經驗模態分解火箭發動機多界面粘結檢測特征信號提取技術

馬 媛 陳友興 李 鵬 王召巴 金 永

（1 中北大學信息與通信工程學院，太原 030051）

（2 西安近代化學研究所，西安 710065）

文 摘 針對固體火箭發動機在存放期間粘結界面易出現脫粘的情況，采用超聲縱波對其一二界面粘結質量進行檢測，得到的二界面脫粘缺陷回波信號通常混疊了一界面多次反射透射的信號，無法與一界面粘結信號區分。為了區分不同界面回波信號，選用EMD（經驗模態分解）對回波信號分解，并根據相關性系數得到信號主導作用模態分量，提取其檢測信號幅度特征，得到界面粘結情況，再根據時間確定粘結位置是一界面還是二界面。結果表明：通過EMD對超聲回波信號的特征提取可以實現固體火箭發動機界面最小直徑為4 mm的脫粘缺陷檢測，同時有效地降低分析計算的數據量，為固體火箭發動機粘結檢測提供一定基礎。

0 引言

固體火箭發動機由鋼殼體、絕熱層和推進劑粘結而成［1-3］。粘結過程中，不同材料的性能也完全不同，加之在存放期間，周圍環境溫度等的變化，使得粘結不再牢靠甚至粘結界面出現脫粘，進而導致火箭發動機的燃燒面積發生變化，影響飛行軌跡，甚至發生爆炸［4-7］。因此對火箭發動機粘結質量的檢測變得尤為重要。

超聲檢測因其操作簡單，成本低等優勢被廣泛應用于火箭發動機的粘結質量檢測。由于其絕熱層材料成分復雜，超聲信號的衰減很大，超聲波在殼體中的多次反射會造成二界面回波被淹沒在殼體反射波中，增加多界面粘結質量超聲檢測難度，因此需要對超聲回波信號進行信號處理。

國內不少學者針對粘結強度超聲檢測表征困難的現象［8］，利用等效模型推導超聲波檢測多層粘結結構的反射透射表達式，為粘結強度的無損檢測提供理論依據；還有專家針對固體火箭發動機粘結結構回波信號混疊嚴重的現象［9］，提出對回波信號進行小波變換，提取各個頻段的能量作為特征，為分析界面的粘結缺陷提供依據。前者只是研究鋼、鉛金屬粘結結構，并沒有研究絕熱層等復合材料的粘結強度對超聲檢測影響，后者需要分析多個不同頻帶能量進行對比，分析數據量大。

本文利用超聲縱波檢測火箭發動機多界面粘結質量，獲取回波信號，二界面粘結回波信號混疊嚴重，一二界面回波特征難分辨，進行經驗模態分解（EMD）信號處理，主要特征分量突出信號回波幅值特征，大大減少分析數據量，同時根據時間得到粘結位置信息，實現多界面粘結質量檢測。

1 超聲縱波檢測發動機多界面粘結質量

1.1 縱波檢測原理

縱波檢測根據回波能量判斷界面粘結與否，采用直探頭進行檢測，在傳播過程當中沒有任何波形轉換和角度的變化，界面的反射率和透射率只和材料有關。鋼板聲阻抗 4.5×107kg /m2·s，空 氣 為 4×102kg /m2·s，當界面脫粘，即超聲波在空氣當中傳播，反射率接近1且為負，也就是超聲波幾乎全反射，方向則與入射方向正好相反，而透射率幾乎為0，如圖1所示。

圖1 縱波檢測發動機界面粘結原理圖Fig.1 The schematic diagram of the motor interface bonding detection by longitudinal wave

界面發生脫粘，不再有透射回波，反射回波能量明顯高于粘結良好，因此根據接收反射回波能量可以判斷各界面粘結質量。

1.2 超聲檢測多界面粘結實驗

粘結的試件與真實火箭發動機材料厚度一致。其中鋼殼體厚5 mm，絕熱層1.6 mm，推進劑2 mm，一界面粘結層預埋直徑為4 mm、5 mm 的脫粘缺陷，二界面粘結層預埋直徑為4 mm、6 mm的脫粘缺陷。

為了減小了耦合劑帶來的超聲換能器始波與回波混疊，采用水浸法對試件進行縱波檢測，合適的水距使得超聲換能器始波與信號回波分離。選用直徑為10 mm，頻率為2.5 MHz 的水浸式超聲換能器，超聲采集卡連接PC端，50 MHz采樣并顯示檢測結果。

選取超聲換能器垂直入射至試件檢測，典型AScan信號如圖2所示。

圖2 界面粘結質量檢測回波信號Fig.2 The echo signal of interface bonding quality detection

分析信號回波得知：超聲換能器發射的窄脈沖進入火箭發動機以后回波出現重疊，幅值不再完全同步，根據縱波檢測原理，當粘結界面出現脫粘時，沒有透射信號進入下一層，相對于粘結良好時信號回波的能量高即信號幅值大，圖中4.22 μs處，一界面脫粘信號相對粘結良好界面信號回波幅值區分度為41.2%，可以根據信號幅度區分粘結狀態，實現對任意直徑預埋缺陷的檢測；在4.86 μs處，二界面脫粘信號相對粘結良好界面信號回波幅值區分度為49.1%，實現對預埋缺陷的檢測，但經火箭發動機絕熱層后的二界面脫粘信號衰減嚴重，界面反射信號混迭在殼體多次反射回波信號當中，無法與一界面脫粘信號區分，需進一步處理，以便于脫粘界面回波信號的識別。

2 基于EMD的超聲回波信號分析

2.1 EMD分解及相關性原理

EMD 作為新型自適應信號時頻處理方法，非常適合超聲檢測回波信號——非線性非平穩信號的處理。通過EMD 對超聲信號進行分解處理，得到超聲回波信號的有限本征模態函數（IMF），各分量具有原始回波信號不同時間尺度的特征信號，相對于原始回波信號更加平穩，之后對EMD 后的每個IMF 分量進行希爾伯特變換得到該分量的頻譜圖［10-12］。

EMD算法的步驟包括：

（1）求回波信號x（t）的所有極值點；

（2）用三次樣條插值對極大值和極小值擬合得到上、下包絡線，求上下包絡線的均值m（t）；

（3）殘余信號r（t）由信號x（t）減去m（t）得到，將r（t）作為信號，重復以上過程，直到其滿足IMF 的條件，記為IMF1(t)。

重復以上步驟，直到rn(t)為單調函數，原始信號為：

傳統EMD處理方法在得到IMF分量之后采用多個含有主要信息的IMF分量重構信號，不同于傳統EMD的處理方法，本文將采用相關性分析對各IMF分量進行處理，并選取相關系數最大的IMF分量重構特征信號。

選用相關系數的方法對IMF 分量的相關性進行分析，即對多個有相關聯系的IMF 分量進行分析。IMF分量之間的相關程度統計指標便是相關系數，其取值區間在［-1，1］。-1表示兩個變量完全負相關，1表示兩個變量完全線性相關。

2.2 基于EMD的超聲回波信號處理

對回波信號進行EMD處理，將信號分成8個IMF分量之和，如圖3所示。觀察各分量可以看出，信號的能量主要集中在各分量1～5 μs的時間，對所有IMF分量進行相關性分析，結果如圖4所示。采用相關系數最高的IMF分量代替原始信號，減少無用信號的信息量，有效進行特征提取，區分界面粘結與否。

對各階IMF 分量與原始信號的相關性分析，可以看出IMF7，8 分量與回波信號負相關，回波信號主要特征信息集中與前三個IMF 分量，選取與原始信號相關系數最大的IMF2 分量替代原始信號進行界面粘結質量判斷，結果如圖5所示。

經EMD處理之后的超聲回波信號有用信息占比明顯提升，不再有信號溢出及回波混疊，信號能量對比更加明顯，在0.92 μs處，一界面脫粘信號相對粘結良好界面信號回波幅值區分度為36.69%，在2.66 μs處，二界面脫粘信號相對粘結良好界面信號回波幅值區分度為49.34%。5 mm鋼板超聲波到達界面時間約為0.92 μs，同理可知絕熱層超聲檢測時間約為1.74 μs即可以根據材料的厚度及超聲傳播速度計算界面回波的位置，再根據回波能量判斷界面粘結質量，實現了對火箭發動機多界面粘結質量的檢測。

圖3 原始信號EMD分解示意圖Fig.3 The EMD decomposition diagram of the original signal

圖4 各IMF分量與原始信號相關圖Fig.4 The correlation diagram of each IMF component and the original signal

圖5 EMD處理后超聲回波信號Fig.5 The ultrasonic echo signal processed by EMD

通過對比處理前后的C-Scan 圖像（圖6）可以發現經EMD 回波信號特征提取后噪聲明顯降低，回波信號能量對比更加明顯，由于黏結劑的影響，脫粘缺陷處邊緣不是十分光滑，但仍可以看出一界面脫粘區域位置及大小；EMD 處理后的二界面特征信號CScan 圖像，脫粘區域輪廓更加直觀，大小更接近實際脫粘缺陷，與之前相比脫粘區域位置與大小檢測效果有了很大提升，有效完成了火箭發動機多界面粘結質量的信號特征提取。

圖6 脫粘界面EMD處理前后C-Scan對比圖Fig.6 The C-Scan comparison images of the debonding interface before and after EMD processing

3 結論

采用超聲縱波檢測固體火箭發動機一、二界面粘結質量，二界面檢測信號混疊嚴重無法與一界面信號區分，對二界面粘結回波進行EMD信號分解，采用相關性系數選取最佳的IMF 分量，突出二界面粘結信號幅值特征，由各回波信號能量即幅值判斷粘結與否，再根據時間判斷是哪一界面脫粘，實現了超聲對一、二界面最小直徑為4 mm 的脫粘缺陷識別，同時減少了分析計算的數據量，為固體火箭發動機的粘結檢測提供了一定的參考價值。