基于深度重采樣疊加的不銹鋼焊縫TOFD檢測信號降噪技術

黎文超，陳振華，盧 超,2

(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室,南昌 330063；2.贛南師范大學 江西省數值模擬與仿真重點實驗室, 贛州 341000)

超聲波衍射時差法(TOFD)檢測技術是一種通過檢測入射超聲縱波在缺陷端部產生的衍射波信號，并根據其傳播時間差對缺陷進行定量與定位的方法，具有缺陷檢測結果直觀、準確、檢測效率高等特點。奧氏體不銹鋼焊縫的粗大組織會引起強烈的散射聲波，經過相互疊加及波型轉換形成結構噪聲，導致檢測信號信噪比降低[1-2]。為解決奧氏體不銹鋼焊縫TOFD檢測中遇到的困難，目前研究人員主要從探頭研制、信號處理、圖像后處理等方面展開了相關工作。探頭研制方面，鄭中興[3]通過研制縱波斜入射雙晶探頭，對厚度較大的奧氏體不銹鋼焊縫進行檢測，使用頻率為1 MHz的大晶片探頭檢測工件較深部位的缺陷，可以獲得較高的信噪比。信號處理方面，孫旭等[4]將自回歸譜外推技術應用到TOFD檢測信號處理中，有效提高了信號的縱向分辨力。圖像后處理方面，剛鐵等[5]根據缺陷端部和換能器之間的幾何關系，建立了基于圖像合成孔徑聚焦成像技術(SAFT)的數學模型，實現了B掃描圖像的SAFT重建，有效降低了缺陷回波的甩弧現象，提高了TOFD檢測圖像的橫向分辨力。上述方法在實施過程中存在一定的局限性。探頭研制、小波分析等處理方法需要依靠人工經驗確定參數，可靠性相對較低，且短時間內難以實現自動化識別。盡管特定的探頭研制和信號處理可以提高檢測信號的信噪比，但只能應用于特定檢測工件和弱散射介質中。上述幾類方法仍然無法有效克服結構噪聲問題[6-8]。

針對奧氏體不銹鋼焊縫TOFD檢測信號信噪比低、檢測圖像中缺陷特征識別困難的問題，提出了基于深度重采樣疊加的奧氏體不銹鋼TOFD檢測方法，相比于上述方法，深度重采樣TOFD是一種基于相位相干的疊加重構算法。研究發現，不同PCS(探頭中心距)的A掃描信號中，在同一缺陷深度的缺陷回波處相位分布一致，即相位的相干程度較高。相比而言，不同PCS結構噪聲處檢測信號的相位分布散亂，即相位的相干程度較低?；诖耍岢鰧⑸疃戎夭蓸铀惴☉糜趭W氏體不銹鋼焊縫的TOFD檢測中，分析其可行性，并探究其信噪比和分辨力增強能力。

1 深度重采樣TOFD檢測原理

TOFD檢測的發射和接收探頭對稱布置于檢測區域中心線兩側，發射探頭聲束發射點與接收探頭聲束入射點的間距為PCS。若檢測對象內部存在缺陷，則檢測信號由直通波、缺陷衍射波以及底波構成，且各信號特征存在一定的相位關系，TOFD檢測原理及檢測信號特征如圖1所示，1為直通波信號，2為缺陷上端衍射波信號，3為缺陷下端衍射波信號，4為底面回波信號。通過衍射波上下端的時間差可對缺陷長度和位置進行定量檢測。

圖1 TOFD檢測原理及檢測信號特征示意

測量衍射波與直通波及底波的時間差，可由式(1)計算缺陷的深度(位置)。

(1)

式中：d2為缺陷深度；t為A掃信號對應的時間；t0為直通波到達接收探頭的時間；v為檢測對象中的縱波聲速。

在TOFD檢測中，缺陷端部輻射的衍射波擴散角很大，接收探頭在較大的PCS范圍內均可接收到缺陷衍射波信號。在不同的PCS下，TOFD檢測信號的直通波、缺陷衍射波、底波的相位具有相對一致的特征；相對而言，特定深度的焊縫柱狀晶的散射波幅度和相位均隨PCS的變化可能出現隨機變化。據此，筆者提出了TOFD檢測技術的深度重采樣疊加降噪方法。

首先，采集某位置多個不同PCS下的TOFD檢測信號；其次，對檢測信號進行深度重采樣，即將檢測信號的時間軸轉換為深度軸，根據式(1)將時域信號轉換為深度域信號，并采用插值方法提高深度采樣精度，使各PCS下的檢測信號在差異很小的深度范圍內具有疊加點；最后，對各深度域檢測信號按深度進行疊加，缺陷衍射波相位相同則疊加增強,而柱狀晶散射信號由于相位差異而發生削弱。該方法可提高檢測信號的信噪比。深度重采樣疊加原理框圖如圖2所示。某位置檢測信號經深度重采樣疊加后的輸出信號S(d)可表示為

(2)

圖2 深度重采樣疊加原理框圖

式中：d為工件厚度;i(d)為不同探頭中心距的深度域信號;n為深度重采樣的疊加次數。

2 試驗方法及檢測信號分析

檢測對象為304奧氏體不銹鋼板對接焊縫(見圖3)，鋼板截面尺寸為150 mm×25 mm(長×厚)，焊縫坡口形式為V型，坡口角度為59°，垂直于焊縫截面加工了3個直徑為2 mm的橫孔作為人工缺陷，橫孔分別距離鋼板表面5，15，20 mm，其長度分別為30，36，36 mm。收發探頭采用聲束角度為60°，頻率為5 MHz，晶片直徑為6 mm的TOFD專用探頭，收發探頭以焊縫為中心對稱布置，信號采集過程中，PCS初始值為26 mm，之后每增加2 mm采集一次檢測信號，直到PCS增大到44 mm，對同一位置焊縫共采集9個檢測信號。

圖3 304奧氏體不銹鋼板對接焊縫結構示意

某位置各PCS下提取的經深度重采樣處理后的檢測信號如圖4所示，橫軸由時間軸變為深度軸。從圖4中可以看出，在14.215.2 mm深度出現相位基本相同的衍射波脈沖信號，然而，在其他深度無缺陷位置存在嚴重噪聲，同時各位置噪聲的相位差異較大。由此可知，缺陷衍射波信號的相位基本相同，而噪聲信號的相位具有隨機特征；當深度重采樣信號相互疊加后，深度為14.215.2 mm時缺陷衍射波脈沖將疊加增強，而此深度范圍外的散射波疊加后將被抑制；最終，疊加后檢測信號的信噪比將會提高。

圖4 深度重采樣TOFD重構信號

3 基于深度重采樣的TOFD檢測信號

定義檢測信號信噪比，并分析深度重采樣疊加算法對信噪比的改善效果，檢測信號信噪比R定義為

(3)

式中：ASF為缺陷衍射波的最高幅值；ASN為缺陷波與底波之間噪聲信號的最高幅值。

在每一位置提取檢測信號，并對其進行深度重采樣，分析各PCS下的檢測信號信噪比。圖5 (a)為PCS=36 mm時的檢測信號，由于孔1和孔3距離鋼板表面5 mm，且在檢測盲區內，所以試驗僅分析孔2的檢測信噪比，由式(3)計算孔2的信噪比為2.68；圖5(b)為不同(8組)PCS與檢測信號信噪比的關系曲線，可以看出，所有檢測信號的信噪比均低于2.8。

圖5 PCS=36 mm的檢測信號及不同PCS下的檢測信號與信噪比的關系曲線

按深度重采樣疊加算法對上述8個信號進行逐次疊加處理，在025 mm深度內以0.25 mm為間距進行插值處理，深度重采樣疊加次數和檢測信號信噪比關系曲線如圖6所示。由圖6可以看出，檢測信號信噪比隨疊加次數的增大而增大，當疊加次數達到8時，疊加后檢測信號的信噪比最高可達4.82。疊加8次后的檢測信號如圖7所示。

圖6 深度重采樣疊加次數和檢測信號信噪比關系曲線

4 結論

(1) 基于TOFD檢測信號的特點，提出了TOFD檢測信號的深度重采樣疊加算法，該算法可有效抑制奧氏體不銹鋼焊縫TOFD檢測信號的散射噪聲，提高檢測信號的信噪比。

(2) 在不同的PCS下，TOFD檢測信號中的缺陷衍射波脈沖、直通波脈沖及底波脈沖均具有一致的相位；焊縫組織結構噪聲脈沖則顯示為隨機變化的相位。

(3) 奧氏體不銹鋼焊縫的TOFD深度重采樣疊加信號信噪比隨疊加次數的增大而增大，但過大將影響檢測效率；在疊加8次后，TOFD檢測信號的信噪比達到4.82，比未處理信號的最高信噪比提高了近82%。