脈沖壓縮在鋁薄板電磁超聲導波檢測中的應用

石文澤，程進杰，胡碩臻，盧超,3,*，陳堯

1.南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室，南昌 330063 2.中國科學院聲學研究所 聲場聲信息國家重點實驗室，北京 100190 3.贛南師范大學 江西省數值模擬與仿真技術重點實驗室，贛州 341000

鋁合金具有良好的導電導熱性能、密度小及耐腐蝕等優點，被廣泛應用于飛機、衛星等航空航天領域。受加工工藝影響，機械制造過程中的各類鍛壓及塑造成型的鋁合金薄板難免會出現裂紋、夾雜、分層等各種缺陷。這些缺陷會導致鋁板使用性能下降，使用過程中存在變形、斷裂等安全隱患。因此，采取有效的檢測手段及時發現并剔除含缺陷殘次品，對后續服役裝備的安全可靠運行十分重要。

電磁超聲SH導波檢測技術因其非接觸、衰減小、頻散特性簡單等優點而適用于鋁金屬薄板缺陷檢測。但受電磁超聲換能效率較低的影響，激勵電壓幅值高達數百甚至數千伏，而接收到的信號幅值僅為幾微伏。在實際檢測中，超聲回波信噪比(SNR)受限于儀器的脈沖功率輸出和低噪聲信號放大能力。為此國內外學者從電磁超聲換能器(EMAT)優化設計和超聲信號處理等方面展開了研究。例如，王淑娟等建立了一種鋁板電磁超聲表面波檢測的三維有限元模型，基于正交實驗表對影響換能效率的關鍵參數(EMAT線圈和永磁體)進行了優化，結果表明優化后回波幅值為優化前的2.99倍。時亞等通過建立多根分裂曲折線圈接收EMAT有限元模型指出多根分裂曲折線圈EMAT換能效率較傳統EMAT線圈提高了50%。Benegal等利用SH導波EMAT檢測直徑為?60 mm的鋁管，比較了3種不同的周期性永磁體(PPM)EMAT的優缺點，并指出與使用具有單個平面的PPM EMAT相比，使用與管道相同曲率的永磁體能將回波幅值提高70%以上。

信號處理方法是除EMAT優化設計之外的另一種提高SNR的重要手段。以雷達信號處理為例，受設備發射峰值功率的限制，在提高雷達探測距離的同時難以保證較高的距離分辨力。為此采用寬脈沖信號能在提高信號能量的同時，對信號進行脈內調制展寬信號頻譜，接收信號通過匹配濾波器處理以獲得窄脈沖、高峰值的脈沖信號，從而解決兩者之間的矛盾。EMAT換能效率低、高頻超聲傳播衰減系數大等不利因素導致SNR差及難以通過提高激勵頻率提高分辨率。雷達上應用成熟的脈沖壓縮技術為提高電磁超聲信號信噪比提供了有價值的參考。

常用的脈沖壓縮技術主要包括頻率調制(線性調頻、非線性調頻)和相位調制(二相碼、多相碼)，其中頻率調制脈沖壓縮技術已在超聲檢測領域廣泛應用。韓雪梅等在基于線性調頻信號的醫學高幀率成像系統上進行了改進，采用預失真的線性調頻信號作為激勵信號提高系統信噪比及軸向分辨率。石文澤等通過建立基于線性調頻信號激勵的電磁超聲檢測過程有限元模型，結合連鑄坯實驗分析了線性調頻信號脈寬和頻寬對脈壓信號信噪比和空間分辨率的影響。然而頻率調制脈沖壓縮處理過程較為復雜，匹配濾波器的輸出響應往往旁瓣較高，這會模糊多目標距離分辨力，影響系統整體性能。而相位編碼信號通過時域的非線性調相擴展信號帶寬，易于生成且壓縮處理過程簡單。在空氣耦合超聲檢測中，周正干等將脈沖壓縮技術與超聲C掃結合起來，比較了相位編碼信號和調頻信號的檢測效果，結果表明相位編碼脈沖壓縮后信號信噪比優于調頻信號，并優選調制信號的脈沖壓縮關鍵參數，獲取了脈沖壓縮參數的選取準則。針對脈壓信號旁瓣模糊多目標分辨力的問題，Sato和Shinriki在常規二進制編碼的基礎上搜尋了若干種峰值旁瓣小的編碼序列，并提出了一種針對二進制編碼的時間旁瓣(TSL)降低技術。Blunt和Gerlach提出了自適應脈沖壓縮技術，基于最小均方誤差準則，通過迭代處理實現對目標信息的提取且其旁瓣抑制能力不依賴于特定波形。

本文首先將相位編碼脈沖壓縮技術與電磁超聲導波技術結合起來，通過設計匹配濾波器和旁瓣抑制濾波器達到較好的脈沖壓縮效果。然后，采用電磁超聲SH導波檢測7075航空鋁合金薄板，通過實驗分析不同碼長、載波周期數巴克碼激勵信號對脈沖壓縮信號的主瓣幅值和主副比的影響，并比較旁瓣抑制的效果。最后，以檢測不同規格裂紋為目的，比較單頻正弦激勵和巴克碼激勵脈沖壓縮對應的超聲回波信噪比，驗證相位編碼脈沖壓縮技術在電磁超聲導波檢測中的優勢。

1 SH導波EMAT換能機制及脈沖壓縮技術的實現

1.1 電磁超聲SH導波換能機制

在EMAT中，不同類型的線圈和永磁體配合，可激發出不同類型的超聲波。如圖1所示，采用PPM與跑道線圈組合可激勵SH導波。PPM EMAT換能機制如圖2所示，當大功率射頻脈沖電流通過跑道線圈時，試樣近表面將產生頻率相同、方向相反的脈沖電渦流。電渦流在靜磁場作用下產生沿軸方向的洛倫茲力，從而帶動質點高頻振動，由于質點之間作用力的傳遞和相互作用，進而產生沿軸正負方向傳播的SH導波。SH導波的接收是其發射的逆過程。

圖1 PPM EMAT示意圖Fig.1 Schematic diagram of a PPM EMAT

圖2 PPM EMAT洛倫茲力換能機制Fig.2 Lorentz force conversion mechanism of a PPM EMAT

1.2 SH導波EMAT工作點選取

鋁合金薄板材質為7075航空鋁材，厚度=3.0 mm，縱波波速為6 300 m/s，橫波波速為3 080 m/s，密度為2 800 kg/m，由Disperse軟件繪制的SH導波頻散曲線如圖3所示。PPM EMAT中激勵導波波長=2，為相鄰永磁體間距，越大，對應越大，檢測分辨力越低，這不利于缺陷檢測；設導波模式=0,1,…，為激勵頻率，為橫波波速，由=/2可得=1時，對應的SH導波截止頻率約為0.51 MHz，即對應的最小永磁體間距約為3.0 mm，但在實際檢測中應保證激勵頻率盡量遠離該截止頻率，避免多模態現象。

圖3 3 mm厚度鋁板SH導波頻散曲線Fig.3 Dispersion curves of SH guided waves in 3 mm thick aluminum plate

考慮到需盡可能地增大線圈換能區域并保證較強的SH導波信號及現有永磁體規格等限制條件，綜合以上因素，選用永磁體間距=7.0 mm。以斜率為2的直線與SH曲線交點(=0.22 MHz, 相速度波速=3.08 mm/μs)為SH模態導波工作點，此時激勵頻率遠小于SH導波的截止頻率且激勵信號的周期數和永磁體的對數相對較多，從而能得到較為單一的SH導波。板材中SH模態導波的相速度和群速度不隨頻率的改變而變化，恒等于鋁板中橫波的波速。

1.3 相位編碼脈沖壓縮技術原理

相位編碼信號是依據碼元對載波信號進行相位調制后發射的信號，其通過信號時域的非線性調相達到展寬信號頻譜的目的。常見的相位編碼信號有巴克碼、m序列、Taylor碼等。選擇相位編碼的依據是自相關函數旁瓣幅值足夠小，使主瓣與旁瓣的比值(主旁瓣比)足夠大。在相位編碼中，二相編碼信號是常用的脈沖壓縮信號之一，若信號子脈沖采用矩形包絡，則其復包絡表達式為

(1)

式中：為子脈沖個數；為二進制序列；(-)為子脈沖函數；為時間；為子脈沖寬度；為編碼信號的總持續時間，=。

與連續的線性、非線性調頻信號不同，相位編碼信號采用偽隨機序列，它將寬脈沖分為若干個等寬度子脈沖，每個子脈沖的相移僅限于取0、π兩個數值。以典型二相編碼信號的13位巴克碼序列為例，={1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1}，由式(1)可得，碼元為正弦函數的巴克碼信號如圖4所示。寬度為的脈沖函數由個寬度為的子脈沖函數組成，等效帶寬近似為子脈沖帶寬=1/，即時寬帶寬積為==。因此選用較長的二進制序列，可得到大的時寬帶寬積。

圖4 13位巴克碼生成圖Fig.4 Generation diagram of 13-bit Barker code

脈沖壓縮算法選用時域脈沖壓縮：

(2)

式中：()為輸出信號;()為離散數字回波信號；“*”代表卷積運算；()為匹配濾波器沖激響應函數；為匹配濾波器沖激長度。

1.4 相位編碼信號旁瓣抑制技術

相位編碼信號經脈沖壓縮處理后，小幅值、大時寬的信號變為大幅值、小時寬的尖脈沖信號。然而壓縮輸出的尖脈沖信號往往在主瓣旁存在多個距離旁瓣，其原因是匹配濾波器在壓縮脈沖信號寬度外也會產生響應，從而產生距離旁瓣。在多目標環境中強目標脈壓信號的旁瓣往往會淹沒或干擾附近弱目標脈壓信號主瓣，造成小目標難以辨識或丟失。在實際應用中，必須采用旁瓣抑制技術抑制旁瓣提高多目標分辨能力。抑制旁瓣有效的方法是加權技術，即信號經過匹配濾波器處理后級聯一個旁瓣抑制濾波器亦或是重新設計匹配濾波器(失配濾波器)降低距離旁瓣。

由于巴克碼具有0、1相間的非周期自相關特性，自相關函數主瓣和旁瓣幾何上相似。以13位巴克碼為例求取其自相關函數，如圖5所示。根據旁瓣時寬和幅值的一致性，可在時域上采用一種簡單的方法抑制旁瓣，13位巴克碼旁瓣抑制加權網絡原理圖如圖6所示，圖中為主瓣加權系數，(≠0)為旁瓣加權系數。

由圖5可得，13位巴克碼的自相關函數波形其主瓣旁均勻分布12個旁瓣，左右各6個。因此可選用延時線加權網絡抑制旁瓣，將匹配濾波器輸出的信號經過12次延遲，單次延遲時間為2，將原始輸出信號與每次延遲后得到的信號乘上相應的加權系數后相加，即可達到消除旁瓣的目的。由于主瓣兩側的旁瓣呈對稱分布，因此加權系數也對稱，推導過程見文獻[28]。要求輸出波形主瓣不變(高度為13)，在-12<<12范圍內旁瓣為0，則令(0)=13，(2)=(4)=(6)=(8)=(10)=(12)=0；即延遲時間0～24對應的加權系數分別為,,…,,,,…,。

圖5 13位巴克碼自相關函數Fig.5 Autocorrelation function for 13-bit Barker code

圖6 13位巴克碼旁瓣抑制加權網絡原理圖Fig.6 Schematic diagram for sidelobe suppression weighted network of 13-bit Barker code

應用加權網絡處理匹配濾波器輸出信號后得到的結果如圖7(a)所示，經抽頭延時線加權網絡抑制旁瓣后，旁瓣在-12<<12的范圍內接近于0，主副比由-22.3 dB提高到-32.4 dB，即主副比提高了10.1 dB，但在||>12時將會產生新的旁瓣。

實際上，12往往難以達到多目標分辨力要求，這時可根據實際需要繼續增加(減少)延時線節數，將旁瓣的位置繼續往外(內)推。同樣保證輸出波形主瓣高度不變，以延遲14次為例，即在-14<<14范圍內旁瓣為0，推導過程如式(3) 所示，同上，(0)=13，(2)=(4)=(6)=(8)=(10)=(12)=(14)=0，可得對應的加權系數。

圖7 13位巴克碼旁瓣抑制Fig.7 Sidelobe suppression of 13-bit Barker code

(3)

延遲14次得到的結果如圖7(b)所示。由圖7 可知，隨延時線節數的增加，旁瓣抑制范圍相應增大，旁瓣幅值相應減小。增加足夠的延時線節數，待抑制的旁瓣幅值可接近于0，這種方法能有效抑制脈壓信號旁瓣，提高信號信噪比。

2 鋁合金薄板SH0導波EMAT實驗結果分析

2.1 電磁超聲檢測系統構成

電磁超聲檢測系統由任意信號發生器AFG-2022B、功率放大器GA-2500A、阻抗匹配器、SH導波EMAT探頭、帶通濾波器、安裝有LabVIEW軟件界面的電腦等組成，如圖8所示，圖中EMAT(T)和EMAT(R)分別代表激勵端EMAT和接收端EMAT。任意信號發生器產生特定時寬的巴克碼激勵信號，經功率放大器得到大幅值激勵電流，并經阻抗匹配后作用于EMAT用于產生超聲波。接收的超聲信號經接收端阻抗匹配、帶通濾波器、前置放大器后，由數據采集卡經過模數轉換傳送至LabVIEW界面。如式(2)所示，將接收的回波信號()與匹配濾波器脈沖響應()進行卷積可得輸出信號()。信號同步平均次數為16次，帶通濾波器設置為0.1～0.3 MHz。SH導波EMAT探頭中的跑道線圈由柔性紗包線繞制而成，導線直徑為?0.3 mm。周期永磁體序列對數為8對，單個永磁體尺寸(長×寬×高)為20.0 mm×7.0 mm×4.0 mm。

圖8 鋁合金薄板SH0導波EMAT檢測實驗系統框圖Fig.8 Block diagram of SH0 guided wave EMAT detection system for aluminum alloy sheet

含裂紋的鋁合金薄板和EMAT位置示意圖如圖9所示。鋁板尺寸(長×寬×厚)為900.0 mm×900.0 mm×3.0 mm。EMAT線圈為跑道線圈，采用柔性紗包線繞制，可緊貼于試樣表面。置于線圈上的PPM可通過膠帶緊密固定在鋁薄板表面，實現三者的緊密接觸。在試樣上按從大到小的順序人工預制4個U型槽缺陷，U型槽的長和寬均為10.0 mm和1.0 mm，深度依次為2.00 mm、1.00 mm、0.50 mm和0.25 mm。

圖9 含預制缺陷的鋁板試樣示意圖Fig.9 Schematic diagram of aluminum plate with prefabricated defects

2.2 不同碼長巴克碼信號的脈沖壓縮效果對比

分別取5位、7位、11位、13位作為激勵碼長，其編碼序列如表1所示，碼元為正弦脈沖串，其中心頻率為0.22 MHz。選取SH模態導波檢測鋁合金薄板，采用一發一收兩個EMAT探頭獲得不同碼長的脈沖壓縮信號，去除電磁串擾信號和直達波，將曲線歸一化后得到結果，如圖10所示。

由圖10可知，5位、7位、11位、13位碼長對應的峰值旁瓣電平(PSL)分別為-9.4、-9.5、-11.8、-16.4 dB。即隨著編碼序列長度增加，主副比也一直增加；但相應地距離旁瓣也會一直增加，這會嚴重干擾缺陷回波信號的判斷。通過實驗得到的超聲脈壓信號主瓣幅值及主副比與相位編碼脈壓信號理論增長趨勢一致，但主副比的實驗值與理論值存在較大偏差。采用匹配濾波器后級聯一個旁瓣抑制濾波器抑制距離旁瓣，得到的脈壓信號如圖11所示。

表1 不同碼長巴克碼編碼序列

由圖11可知，經旁瓣抑制處理后的5位、7位、11位、13位碼長對應的主副比分別為-24.5、-29.5、-32.0、-36.5 dB。可見經旁瓣抑制后脈壓信號的距離旁瓣大幅降低。即隨著巴克碼編碼長度增加，輸出脈壓信號的主旁瓣比呈現非線性增大趨勢；采用13位巴克碼信號進行激勵時，輸出的脈壓信號具有最大的主瓣幅值及主旁瓣比，且在時域內應用的延時線加權網絡能有效改善距離旁瓣，提高多目標分辨能力。

圖10 不同碼長巴克碼激勵信號的脈壓效果對比Fig.10 Comparison of pulse compression effects of excitation signals of Barker codes with different lengths

圖11 經旁瓣抑制后不同碼長巴克碼信號脈壓效果對比Fig.11 Comparison of pulse compression effects of Barker code signals with different lengths after sidelobe suppression

2.3 不同周期載波巴克碼的脈沖壓縮效果分析

為分析不同周期載波巴克碼信號的脈沖壓縮效果，以13位巴克碼信號為例，分別選取1～2周期載波巴克碼信號作為EMAT激勵信號，實驗獲得的A掃描信號如圖12所示。可知采用單個周期載波巴克碼信號時，各個波包均清晰可見；而當載波周期數為2時，板端回波幅值并未增加，但回波寬度不斷延長，后續波包幅值隨著碼元個數的增加而提高，激勵信號和直達波出現了部分重疊的情況。經過相應的匹配濾波器和旁瓣抑制濾波器后，得到脈壓信號如圖13所示。隨著巴克碼載波周期數的增加，脈壓信號主瓣峰值也不斷提高，且主瓣寬度幾乎不變。但載波周期數為2時，獲得的脈壓信號主瓣旁伴有明顯的距離旁瓣，這將在很大程度上影響缺陷的判斷。

圖12 13位巴克碼激勵的原始A掃描信號Fig.12 Original A-scan signal excited by 13-bit Barker code

圖13 經旁瓣抑制后不同周期數載波的13位巴克碼激勵的脈壓信號Fig.13 Pulse compressed signal excited by 13-bit Barker code with different periodic carriers after sidelobe suppression

2.4 單頻正弦及巴克碼兩種激勵信號探傷信噪比對比

2.4.1 單頻正弦激勵信號

單頻正弦信號的中心頻率=0.22 MHz，周期數為5，采用脈沖反射法判斷缺陷檢出情況，保持探頭相對位置不變，具體放置如圖9所示。分別得到4種不同規格缺陷的A掃描信號如圖14所示。由圖15可知，長×寬×深為10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm的人工預制裂紋回波信號與噪聲水平相差不大，信噪比僅為3.0 dB，在實際檢測中難以可靠判定缺陷是否存在。

圖14 單頻正弦信號激勵時不同規格裂紋的A掃描信號Fig.14 A-scan signal from defects of different sizes when excited by a single-frequency sinusoidal signal

圖15 10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm裂紋超聲回波信號局部放大(單頻正弦信號)Fig.15 Partial enlarged view of ultrasonic signal of 10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm crack (single-frequency sinusoidal signal)

2.4.2 巴克碼脈沖壓縮

選用13位巴克碼作為激勵信號，得到的A掃描信號經匹配濾波器和旁瓣抑制濾波器處理后得到的脈沖壓縮信號如圖16所示，長×寬×深為10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm裂紋的局部放大圖如圖17所示。同單頻信號計算信噪比一樣，得出缺陷脈壓信號信噪比。由圖14和圖16可知：選用巴克碼作為激勵信號時，得到的缺陷回波信號較單頻正弦激勵信號而言信噪比至少提高了7.2 dB；同時，前者能可靠檢出更小規格(長×寬×深為10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm)的裂紋。

圖16 巴克碼激勵信號下不同規格缺陷的脈壓信號Fig.16 Pulse compressed signal from defects of different sizes excited by Barker signal

圖17 10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm裂紋超聲回波信號局部放大(巴克碼信號)Fig.17 Partial enlarged view of ultrasonic signal of 10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm crack (Barker code signal)

2.5 EMAT大提離和少同步平均次數檢測結果

為實現大規格鋁合金薄板的在線快速掃查并避免EMAT探頭磨損，有必要進一步增加EMAT探頭提離和減小信號同步平均次數。將厚度為1.0 mm的塑料薄板置于EMAT與待測金屬薄板之間，并保證EMAT探頭、塑料薄板與試件緊密接觸。此時激勵和接收EMAT探頭提離均為1.0 mm，信號同步平均次數由16次減小為4次，采用單頻正弦激勵信號和13位單周期巴克碼脈沖壓縮得到的缺陷回波信噪比如表2所示。可知采用巴克碼脈沖壓縮技術可檢出4種規格的裂紋，但采用單一正弦激勵信號無法檢出最小(長×寬×深為10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm)的裂紋。與單一正弦激勵方式相比，采用巴克碼脈沖壓縮技術可將缺陷回波的信噪比至少提高5.9 dB。

表2 單頻正弦激勵信號和巴克碼激勵對應的信噪比對比

3 結 論

1) 選用較大碼長的巴克碼信號激勵EMAT探頭時，經匹配濾波器和旁瓣抑制濾波器輸出的脈壓信號幅值較高且主副比較大。經旁瓣抑制后，脈壓信號主瓣旁的距離旁瓣能得到顯著降低，能有效提高多目標分辨能力。

2) 多周期載波巴克碼信號能提高脈壓信號主瓣峰值，但主瓣脈寬也會增加，隨之帶來的距離旁瓣增大會影響缺陷的判斷，檢測時應根據實際檢測需要選取合適的載波周期，在保證檢測距離的同時盡量降低距離旁瓣帶來的影響。

3) 較單頻正弦激勵信號而言，采用巴克碼激勵信號，經相位編碼脈沖壓縮技術處理后，獲得的接收信號信噪比能得到顯著提高，能檢測更小規格(10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm)的裂紋。

4) 從大規格鋁合金薄板的在線快速掃查和避免EMAT探頭磨損的實際需求出發，采用巴克碼脈沖壓縮技術可增加EMAT探頭提離且降低信號采集同步平均次數，并能保證較好的缺陷檢測靈敏度。