微弱電磁波收集檢測研究

毛先胤，鄒 雕，黃 歡，張 偉

（1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550001；2.貴州電網有限責任公司，貴州 貴陽 550001）

0 引 言

電磁聲換能器（Electromagnetic Acoustic Transducers，EMATs）是一種用于導電材料無損檢測和材料表征的非接觸式超聲波發射與接收裝置[1-3]。有相關研究發現，該設備的傳導機制有洛倫茲力、磁致伸縮機制以及磁化力3個原理[4]。電磁超聲檢測系統通常由電磁閥(包括線圈、磁鐵、被測材料)及其電路(包括發射電路、接收電路、匹配電路等)組成。與傳統壓電式換能器相比，EMATs具有許多獨特的優點，如在運行過程中不需要聲耦合，不需要對試件進行表面預處理，能夠產生多種彈性波，有效地擴展了超聲技術的應用范圍，成為無損檢測（Non-Destructive Testing，NDT）和無損評價（Non-Destructive Evaluation，NDE）領域的主流技術，但其傳導效率較低[5-7]。假設EMAT線圈的發射電流為50 A，且檢測系統的不同部分匹配良好，則換能器接收到的超聲波信號往往小于100 μV。此外，EMAT對周圍的電噪聲非常敏感。因此，電磁超聲檢測系統必須具備較強的弱信號檢測能力，才能從接收到的信號中提取出缺陷信息。由于檢測系統的工作頻率較高，通常在200 kHz～2 MHz之間，且接收信號的信噪比極低，使用模擬帶通濾波器很難提取有用信息[8]。

1 電磁超聲檢測系統

電磁超聲檢測系統原理如圖1所示。該系統由控制電路、功率放大器、兩個匹配電路、收發開關、探頭、前置放大器、選頻放大器、數據采集以及計算器組成[9]。首先由控制電路產生音爆信號，然后用D類功放進行放大。通過幾個寬帶傳輸變壓器實現匹配電路，從而實現最大的功率傳輸。TR開關用于隔離發射和接收過程，超聲波可以通過一個EMAT線圈發射和接收。

圖1 電磁超聲檢測原理圖

數據采集電路可以同時采集前置放大器和選頻放大器的輸出信號[10]。這些數據被傳輸到計算機進行進一步處理，然后與示波器上顯示的波形進行比較。通常情況下，預放大的末端信號可以達到幾毫伏，而被檢測信號由于反射面積較小甚至更弱。這說明了EMAT對周圍噪聲非常敏感，噪聲的峰間振幅超過1 V，因此電磁超聲檢測系統必須具有較強的弱信號檢測能力。

2 微弱信號檢測技術

2.1 移動平均預處理方法

為了得到更好的處理結果，本文首先采用平均法對接收信號進行平滑處理。常用的平均方法有累積平均法和移動平均法等。累積平均法具有良好的去噪能力，是EMAT信號預處理的常用方法，但是這種方法的處理效率非常低，因為它需要對重復的信號進行多次采集。移動平均法通過對采集數據的相鄰點進行平均來抑制隨機噪聲。基于最小二乘法的五點移動平均方程可以表示為：

式中，i=3,4...,m-2，x為原始信號，y為處理信號，m為采集到的數據總數。這些方程表明，移動平均法可以處理一次性獲取的數據，因此與累積平均法相比，移動平均法的效率更高。

2.2 互相關檢測方法

相關檢測方法利用信號的可重復性和噪聲的隨機性，是提取EMAT被檢測信號特征，準確檢測被檢測位置的有效方法。相關檢測技術中常用的兩種方法是互相關和自相關。前者用于研究兩種不同信號的相關性，后者用于研究單個信號的兩個不同周期的相關性。以互相關檢測為例，簡要說明相關檢測方法的信息提取原理。假設接收到的EMAT信號Vs為：

式中，Ei是被檢測信號的振幅，ω0是指被檢測信號的角頻率，θ是指被檢測信號和參考信號之間的相位差，En是接收信號中的隨機噪聲幅度，ωn是干擾噪聲的角頻率，α是干擾噪聲和參考信號之間的相位差。

為了進行互相關檢測，需要提供一個與被檢測信號頻率相同的參考信號VR，其表示為：

式中，ER是參考信號的振幅。

將式（6）與式（7）相乘可以得到：

利用低通濾波器處理，輸出V0變為：

輸出V0包含了被檢測信號的到達時間和包絡等信息，這樣就可以知道被檢測信號的存在位置。為了得到最佳的輸出信噪比，相位差θ必須為零。然而，由于實際應用中被檢測的位置是隨機的，必須經常調整參考信號的相位，以確保θ為零。顯然，這是一個采集微弱電磁信號的障礙。為了解決這一問題，采用兩個正交參考信號對接收信號進行互相關檢測，利用兩個參考信號的正交性可以去掉θ，而信號輸出僅由被檢測信號的幅值決定，工作原理如圖2所示。

圖2 正交參考信號的互相關檢測原理圖

同樣，如果將式（8）和式（9）中的參考信號替換為另一個接收到的EMAT信號，該信號是在不同檢測周期中獲得的，則可以對接收到的EMAT信號進行自相關檢測。如圖3為自相關檢測原理圖，其中Vs1和Vs2是在不同的檢測周期下得到的。探頭位置固定，Vs1和Vs2中的被檢測信號到達時間幾乎相同，而接收信號中的噪聲是隨機的，因此由于被檢測信號的相關性和噪聲的隨機性，可以提取出被檢測信號的信息。

圖3 自相關檢測原理圖

2.3 交叉自相關檢測技術

互相關和自相關檢測的信息提取特征明顯。在進行互相關檢測時，伴隨著被檢測信號同時提取出與被檢測信號頻率相同的噪聲分量，進一步影響了檢測結果。同樣，在接收信號中具有顯著相關性的噪聲分量將進一步污染自相關檢測中的處理結果。因此，僅對嚴重干擾的EMAT信號應用互相關或自相關，只能得到有限的信噪比改善。

為了更好地提高信噪比，提出了一種互相關和自相關相結合的檢測技術，其原理如圖4所示。此外，當環境噪聲太強或被檢測信號太弱時，可以相應地使用更多的相關檢測單元，直到提取出被檢測信息為止。

圖4 交叉自相關檢測原理圖

為了更好地理解所提出的技術與傳統相關方法的區別，分別用互相關法和自相關法對接收信號進行處理。首先試驗了互相關法應用于Vs1的結果，說明該方法只能提取到末端信號的信息，而被檢測信號仍然被埋在強噪聲中。此外，在比較多個結果時發現，由于檢測系統的頻率波動較小，用互相關法處理的結果波動較大，重現性很差。而從自相關法在Vs1和Vs2上的應用結果發現，單獨的自相關法無法從接收信號中提取出微弱的被檢測信號。

3 結 論

在移動平均法、互相關和自相關檢測方法的基礎上，提出了一種用于電磁超聲檢測系統發射和接收表面超聲信號的弱信號檢測技術。利用EMAT信號的重復性和噪聲的隨機性，提出的交叉自相關弱信號檢測技術能夠成功地提取出被強噪聲嚴重污染的弱檢測信號的信息。實驗結果驗證了該方法的可行性和有效性，并得出如下結論。一是移動平均法能夠有效地對接收到的EMAT信號進行預處理，比累積平均法具有更高的效率，二是采用兩個正交參考信號的互相關檢測方法可以有效地消除檢測結果的波動，從而大大提高檢測系統的檢測再現性，三是互相關和自相關檢測相結合的方法對微弱信號的檢測能力比單獨使用強得多，增加相關單元可以使EMAT被檢測信號的信噪比得到更大的提高。