盡可能小.二相巴克碼信號具有良好的自相關特性及噪聲抑制特性，被認為是一種獲得最小時域旁瓣的有效編碼方式［13-14］.二相編碼信號的復包絡可表示為

式中，v(t)為子脈沖函數;tp為子脈沖寬度;N為子脈沖個數;T=N·tp為二相編碼信號持續時間.相位編碼調制信號是離散偽隨機信號，二相編碼信號的頻譜函數主要是由子脈沖函數的頻譜決定，其帶寬近似等于子脈沖的帶寬［15］，即B=1/tp，因此時寬帶寬積 D=T·B=N，當改變時寬(或帶寬)時，帶寬(或時寬)相應發生變化，時寬帶寬積D僅與子脈沖個數N有關.常規二相巴克碼有2，3，4，5，7，11，13 位等(如表1 所示).

表1 不同碼長的巴克碼序列及其主副比Table1 Different length Barker code sequence and the corresponding main to side lobe ratio

2 實驗分析

2.1 穿透式空氣耦合超聲檢測原理及實驗系統

實驗采用的空氣耦合超聲檢測方法為穿透法.穿透法是將兩個換能器分別置于被檢測試件的兩側，一個探頭發射超聲波，另一個探頭接收透射波，根據超聲波穿透試件后的能量變化來判斷試件內部質量.空氣耦合超聲檢測系統基本構成如圖2所示，包括任意信號發生器、功率放大器、500 kHz空氣耦合超聲換能器(NCG500-D13)、濾波與前置放大器、含有數據采集卡的上位機，其他還有運動控制系統、掃查架等.

圖2 空氣耦合超聲檢測系統基本構成Fig.2 Basic construction of air-coupled ultrasonic testing system

2.2 脈沖壓縮方法各參數選優實驗

2.2.1 線性調頻脈沖壓縮

針對線性調頻脈沖壓縮技術，需要分析不同時寬T、帶寬B對超聲信號脈沖壓縮效果的影響.設置一對空氣耦合超聲換能器的間距為25 mm，中間無試樣，激勵電壓127 V，增益65.9 dB.

1)時寬的影響.

時寬 T從 10～270 μs每隔20 μs選值一次，獲得14種不同時寬脈沖壓縮前后的主瓣峰值比，如圖3所示.主瓣峰值比隨著時寬的增加逐漸增大并且呈近似線性增加.

圖3 不同時寬條件下線性調頻脈沖壓縮前后主瓣峰值比Fig.3 Main lobe peak ratio between compressed signal and original signal under different time-width in LFM pulse compression process

2)帶寬的影響.

帶寬 B 從0.2 ～1.2 MHz每隔 0.2 MHz選值一次，時寬 T分別選取10，70和210 μs，獲得3 組定時寬變帶寬條件下的脈沖壓縮前后主瓣峰值比(如圖4所示).采用不同帶寬B的激勵信號激勵換能器，脈沖壓縮前后主瓣峰值比隨帶寬增加逐漸減小，最后趨于穩定.

圖4 不同帶寬條件下線性調頻脈沖壓縮前后的主瓣峰值比Fig.4 Main lobe peak ratio between compressed signal and original signal under different band-width in LFM pulse compression process

2.2.2 非線性調頻脈沖壓縮技術

非線性調頻脈沖壓縮中，由于換能器頻譜分布特性已知，時寬T是唯一能改變的參數.為分析時寬T對脈沖壓縮效果的影響，設置激勵電壓為67 V，信號增益為 55.9 dB.時寬 T從 10～270 μs每隔20μs選值一次，獲得不同時寬條件下的脈沖壓縮前后主瓣峰值比，如圖5所示.

圖5 不同時寬條件下非線性調頻脈沖壓縮前后的主瓣峰值比Fig.5 Main lobe peak ratio between compressed signal and original signal under different time-width in NLFM pulse compression process

脈沖壓縮前后主瓣峰值比隨著時寬T的增加呈近似線性增長，因此，在選擇非線性調頻脈沖壓縮參數時，應盡可能選擇大時寬的調制信號.

2.2.3 相位編碼脈沖壓縮技術

1)不同位數巴克碼序列的脈沖壓縮效果.

保持上述實驗條件不變，采用碼元為正弦的巴克碼序列(碼長分別為2，3，4，5，7，11，13)激勵換能器，對各自接收的回波信號進行脈沖壓縮處理，得到脈沖壓縮前后主瓣峰值的變化如圖6所示.

圖6 不同位數巴克碼序列脈沖壓縮前后主瓣峰值Fig.6 Main lobe peak of pulse compressed signal with different length Barker code and unprocessed signal

由圖6可知，脈沖壓縮前，接收信號主瓣峰值隨巴克碼位數的增加呈類階梯狀增大，經匹配濾波之后，輸出信號主瓣峰值以及脈沖壓縮前后主瓣峰值比也隨著巴克碼位數的增加逐漸增大，當巴克碼序列位數為13時，主瓣峰值達到最大.

2)不同周期13位巴克碼的脈沖壓縮效果.

采用1～6個周期載波巴克碼信號激勵換能器(以2 周期為例，其序列 Ck={1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，－1，－1，－1，－1，1，1，1，1，－1，－1，1，1，－1，－1，1，1}，其他周期編碼方式以此類推)，獲得不同周期數的13位巴克碼序列的脈沖壓縮效果如圖7所示.

圖7 不同周期13位巴克碼脈沖壓縮前后主瓣幅值變化Fig.7 Main lobe peak ratio between compressed signal with different cycle 13 bit Barker code and original signal

由圖7可知，載波周期增大時脈沖壓縮信號主峰值不斷提高，1～3周期獲得的脈沖壓縮信號主峰值從17.79 V變為102.2 V.而隨著載波周期數的不斷增大，主瓣和旁瓣開始變得難以分辨.因此，采用多周期載波13位巴克碼信號作為超聲激勵信號時，可盡量選擇多個周期載波信號，但同時要兼顧信號主副比，保證脈沖壓縮后的超聲透射信號易于識別，使其滿足C掃描檢測要求.

2.3 有試樣時脈沖壓縮方法的檢測性能對比

2.3.1 試樣準備

在一塊無缺陷的碳纖維蒙皮-鋁蜂窩夾芯復合材料表面，按從大到小的順序分別粘接不同的厚紙片以模擬蜂窩夾芯材料中的缺陷.試樣尺寸及缺陷布置如圖8所示，蜂窩試樣光學照片如圖9所示(蜂窩芯厚12 mm，蒙皮厚1 mm).

圖8 試樣尺寸及缺陷布置Fig.8 Specimen size and defect allocation

圖9 蜂窩夾芯復合材料試樣照片Fig.9 Photograph of honeycomb composite sample

2.3.2 透射信號能量及信噪比對比

根據上述結果可知，線性調頻脈沖壓縮參數選取應遵循大時寬、小帶寬的原則;非線性調頻脈沖壓縮參數僅由時寬決定，應選擇盡量大的時寬;相位編碼脈沖壓縮參數在選擇13位巴克碼且載波周期數為3時可獲得良好的脈沖壓縮效果.用于對比的3種脈沖壓縮參數設置如表2所示.

表2 脈沖壓縮性能對比的參數設置Table2 Parameters for comparison experiments of pulse compression efficiency

利用表2中給出的參數對上述3種方法進行有試樣條件下的脈沖壓縮效果對比.3種方法所用換能器激勵電壓均為 200 V，增益均為103.9 dB.脈沖壓縮處理前，接收信號中的透射始波幾乎全被噪聲淹沒，采用不同脈沖壓縮方法后的信號如圖10～圖12所示，從各圖中都能識別透射始波.

圖10 線性調頻脈沖壓縮后的信號Fig.10 Pulse compressed signal with linear frequency modulation method

圖11 非線性調頻脈沖壓縮后的信號Fig.11 Pulse compressed signal with non-linear frequency modulation method

圖12 相位編碼脈沖壓縮后的信號Fig.12 Pulse compressed signal with phase code modulation method

脈沖壓縮后的透射超聲信號信噪比如表3所示.由表3可知，相位編碼脈沖壓縮信號信噪比明顯優于線性調頻和非線性調頻脈沖壓縮方法的信噪比.

表3 脈沖壓縮后的透射超聲信號信噪比(SNR)Table3 Signal to noise ratio(SNR)comparison of pulse compressed signal of through-transmitted ultrasound

2.3.3 蜂窩夾芯試樣的C掃描檢測

按照表2中的參數對不同脈壓處理后的透射始波設置閘門進行 C掃描檢測，成像對比如圖13～圖15所示.由圖13～圖15可知，相位編碼脈沖壓縮方法獲得的C掃描圖中對缺陷及蜂窩芯格的識別能力明顯優于線性調頻和非線性調頻脈沖壓縮方法的識別能力.

圖13 線性調頻脈沖壓縮C掃描成像結果Fig.13 C-scan result based on linear frequency modulation pulse compression process

圖14 非線性調頻脈沖壓縮C掃描成像結果Fig.14 C-scan result based on non-linear frequency modulation pulse compression process

圖15 相位編碼脈沖壓縮C掃描成像結果Fig.15 C-scan result based on phase code modulation pulse compression process

3 結論

1)針對窄帶空氣耦合超聲換能器，線性調頻脈沖壓縮方法中激勵信號的設計應遵循大時寬、小帶寬的原則;非線性調頻脈沖壓縮效果僅由時寬決定，應選擇盡量大的時寬，但激勵信號時寬不能太大以防止損壞超聲換能器;相位編碼脈沖壓縮方法中選擇13位巴克碼時獲得優良的脈沖壓縮效果.隨著巴克碼載波周期數的增大，脈沖壓縮主瓣峰值不斷提高，而對透射信號主瓣的識別能力變差，一般選3周期即可.

2)采用脈沖壓縮方法檢測高聲衰減的復合材料時，在同等激勵電壓及接收信號增益條件下，相位編碼脈沖壓縮信號獲得最高的透射信號主瓣幅值和信噪比，且獲得的C掃描成像效果明顯優于線性調頻和非線性調頻脈沖壓縮方法的成像效果.

References)

［1］ Bhardwaj M C，Stead G F.High frequency non-contact ultrasonic analysis of materials:introduction and applications［J］.Nondestructive Evaluation of Materials and Composites V，2001，4336:117-128.

［2］ Imielinska K，Castaings M，Wojtyra R，et al.Air-coupled ultrasonic C-scan technique in impact response testing of carbon fibre and hybrid:glass，carbon and Kevlar/epoxy composites［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，157:513-522.

［3］ Tat H，Georgeson G，Bossi R.Evaluation of air coupled ultrasound for composite aerospace structure［J］.AIP Conference Proceedings，2009，1096(1):912-919.

［4］ Rao N，Mehra S.Medical ultrasound imaging using pulse compression［J］.Electronics Letters，1993，29(8):649-651.

［5］ Pallav P，Hutchins D A，Yin X K.Air-coupled ultrasonic spectroscopy of highly damping materials using pulse compression［J］.IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control，2009，56(6):1207-1217.

［6］ Lam F，Szilard J.Pulse compression techniques in ultrasonic non-destructive testing［J］.Ultrasonics，1976，14(3):111-114.

［7］ 周正干，魏東，向上.線性調頻脈沖壓縮方法在空氣耦合超聲檢測中的應用研究［J］.機械工程學報，2010，46(18):24-28.Zhou Z G，Wei D，Xiang S.Application of linear-frequency-modulation based pulse compression in air-coupled ultrasonic testing［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010，46(18):24-28(in Chinese).

［8］ 魏東，周正干.改進的非線性調頻脈沖壓縮方法在空氣耦合超聲檢測中的應用［J］.機械工程學報，2012，48(16):8-13.Wei D，Zhou Z G.Application of non-linear frequency-modulation based pulse compression in air-coupled ultrasonic testing［J］.Journal of Mechanical Engineering，2012，48(16):8-13(in Chinese).

［9］ Laurence R W，Martin D F.Practical spread spectrum pulse compression for ultrasonic tissue imaging［J］.IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control，1998，45(2):349-355.

［10］ Sato R，Shinriki M.Time sidelobe reduction technique for binary phase coded pulse compression［J］.Electronics and Communications in Japan，Part I:Communications(English Translation of Denshi Tsushin Gakkai Ronbunshi)，2001，84(12):52-60.

［11］ 蔡鳳麗.相位編碼信號脈沖壓縮旁瓣抑制技術研究［D］.南京:南京理工大學，2009.Cai F L.Research on side-lobe suppression for phase encoding signal［D］.Nanjing:Nanjing University of Science and Technology，2009(in Chinese).

［12］ Gan T H，Hutchins D A，Billson D R，et al.The use of broadband acoustic transducers and pulse-compression techniques for air-coupled ultrasonic imaging［J］.Ultrasonics，2001，39(3):181-194.

［13］ Chen W H，Deng J L.Ultrasonic non-destructive testing using barker code pulse compression techniques［J］.Ultrasonics，1988，26(1):23-26.

［14］ Sun G M，Liu G S，Gu H.Signal analysis and processing for random binary phase coded pulse radar［J］.Journal of Systems Engineering and Electronics，2004，15(4):520-524.

［15］ 周誼珉.雷達信號分析技術與軟件設計［D］.南京:南京大學，2012.Zhou Y M.Radar signal analysis technology and software design［D］.Nanjing:Nanjing University，2012(in Ch inese).