對陶瓷器件超聲識別的算法設計及虛擬儀器實現

劉 昱，賀升平，賀西平，王 杰，周 越

(1.陜西師范大學 物理學與信息技術學院 陜西省超聲重點實驗室,西安 710119；2.四川省瀘州市116號信箱1分箱,四川 瀘州 646000)

超聲波在多晶材料中傳播，因晶粒而發生背向散射。背向散射實際是由單個晶體反射形成，多個無規則取向的晶粒將形成超聲回波中的雜亂無章的草狀信號[1-2]。因此，這些草狀信號也攜帶了它的被反射體材料微觀結構的重要信息。超聲波頻率衰減與多晶材料內晶粒分布密切相關，即使是平均晶粒尺寸一致的兩個不同形狀晶粒，他們內部超聲衰減也會顯著不同[3]。而超聲波的另一個重要參量——聲速，會因晶粒的不同徑向分布而受到影響，Hirao[4]發現晶界彈性模量的不同也會引起聲速的差異，超聲波的聲速可以有效表征多晶材料的各向異性成分特征。文獻[5]構造了細長橢球形晶粒的超聲波背向散射的理論模型，得到了晶粒超聲背散信號的頻率與晶粒平均直徑的依賴關系。文獻[6-7]提出了一種解釋背向散射與微質構尺寸、取向關系的解析表達式，該表達式的計算結果與取向成像顯微鏡(orientation image micros-copy)測量得到的結果符合較好，對超聲背散系數的研究工作使得晶粒與超聲間復雜的相互關系更加清晰。文獻[8-14]中的研究均表明多晶材料的內部微結構決定了超聲波在材料內部傳播的聲速、衰減、背散功率等參數。反之，超聲波也可以有效表征多晶材料內部微結構的差異，工業生產中的每個成品材料都有其獨一無二的微結構特征，如同人類的指紋特征，利用超聲指紋技術對不同材料進行防偽識別，是近年來本課題組在超聲檢測領域嘗試提出的一個新的應用[15]。最近幾年我國不斷加強對外交流，一些文物、重要設備、貴重物品等也經常走出國門參與交流，為確保歸還的貴重物品不被偽造替換，防偽識別就顯得尤為重要。

超聲指紋防偽識別的原理是利用聲波在材料內傳播時散射信號所攜帶的細節信息的差異進行識別。對超聲信號及其特征分析有多種方法，如：背向散射、聲參量、衰減系數，頻譜分析等。這些方法有各自的優缺點。文獻[16]利用超聲波在物體內部傳播時產生的背向散射信號信息，計算了待測陶瓷器件的背向散射信號與標準陶瓷器件的背向散射信號之間的加權歐式距離，設定標準信號中歐式加權距離最大值減最小值的差為閾值，判斷待測信號減標準信號的差是否小于閾值從而完成識別。文獻[17]基于金屬材料散射信號衰減譜的相關系數計算方法，以相關系數最大值減最小值的差的一半為閾值，比較待測相關系數減標準相關系數的差與閾值的關系，成功地對成分相近的金屬材料進行了識別。文獻[18]研究了金屬材料的微觀組織對超聲衰減的影響，并利用金屬間超聲衰減譜相關系數，對成份相近、熱處理溫度相同以及成份相同但熱處理溫度不同的多個金屬材料進行了識別。以上方法因閾值計算方法不完善以及探頭定位不準確等原因，測量結果會出現誤辨。設定最大值減最小值為閾值會因操作誤差或系統誤差導致某幾次出現偏大值，導致閾值偏大，將不同識別成相同；或因標準信號采集得到的特征量波動較小導致閾值較小，留給系統誤差和偶然誤差的容錯率較低，待測信號稍有波動就將相同識別為不同。

本文提出了一個超聲指紋的概念用來對貴重物品進行防偽防篡改識別，由于每個物品的內部微結構不同，不同的微結構會影響超聲的衰減、聲速、散射等聲學參量，因此每個物品的超聲指紋也各不相同。提取幅值比特征量，結合閾值算法得到標準超聲指紋，然后采取時域頻域聯合決策的算法對超聲指紋進行識別分析，因為時域信號反映的不同時刻的信號差異，而頻域信號反映的不同頻點的信號差異，二者聯合判斷結果更為準確。本文試驗過程中，使用硬質塑料板加工成直角型定位器，粘貼在圖1中的陶瓷器件表面，可以準確固定探頭位置，確保每次采集的信號都是同一采樣點。圖1為4個形狀材料完全一致的陶瓷盤樣品，直徑175 mm，厚3 mm。

圖1 直角定位器和陶瓷樣品Fig.1 Right angle positioner and simples

1 識別算法

采集需要防偽識別的陶瓷器皿超聲反、散射信號作為標準信號。當外表一致的陶瓷器件混在一起后，

依次對每個器件樣品采集超聲信號，記作待測信號，虛擬機采集的信號經識別程序處理后，對每個樣品的標準信號提取特征量進而計算得到標準超聲指紋；對待測信號提取特征量進而計算得到待測超聲指紋。將待測指紋信號和標準指紋信號進行比較即可完成識別。識別結果由時域識別和頻域識別共同組成。當待測信號的時域信號和頻域信號同時符合要求時判斷為同個物品。

1.1 標準信號特征量提取

首先對采集到的時域信號用式(1)做歸一化處理，統一信號的比較基準，且能避免外界影響導致的信號幅值整體升高或降低的誤差影響，提高抗干擾能力。Xmin為信號中最小幅值，Xmax為最大幅值，Xn為每一個采樣點的幅值，An為歸一化后每個采樣點的幅值(n=1,2,3，…，N)，N為采樣點總數。

(1)

然后用式(2)計算反映每個采樣點幅值特征的參量記為Pi，i為標準信號采集次數(i=1,2,3，…，20)。為了減小誤差影響如操作誤差和系統誤差等，每次對標準樣品采集20個信號作為標準信號，因此得到20個Pi。

(2)

對Pi求和取平均得到Pv，再由式(3)求出每一個標準信號所對應的幅值比Fi。

(3)

其中式(3)取對數的目的是將信號中的每個采樣點的幅值的影響壓到一個量級，使其權重相同。至此得到每次采集的時域信號的幅值比。

頻域幅值比算法相同，區別是歸一化之后增加一步傅里葉變換，得到信號頻譜，之后計算Pi時的“An”則變為頻譜幅度，后續計算不變。將20個標準信號的幅值比求和取平均便可得到一個時域幅值比(時域標準指紋)和一個頻域幅值比(頻域標準指紋)。

1.2 識別閾值計算

雖然已經得到標準超聲指紋和待測超聲指紋，但由于實際條件下不可避免的會有一些誤差(如操作誤差、系統底噪等)二者不可能完全相同，因此還需要計算出閾值，根據大數定律和中心極限定理可知[19]，每次采集信號幅值的行為符合高斯分布模型，根據高斯分布的特性，測量值出現大偏差的概率是很小的，根據拉伊達準則可由式(4)得出正常值偏差小于3倍標準差的概率P，則偏差大于3倍標準差的概率為1-P，約等于0.002 6，是小概率事件[20]。根據小概率原理，統計學將這個3倍標準差稱為合理誤差限，超出合理誤差限的測量值即異常值。

P(μ-3σ

0.997 4

(4)

因此由式(5)計算3倍標準差

(5)

1.3 識別信號

對樣品取若干次標準信號，采樣次數越多信號分布越穩定，識別準確率越高，本文試驗中均為20次。算出時域、頻域閾值后，取若干次待測信號，同樣是次數越多越能減小偶然誤差的影響，本文試驗每次待測取7次信號，將7次信號分別和閾值做對比，每次時域頻域均小于閾值則判斷是相同樣品并在“同個樣品”計數器增加1次次數；若時域頻域均超出閾值，則在“不同樣品”計數器增加1次次數；若時域頻域一個低于閾值，另一個高于閾值，則判定為信號采集不準，不參加計數。最后比較同個樣品次數和不同樣品次數，那個次數多則判斷為哪個結果，若二者相等則程序提示為信號采集不準確，需增加采集次數或重新采集信號。本文所編寫的識別程序見圖2，該程序識別結果一欄顯示待測指紋標簽的總體識別情況，若指紋標簽采集自防偽保護器件，則識別程序顯示“識別結果：同個器件”；若指紋標簽采集自其他器件，則識別程序顯示“識別結果：不同器件”。結果框下方顯示詳細識別情況，以便分析該次識別的結果。

圖2 識別程序Fig.2 Algorithm for ultrasonic identification

2 虛擬機研制

2.1 超聲檢測卡

課題組與汕頭超聲電子股份有限公司定制開發了CTS-04PC超聲檢測卡(圖3)。CTS-04PC超聲檢測卡采用標準PCI總線，可安裝在工控機PCI插槽中級聯使用。應用程序通過讀寫 PCI 超聲檢測卡的寄存器來控制檢測卡工作，設置探傷卡的工作參數。寄存器地址采用“基地址+偏移”形式，連接 IO 板繼電器輸出的寄存器GPIO_ OUT基地址為0x0000，偏移為0x0020，因此控制繼電器輸出的讀寫地址為0x0000+0x0020=0x0020。該板卡具有4個獨立工作通道，每個通道對應一個基地址，通過控制基地址的寄存器的讀寫來控制個通道的工作狀態。CH1通道控制寄存器基地址為0x0200；CH2通道控制寄存器基地址為0x0300；CH3通道控制寄存器基地址為0x0400；CH4通道控制寄存器基地址為0x0500。每個通道基地址之下有11個偏移地址，分別對應11個寄存器：包括2個通道控制寄存器、6個閘門控制寄存器、AD采樣校正寄存器、TCG增益值和TCG時間點寄存器。通過讀寫0x0008 TIMESLICE_TICKS時間單位長度設置寄存器設置發射時間單位的長度，以采樣點為單位。默認值為 0xC350。此外還有控制系統中斷操作的REG_INTERRUPT中斷控制寄存器、控制系統狀態的SYSCTRL系統控制寄存器和HIGH_VOTAGE高壓調節數字電位器等。

圖3 CTS-04PC超聲檢測卡Fig.3 CTS-04PC Ultrasonic-testing card

雖然上述寄存器已經明確了物理地址和控制功能，但是需要對各個寄存器進行讀寫操作才能實現各自功能，這個任務由EEPROM控制寄存器完成，CPU傳來的控制字通過EEPROM控制寄存器來寫控制位。“01”執行寫操作，“10”執行讀操作。至此系統CPU命令由HOST/PCI橋通過PIC總線的數據引腳控制超聲檢測卡各寄存器的工作狀態從而實現超聲檢測卡的各種功能。

超聲檢測卡的軟件編譯語言是C++，用C++編譯.h程序和.cpp等程序以及編譯器得到.exe應用程序。首先編譯ReadData函數讀取一幀波形的數據格式，從硬件讀取數據時，每通道返回1K(1024)字節數據，稱為1幀，每塊卡4通道返回4K字節數據。每幀數據包含了波形、閘門、旋轉編碼器、射頻模式下的負半波波形數據等數據。由void Outd函數向PCI超聲檢測卡指定地址寫入一個32位數據；由DWORD Ind函數從PCI超聲檢測卡指定地址讀取一個類型為unsigned int的32位數據。通過int SetTimeSlice函數設置時間長度。重復頻率發生器每隔一個時間片產生一個觸發脈沖，觸發某個通道發射。每個觸發脈沖都有一個從0～59遞增的序號。配合Pulse Sequence函數，即可設定哪個序號要觸發哪個通道。經過void Pulse Type函數選擇激勵脈沖的如方波和尖脈沖，配合void Set Phase Type函數確定檢波類型：全波；正半波；負半波和射頻。再由int Gain函數設置增益。最后由編譯器和GUI編程將全部函數編譯為.exe可執行文件，最終得到圖4所示的操作界面，圖中通道4正在進行信號的檢測工作。

圖4 檢測系統操作界面Fig.4 The control interface of virtual Instrument system

檢測系統采樣頻率100 MHz，檢波包括：全波、正半波、負半波和射頻。激勵電壓1～300 V可調，激勵波形寬度連續可調，增益范圍：0～110 dB可根據實際情況靈活調節，脈沖重復頻率最高10 kHz。可以實現檢測通道、工作方式、測量方式、探頭類型、檢波方式等的切換，可以實現超聲檢測卡的發射電壓、脈沖重復頻率、激勵方波寬度、阻尼、波形顯示范圍等參數的設置，并嵌入了三個報警閘門，便于對波形的觀察和對檢測結果進行快速判斷。

其中，超聲發射電路主要作用是為超聲探頭(換能器)提供高壓脈沖信號。具體過程是：控制模塊產生開關脈沖信號，發射電路接收到觸發信號之后產生負高壓脈沖，再由負高壓脈沖激勵探頭從而產生超聲波。

圖5為超聲電路原理結構框圖，由超聲波探頭傳回的反射回波信號在未經任何處理時為極弱的電壓信號，大小在毫伏量級。故需實施回波調理，其功能單元包括回波限幅及信號衰減、信號放大、檢波、門選及峰值保持幾部分。A/D采樣電路主要功能是將初步處理的超聲回波信號轉換成數字信號，由專用AD轉換芯片實現，并由控制模塊進行調度控制。

圖5 超聲電路原理結構框圖Fig.5 Principle and structure of ultrasonic circuit

2.2 系統結構

虛擬儀器系統由工控機系統及超聲數據采集軟件組成。虛擬儀器系統(以下在正文中簡稱為“工控機”)原理圖如圖6所示。工作時需使用專用夾具固定超聲波探頭，在探頭與被測材料之間均勻涂抹耦合劑。通過工控機界面控制超聲波的發射接收，探頭測得的超聲信號經由超聲波檢測卡送入工控機，再由計算機中自編的超聲識別程序實現信號預處理、特征提取和樣品識別等工作。超聲檢測卡與工控機之間通過PCI總線控制。

圖6 虛擬儀器系統原理結構圖Fig.6 The structure diagram of virtual instrument system

2.3 虛擬儀器樣機

從外部看，工控機設備包括超聲波探頭和工控機兩部分。其中，超聲波探頭共包含5 MHz和10 MHz兩種頻率。經使用標準儀器檢測，探頭均能正常工作，且可以正確識別試驗樣品；工控機采用研華610G型，含8個PCI插槽，可視情況增加超聲波檢測卡的數量，具可擴充性。工控機內部結構及實物如圖7，8所示,圖8中顯示器左側即工控機主體，為進一步提高安全性，工控機開機鍵和USB接口由配有鎖孔的安全門保護。目前已經實現了識別系統的一體化和安全門保護。目前已經實現了識別系統的一體化和自動化，利用dos下的.bat文件對信號采集程序和識別程序進行關聯，每次開機只需一鍵即可啟動完整識別系統，直接進行信號采集便可。

圖7 工控機內部結構Fig.7 Internal structure of industrial computer

圖8 工控機識別系統Fig.8 Identification system of industrial computer

3 識別試驗

3.1 試驗過程

首先對工控機設置參數，包括根據材料設置的聲速，發射電壓200 V，根據樣品信號特征調節增益，不同材料樣品回波幅值不同所需增益也不同,虛擬機能記錄的最大幅值為250，所有高于250的幅值均按250保存，要保證峰值低于250且過大增益會放大底噪，使采集的信號失真，但也不能太小，因為反映樣品差異的信息主要存在與各次回波高峰值之間的低峰值細節信號中，增益太小會導致細節信息被掩蓋，影響識別。然后采集信號，須保證每次采集的信號均在同一位置同一角度，位置和角度的明顯變化會導致超聲掃查的位置范圍變化，材料內的散射信號反射信號發生改變，會不同程度影響識別結果。

試驗所用耦合劑為水，每次采集時要用膠頭滴管滴相同體積的水3～5滴，重復以上操作。期間要保持樣品底部干燥，防止超聲通過耦合劑入射到放置樣品的工作面。

3.2 結果與分析

試驗樣品為4個外觀完全一樣的陶瓷盤，分別編號為1#、2#、3#、4#，標準信號取20次，待測信號取7次，表1為以1#樣品為例計算出的20個標準信號的幅值比求得均值F=4.120 3，進一步求得標準差σ=0.676 0故時域閾值Q=6.148 3，同理可求得頻域閾值，1#樣品待測信號幅值比見表2。

表1 樣品1#的標準信號幅值比Tab.1 Amplitude ratio of standard signals of sample 1#

從表2可以看出1#樣品在識別1#樣品時有6次待測信號識別為同個樣品，1次無法識別，即第3次時域幅值比超出閾值，頻域幅值比低于閾值，說明第3次待測信號采集不夠準確，但由于其他6次采集正確，故最終結果為同個樣品。

表2 樣品1#待測信號幅值比Tab.2 Amplitude ratio of signal to be identified of sample 1#

圖9為1#樣品的標準指紋信號識別2#樣品的待測指紋信號的識別結果。其他樣品間互相識別試驗結果與本次相似，由于數據過多便不一一列出。圖7中待測指紋信號的時域和頻域幅值比均遠高于各自閾值，可以看出一個樣品在識別另一個樣品時，待測信號幅值比遠高于閾值，尤其是頻域部分差異巨大，進一步印證了文獻[5]中超聲背散頻率與晶粒尺寸的關系。

圖9 樣品2#待測指紋標簽Fig.9 The fingerprint label to be tested of 2# sample

從表3中可看出4個樣品均能正確完成互相識別，其中有3個待測信號結果為時域、頻域幅值比一個高于閾值一個低于閾值，因此這3個數據被識別程序剔除，不參與決策，故誤辨次數仍然為0。

表3 樣品互相識別結果Tab.3 Results of mutual identification of samples

識別信號精度較高，在進行自識別時如果待測信號的采集不夠準確會導致信號幅值出現差異，超出閾值就會判斷為不同樣品，若一次待測信號所得幅值比明顯高于其他幾次，則可以說明測量不準確，該次信號應舍棄并重新采集一次。

3.3 不確定度分析

測量結果不確定度一般包含幾個分量，按其數值評定方法,這些分量可歸為兩類：A類 (多次重復測量時) 用統計學方法計算的量；B類用(非統計學)其他方法評定的分量。

A類不確定度由測量數據的試驗標準偏差表征，按照國家檢定規范《JJF1059—1999測量不確定度評定與表示》，A類不確定度計算方法為用式(4)即貝塞爾式計算得到的是試驗標準偏差，然后由式(5)計算 A 類評定的標準不確定度。S(x)為標準差，n為測量次數，uA為A類不確定度，xi為采集的幅值比特征量。

(4)

(5)

以1#陶瓷盤為例，由表1數據代入上式可計算出其時域不確定度uA=0.151，頻域不確定度uA=0.796；時域閾值6.148，頻域閾值36.651，可以看出信號采集的不確定度比閾值低了至少1個數量級，同時也比幅值比低了1個數量級，說明信號采集的不確定程度對識別結果的影響很小，工控機系統采集信號較為穩定，結果可信。同理可以算出其他樣品每次采集信號的不確定度，所得結果基本與1#樣品一致，不確定程度相比閾值和幅值比都小一個數量級，數據采集較為穩定，試驗結果可信。

3.4 其他樣品及識別結果

除上文所用的陶瓷盤樣品外，本文還對陶瓷盒樣品、陶瓷水池樣品和陶瓷罐樣品進行了試驗驗證。樣品圖片見圖10～11。

圖10 陶瓷水池Fig.10 Ceramic cistern

圖11 陶瓷盒與陶瓷罐Fig.11 Ceramic box and ceramic jar

其中各類樣品尺寸為：4個陶瓷水池長約53 cm，寬約38 cm，深53 cm，壁厚約10 mm；3個陶瓷盒，長53 mm，寬53 mm，底厚度為5 mm；3個陶瓷罐，直徑58 mm，底厚為3 mm。經試驗驗證，上述陶瓷樣品均可以正確互相識別。

4 影響因素研究

根據所做試驗得到的經驗，每次信號采集時探頭位置和角度一旦變化，回波信號將隨變化程度的不同而產生不同程度的改變，對于角度考慮到實際應用難以做到每次角度都保持一致，故進行了適應性試驗，結果是待測信號和標準信號采集時均隨機旋轉±5°后，仍能達到準確識別要求，旋轉±10°后雖也能準確識別各種樣品，但其幅值比變化范圍很大，容易發生誤辯。因此保守起見，采集信號時要提前規定一個基準方向，探頭可以在此基準上旋轉±5°。圖12為1#樣品測試探頭分別旋轉0°、5°和10°的時域信號圖，前6個回波信號三者基本一致旋轉10°的回波峰值略低于其他兩個，區別主要體現在尾波細節信息，探頭旋轉后掃查區域也同步旋轉，但實際情況下的掃查區域并非理想條件下的對稱聲場，因此超聲在樣品中的散射也會因旋轉而發生微小變化，旋轉10°后高次回波信號的差別更加明顯。

圖12 不同角度時域信號Fig.12 Time-domain signal of different angles

位置固定相比于角度固定容易，雖然探頭位置可以有5 mm的偏移框量，但同樣會降低識別準確度，故規定基準位置后探頭應盡量準確的放在基準位置，稍微有偏差不會影響識別。

探頭上方需加一重物壓住使信號穩定，經試驗驗證，信號在200 g，250 g，300 g，400 g的壓力下均一致，因此不小于200 g即可滿足要求，過重的壓塊既不方便攜帶又容易損傷探頭。

試驗過程中發現如果物體底面有水，則信號會發生很大改變，因為水是耦合劑，平時超聲達到物體底面時由于阻抗不匹配，無法穿過空氣達到放置物體的桌面，而一旦底面有水就會將物體底面與桌面進行耦合，使超聲穿過從而改變回波信號。為此本文做模擬了不同放置面的試驗，在桌面覆蓋一條干毛巾和濕毛巾，探究不同底面邊界的識別效果。相對于光滑質密堅硬的桌面邊界條件，干毛巾模擬的是粗糙疏松柔軟的邊界條件。結果表明物體在干毛巾上試驗不影響識別，而在濕毛巾上的試驗出現多次誤辯。

5 結 論

本文介紹了在基于虛擬儀器的陶瓷器件超聲指紋防偽識別技術研究方面的工作。目前實現的陶瓷器件超聲防偽識別的虛擬儀器系統，由超聲檢測卡和超聲檢測虛擬儀器軟件構成。試驗測試表明，該虛擬機系統可以完成對外觀完全相同的陶瓷器件的識別且效果穩定可靠，實現了試驗系統的各項功能。因此可以認為，該技術能夠實現各類型材料和結構的有效識別。同時，該系統的開發也為進一步實現超聲防偽識別系統的智能化、自動化、一體化、小型化奠定了良好的基礎。