相位编码脉冲压缩方法在空气耦合超声检测信号处理中的应用_周正干
图2 巴克码信号的相位编码脉冲压缩过程
1
1.1
基本原理
相位编码脉冲压缩技术基本原理 常用的相位编码方式有互补格莱码、巴克码、 M 序列、Taylor 码、弗兰克码等[12]，选择相位编码
根据巴克编码信号的相关特性，其子脉冲回波 具有巴克码信号的自相关函数特征。当输入信号为 标准13位巴克码信号时，其自相关函数的主瓣与旁 瓣幅值之比为13:1，因此理论主副比可达22.3 dB， 取脉冲压缩信号主瓣幅度一半处的时宽为主瓣脉宽 Thalf，由于T = 13·Tc，且Thalf = Tc，因此压缩比 D=T/Thalf =13。 假设参考信号为 u (t ) ，是由N个紧连着的子脉
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*
前言
空气耦合超声检测技术是以空气作为耦合介 质的非接触超声无损检测方法，已在多个领域得到 推广应用，是材料缺陷检测及材料特性分析的有效
国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金资助项目 (201214)。 xxxxxxxx 收到初稿，xxxxxxxx 收到修改稿
手段[1-2]。 由于该技术面临因超声信号在气固界面反 射率高、透射率低而导致的接收信号信噪比差的问 题， 大大影响了实际检测结果的可靠性和检测精度， 国内外主要从新型空气耦合超声换能器的研制及数 字信号处理技术这两个方向开展研究。近 20 年来， 多种空气耦合超声换能器换能材料及匹配材料被研 发出来， 使得超声换能效率及灵敏度获得显著提升， 并发展出多种频率在 50 kHz～2 MHz 范围的高效率
s
月 2013 年 3 月
刘兴天等：激励幅值及载荷对准零刚度隔振器特性的影响
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冲组成的宽脉冲信号，与参考信号相关的接收信号 为 x ( t ) ，对接收信号进行脉冲压缩处理过程如图3 所示。基于相关性原理可知，二相关信号的相位编 码脉冲压缩过程实际上是接收信号 x ( t ) 与参考信号 的匹配滤波器进行卷积运算。 为提高数据处理速度， 达到对信号实时处理的目的，一般对接收信号与匹 配滤波器在频域点积，经过傅里叶逆变换获得时域 脉冲压缩信号，其中匹配滤波器的频率特性函数实 际上是参考信号(即相位编码信号)频谱的共轭。
Application of Phase-encoded Pulse Compression Method to Air-coupled Ultrasonic Testing Signal Processing
ZHOU Zhenggan MA Baoquan SUN Zhiming JIANG Jingtao
的依据是其自相关函数旁瓣幅值足够小，使主瓣与 旁瓣的比值(即主副比)尽可能大。巴克码信号是 50 年代初 BARKER 提出的一种具有特殊规律的二进 制码组，是一个非周期序列，且其码元只能取+1 或 -1， 该信号具有良好的自相关特性及噪声抑制特性， 被认为是一种获得最小时域旁瓣的有效编码方式[13, 14] 。常见巴克码编码方式有 5 位、7 位、11 位及 1 3 位等， 典型 5 位巴克码编码序列 Ck = {1 1 1 -1 1}， 13 位巴克码编码序列 Ck ={1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1}， 码元为正弦的巴克码信号如图 1 所 示。 与连续的线性、 非线性调频脉冲压缩技术不同， 相位编码调制信号是离散伪随机信号，可以看成由 N 个宽度为 Tc 的子脉冲组成，其时宽 T=N·Tc，二 相编码信号的频谱函数主要是由子脉冲函数的频 谱决定[15]，其带宽近似等于子脉冲的带宽，即 B≈ 1/Tc，因此时宽带宽积 D=T·B=N，可知 13 位巴克 码信号的时宽带宽积 D 为 13，当改变时宽(或带宽) 时，带宽(或时宽)相应发生变化，时宽带宽积 D 保 持不变。
5位Barker码 + + + +
13位Barker码 + + + +
+
-
-
+
+
-
+
-
+
Tc T
图1
码元为正弦的 5 位及 13 位巴克码编码信号
相位编码脉冲压缩过程通常采用时域卷积方 法实现， 以二相5位巴克码为例， 其相位编码脉冲压 缩过程(即求其自相关函数)如图2所示。
5位Barker码 1 1 1 -1 * 1 1 1 -1 1 = 1 0 1 0 1 5 0 1 0 1 自相关函数
网络出版时间：2013-06-25 12:57 网络出版地址：/kcms/detail/11.2187.TH.20130625.1257.010.html
机械工程学 Nhomakorabea报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
相位编码脉冲压缩方法在空气耦合超声检测信号 处理中的应用*
周正干 马保全 孙志明 姜靖涛
(北京航空航天大学机械工程及自动化学院 北京 100191)
摘要：由于声波在空气介质中的衰减及气固界面巨大声阻抗差导致空气耦合超声透射信号信噪比差，大大影响检测结果的可 靠性及缺陷定量精度。针对上述问题，基于雷达系统相位编码脉冲压缩技术的基本原理讨论匹配滤波器的设计及其在空气耦 合超声检测中的实现，分析不同巴克码信号、带宽及载波周期数对脉冲压缩效果的影响，并以玻璃纤维复合材料 (Glass fiber reinforced polymer，GFRP)试样为对象，对比了用单频正弦及相位编码脉冲压缩方法获得的透射超声信号信噪比及 C 扫描缺 陷定量精度。试验结果表明选择换能器中心频率作为 13 位巴克码信号带宽时，脉冲压缩信号主瓣脉宽最小、幅值最大；相 位编码脉冲压缩后超声信号信噪比较单频信号提高了 12.4 dB，缺陷边缘更清晰且定量精度较单频信号提高了 12%。说明在 空气耦合超声检测中采用相位编码脉冲压缩技术能显著提高接收信号信噪比及缺陷定量精度。 关键词：相位编码 脉冲压缩 中图分类号：TB553 空气耦合超声 无损检测 信号处理 复合材料
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机 械 工 程 学 报
第 49 卷第 6 期期
空气耦合超声换能器[3]， 大大促进了该技术的发展。 现代数字信号处理技术是除换能器技术之外促进空 气耦合超声检测技术向应用领域推进的又一重要方 向，尤其以应用于雷达信号处理的脉冲压缩技术最 具代表性，该技术已被验证是提高空气耦合超声信 噪比的有效手段。 雷达系统中为提高可检测范围及距离分辨率， 一般需要发射高能量的窄脉冲信号，由于受到设备 峰值功率的限制，必须增大激励信号时宽，这势必 造成检测信号的距离分辨率明显下降。脉冲压缩技 术基于相关运算实现了从大时宽带宽积信号向小时 宽、高幅值信号的转换，有效解决了雷达距离分辨 率与平均功率之间的矛盾，是现代雷达广泛采用的 信号处理方法[4-6]。 由于空气耦合超声检测过程与雷 达系统类似，面临因信号衰减导致的信噪比差、信 号分辨率下降的问题，具有诸多优异特性的脉冲压 缩技术为空气耦合超声信号信噪比的提高提供了有 效参考手段。常用的脉冲压缩处理方法主要包括频 率调制脉冲压缩技术和相位调制脉冲压缩技术。频 率调制脉冲压缩技术已经在超声检测领域获得非常 成功的应用效果(线性调频[7]、非线性调频等[8])，尤 其在医学高精度超声成像方面得到验证 [9]。但频率 调制脉冲压缩的处理过程复杂，匹配滤波器输出响 应的旁瓣较高，影响了系统整体性能，相位编码脉 冲压缩信号具有大的等效带宽，编码信号容易产生 且压缩处理非常简便，已成为广泛认可的脉冲压缩 处理方法[10-11]。 为了利用相位编码脉冲压缩技术来提高空气 耦合超声信号信噪比，从相位编码脉冲压缩技术的 基本原理出发，设计了匹配滤波器并通过编制上位 机 C++算法实现了超声信号的相位编码脉冲压缩实 时处理。通过试验分析了码元为正弦 5 位、7 位、 11 位、 13 位巴克码信号作为空气耦合超声换能器激 励信号时的脉冲压缩信号主副比变化情况，讨论了 带宽 B 及 13 位巴克码载波周期对脉冲压缩效果的 影响。最后，以模拟夹杂缺陷的玻璃纤维复合材料 (Glass fiber reinforced polymer， GFRP)试样为检测对 象， 通过 A 型信号信噪比对比和 C 扫结果的缺陷定 量精度分析，验证了相位编码脉冲压缩方法在空气 耦合超声检测中的实际应用效果。
(School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191)
Abstract：The experiment reliability and defect quantification accuracy of air-coupled ultrasonic testing were highly affected by the bad SNR(signal to noise ratio) of the through transmitted signal because of the high damped medium property in air and giant mismatch of acoustic impedance in air-solid interface. To deal with these handicaps, the matching filter design and its implementation in air-coupled ultrasonic inspection based on the theory of phased-encoded pulse compression were discussed. Influences of different sequences, bandwidth and cycles of Barker code on pulse compressed results were analyzed either. SNR of the through-transmitted signal and defect quantification accuracy of C-scan results on glass fiber reinforced polymer(GFRP) specimen were compared using single frequency excitation and pulse compression method, respectively. The results showed that the smallest time width and peak amplitude of the main lobe were acquired using central frequency of the transducer as bandwidth of Barker code. Using phase encoded pulse compression method, the SNR of the through-transmitted signal was increased about 12.4dB; the quantification accuracy was increased about 12% compared to the single frequency excitation, and the edge of the defect was better highlighted. The results represented that the SNR of the through transmitted signal and defect quantification accuracy were apparently increased by using phase-encoded pulse compression method in air-coupled ultrasonic testing. Key words ： Phase-encoded Pulse compression Air-coupled ultrasound Non-destructive testing Composites Signal processing
Taylor四相编码信号脉冲压缩算法优化与仿真
Taylor四相编码信号脉冲压缩算法优化与仿真
宋晓婷;吴桂生;郁俊江
【期刊名称】《舰船电子工程》
【年(卷),期】2006(026)006
【摘要】通过对Taylor四相编码信号的研究,分析了其优缺点,并根据其不足和雷达信号处理中的实际情况,提出多普勒频率多通道补偿法和频域旁瓣抑制法,并进行仿真.仿真结果表明,这两种方法是可行的,较好地改善Taylor四相编码信号的脉冲压缩性能.
【总页数】4页(P160-163)
【作者】宋晓婷;吴桂生;郁俊江
【作者单位】海军工程大学,武汉,430033;海军工程大学,武汉,430033;海军工程大学,武汉,430033
【正文语种】中文
【中图分类】TN91
【相关文献】
1.线性调频、非线性调频及相位编码信号脉冲压缩处理研究 [J], 胡双雄;王文军
2.编码信号的脉冲压缩技术及实现 [J], 张宏伟;任新涛;汤宫民;孟军
3.多载频相位编码雷达信号自适应脉冲压缩方法 [J], 夏阳;宋志勇;卢再奇;付强
4.相位编码脉冲压缩方法在空气耦合超声检测信号处理中的应用 [J], 周正干;马保全;孙志明;姜靖涛
5.基于相位编码脉冲压缩技术的船舶物联网信号处理及其优化 [J], 李新
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相位编码信号的脉冲压缩及旁瓣抑制的开题报告
相位编码信号的脉冲压缩及旁瓣抑制的开题报告
1. 研究背景
相位编码信号（Phase-Coded Signal，PCS）是一种数字通信技术，常用于雷达通信、地震勘探等应用中。
PCS的主要特点是信号带宽窄、能量集中于信号波形中，对于抗干扰性和抗多径性能够。
然而，PCS也存在着脉冲压缩和旁瓣抑制的问题，影响了信号的捕获和识别。
2. 研究目的
本论文旨在研究相位编码信号的脉冲压缩和旁瓣抑制技术，探索有效的信号处理方法以提高PCS信号的抗干扰性和抗多径性能。
3. 研究内容
本论文将对相位编码信号的脉冲压缩和旁瓣抑制技术进行深入研究，包括以下内容：
(1) PCS信号的基本特性及传输过程中的损失和失真情况分析；
(2) 常用的PCS信号处理算法和技术，包括线性和非线性滤波、匹配滤波、小波变换等方法，并进行比较和分析；
(3) 针对不同模型下的PCS信号，设计实验并进行仿真、测试、分析和优化，得到合适的信号处理算法和技术；
(4) 对改进后的PCS信号处理方法进行性能评估和实验验证，验证其抗干扰性和抗多径性能是否得到提高。
4. 研究意义
本论文的研究成果可应用于雷达通信、地震勘探、无线通信等领域中相位编码信号的处理，可提高信号捕获和识别的准确率、速度和稳定性，具有重要的实际应用价值。
5. 研究方法
本论文采用理论分析和实验验证相结合的方法，以多种PCS信号为对象进行研究和实验，进行实验仿真、性能评估、数据分析和算法优化等步骤，得到的成果将通过数据可视化和文本叙述进行展示和分析。
脉冲压缩技术在相干激光探测中的应用
（ Ｋ ｅ ｙ ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ — ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ １ ５ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
・ 激 光应用 技 术 ・
脉 冲压 缩 技 术 在 相 干 激 光 探 测 中 的应 用
熊文 龙 ， 陈念江 ， 眭晓林 ， 刘 波 ， 颜 子恒
（ 固体激光技术重点实验室 ， 北京 １ ０ ０ ０ １ ５）
摘 要 ： 针对 宽脉 冲相 干激 光 雷达信 号处 理遇 到测 距精度 差 的问题 ， 将 脉冲 压 缩算 法 引入到 相 干 激光 雷达 信号处 理 中。 文章 首先 对脉 ） 中 压 缩相 干 激 光 雷达 测 距原 理 和 精度 进 行 理 论 分析 ，
Ｐｕ ｌ ｓ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｉｏ ｔ ｎ
ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｈｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｉｏ ｔ ｎ
通过仿真实验验证该理论 正确性。仿真结果表 明采用脉） 中 压缩 的信号处理方法可 以实现测
距， 并且可 以提 高测 距距 离和 测距 精度 ， 为 以后相 干 激光 雷达 测距提 高 作用 距 离与测 距精度 提
供 了重要 的理论 依据 。 关 键词 ： 相 干 激光 雷达 ； 脉 冲压 缩 算 法； 信 号处理 ； 匹配滤 波 中图分 类号 ： Ｔ Ｎ ２ ４ ９ 文 献标 识码 ： Ａ Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ － ５ ０ ７ ８ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ２ ． ０
巴克码相位调频脉冲压缩
巴克码相位调频脉冲压缩
巴克码相位调频脉冲压缩是一种常用的信号处理技术，常用于雷达系统、通信系统等领域。
在这种技术中，巴克码是一种特殊的二进制序列，具有良好的自相关性和互相关性特性，能够实现信号的压缩和解压缩。
巴克码相位调频脉冲压缩的基本原理是利用巴克码序列的自相关性，将发射信号与巴克码序列进行相关运算，从而实现信号的压缩。
具体来说，巴克码序列的自相关性使得与其相关的信号在相关运算后得到较大的输出，而与其不相关的信号则得到较小的输出，从而实现信号的压缩。
压缩后的信号具有较窄的脉冲宽度，能够提高信号的分辨能力和抗干扰能力。
在实际应用中，巴克码相位调频脉冲压缩常用于雷达系统中。
通过将发射信号与巴克码序列进行相关运算，可以实现雷达信号的压缩，提高雷达系统的距离分辨率和目标探测性能。
此外，巴克码相位调频脉冲压缩还可以用于通信系统中，提高通信信号的抗干扰能力和传输效率。
总的来说，巴克码相位调频脉冲压缩是一种重要的信号处理技术，具有广泛的应用前景。
通过巴克码相位调频脉冲压缩技术，可以实现信号的压缩和解压缩，提高信号的性能指标，为雷达系统、通信系统等领域的应用提供技术支持。
4.空气耦合超声检测技术
0
10
20 30 频率/MHz
40
50
1.5 信号幅度 1 0.5 0
幅值 /V
0
0.5 时间/μ s
1
0
10
20 30 频率/MHz
40
50
相关研究及其成果
空气耦合超声激励与接收技术（窄脉冲激励）
窄脉冲影响接收信号的主要参数
/ m V 回 波 峰 值 10 8
激励脉冲高度
z
n+1 vz i+1/2,k p
n+1/2 z i+1,k vx i+1,k-1/2
n+1
i+1/2,k-1/2 vz
x
i-1/2,k-1 i,k-1 i+1/2,k-1 i+1,k-1 n n n 1 / 2 pi 1/ 2,k 1/ 2 pi 1/ 2,k 1/ 2 n 1/ 2 离散点交叉配置 v v x x i , k 1 / 2 i ,k 1/ 2 0 x / t n 1 / 2 pin1/ 2,k 1/ 2 pin1/ 2,k 1/ 2 n 1/ 2 v z i 1/ 2,k v z i 1/ 2,k 0 z / t n 1 / 2 n 1 / 2 n 1 / 2 n 1 / 2 vx i 1/ 2,k 1/ 2 vx i,k 1/ 2 vz i 1/ 2,k vz i 1/ 2,k 1 n n 1 pi 1/ 2,k 1/ 2 pi 1/ 2,k 1/ 2 2 2 x / 0 c0 T z / 0 c0 t
X轴位移 /mm
换能器5周期激励时中轴面声压分布
Z轴位移 /mm
0 5 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 1 0.5 0
4.空气耦合超声检测技术
Filter& amplifier
Exciting source
FS
幅度
B1
B2
W1 W 2
Signal processing
Synchronizer
典型的穿透式空气耦合超声检测原理
常规水浸底波衰减法原理
时间
空气耦合超声检测技术的基本原理
常用的空气耦合超声检测方法
穿透法 空气耦合超声穿透式检测方法与常规超声穿透法类似，发 射换能器和接收换能器分别置于试件两侧。通常两换能器轴线 重合，与试件垂直。该方式也是空气耦合超声无损检测中应用 最普遍的一种。
F x x n n F Fi ,k 1 / 2 Fi ,k 1 / 2 z z n 1 / 2 1 / 2 Fin F Fi ,k ,k t t Fin 1 / 2,k Fin 1 / 2,k
n+1 n+1/2 vz i-1/2,k p i-1/2,k-1/2 vz i,k vx i,k-1/2 n+1/2
1 0.5 0 0
1.5 幅值 /V 1 0.5 0 1.5 1 0.5 0
信号幅度 0 .5 /μs 时间 1
窄脉冲的频率选择性
幅值 / V
1.5
10 .5 10 9 .5
x10
9 0
0.2 信号幅度 0.15 0.1 0.05
10
20 30 /MHz 频率
40
50
0
0.5 /μ s 时间
1
0
d(x)=0
d(z)=0
d(z)=0
z
1 3c d ( x) log 0 R 2
x
4
基于频率–相位编码信号激励的焊缝超声检测分析
基于频率–相位编码信号激励的焊缝超声检测分析张佳莹1， 丛 森2， 刚 铁1， 林尚扬1,3(1. 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001；2. 中国工程物理研究院电子工程研究所，绵阳 621900；3. 哈尔滨焊接研究院有限公司，哈尔滨 150028)摘 要： 焊接结构在工业领域的应用十分广泛，常应用于复杂结构中，对焊接质量要求较高，需要高时间分辨率的超声检测方法检测焊缝内部缺陷. 为了提高检测结果的时间分辨率，将雷达领域的编码激励与脉冲压缩技术引入焊缝检测中，提出一种基于幅度加权频率调制的相位编码激励检测方法，该方法的激励信号为幅度加权的线性调频信号与巴克码信号的复合. 结果表明，相同带宽下，与线性调频信号和巴克码激励的检测结果相比，所提出的激励方法检测结果的时间分辨率较高，同时，有效降低了调频带宽对检测结果的影响.关键词： 超声检测；编码激励；脉冲压缩；线性调频；巴克码中图分类号：TG441.7 文献标识码：A doi ：10.12073/j .hjxb .20183901650 序 言焊接结构在压力容器、高速铁路等领域的应用十分广泛，但是焊缝缺陷影响了焊接结构性能[1-2].因此，焊接结构在生产和服役时需要测量缺陷的大小和位置，从而判断焊接结构在使用时是否安全可靠. 采用超声检测焊缝时，需要读取接收信号对应时间轴的位置再结合声速等信息计算缺陷位置和尺寸. 为了更精确地测量缺陷，需要减小接收信号在时间轴的宽度，即提高检测结果的时间分辨率.在传统窄脉冲激励的超声检测中存在时间分辨率与声波传播距离间的矛盾. 针对这一矛盾，将雷达领域的编码激励和脉冲压缩技术引入超声检测中，在超声检测中常用的编码信号有线性调频(linear fre -quency modulation, LFM)、巴克码(Barker)信号等.Sanchez 和Mohamed 等人[3-4]在医学超声成像、混凝土超声检测领域引入LFM 编码激励，结合脉冲压缩技术，有效地提高了检测结果的分辨率.Li 等人[5]在钢板的穿透检测中采用LFM 编码激励，提高了超声检测的时间分辨率. Gang 等人[6-8]在焊缝的TOFD 超声检测中采用LFM 编码激励，提高了检测结果的信噪比、降低了缺陷位置的测量误差. 虽然LFM 编码激励的超声检测方法能够提高检测结果的时间分辨率，但是LFM 编码激励检测结果时间分辨率受到调频带宽的影响较大，同时旁瓣水平较高. 为了抑制旁瓣水平，减小调频带宽对检测结果的影响，有学者将相位编码信号Barker [9-10]、格雷码(Golay)[11]等引入超声检测中，但是与LFM激励相比，相位编码激励的时间分辨率较低.针对上述问题，提出一种基于幅度加权频率调制的相位编码激励超声检测方法，通过对比该方法与LFM, Barker 激励超声检测方法在理论和仿真试验中的结果，分析该方法在焊缝超声检测中应用的优势. 同时，采用焊缝超声B 扫描试验分析所提出的方法在实际焊缝检测中应用的适用性.1 编码激励信号的设计与评价所提出的基于幅度加权频率调制的相位编码激励超声检测方法中的激励信号为幅度加权的LFM 信号(AMLFM)与Barker 信号的复合，将AMLFM 信号应用于Barker 信号的每一个子脉冲中，该激励信号被称为AMLFM+Barker 信号. 下面将介绍AMLFM+Barker 信号的设计过程、脉冲压缩算法及对该信号的评价.1.1 AMLFM+Barker 编码信号的设计AMLFM+Barker 信号的表达式为s B 13(t )s LFM (t LFM )式中：为13位Barker 信号；为收稿日期：2017 − 11 − 27基金项目：国家自然科学基金资助项目(51575134，51705484，51175113)第 39 卷 第 7 期2018 年 7 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol .39(7):007 − 011, 041July 2018window(n )n =1,2,···,N N s LFM (t LFM )s B(t )LFM 信号；是窗函数；，是信号的长度. 在时域的表达式为f 0α(t )φ(t )式中：为Barker 信号的载波频率；和的表T P P P =13s LFM (t LFM )T P f 0式中：是Barker 信号子脉冲的时间宽度；是Barker 信号的码长，. 为时间宽度为；载波频率为的LFM 信号，其表达式为t LFM ∈[0T P ]式中：B 是LFM 信号的调频带宽；.未经幅度加权的LFM+Barker 信号的表达式为window(n )选用blackman 窗作为幅度加权的窗函数，blackman 窗函数的表达式为R N (n )R N (n )=1,0,n =1,2,···,N其它式中：为矩形窗，.1.2 AMLFM+Barker 信号的脉冲压缩算法Y基于幅度加权频率调制的相位编码信号AMLFM+Barker 的脉冲压缩过程包含两部分，与Barker 信号的匹配滤波及与LFM 的失配滤波.AMLFM+Barker 信号匹配滤波输出为H matched Y mismatched 式中：为匹配滤波器响应；R 为相关运算.AMLFM+Barker 信号失配滤波输出为H mismatched Y mismatched 式中：为失配滤波器响应. 即为LFM+Barker 信号的脉冲压缩输出. 图1为时宽4 μs ，带宽5 MHz 的AMLFM+Barker 信号的脉冲压缩输出结果，采用主瓣–6 dB 的时间宽度(main lobe width,MLW)和峰值旁瓣水平(peak sidelobe level, PSL)作为评价时间分辨率的标准，MLW 越窄，PSL 越低，时间分辨率越高. PSL 定义为图1b 给出了测量计算脉冲压缩输出结果的MLW 和PSL 的方法.1.3 编码信号的评价f 0=5MHz f 0f 0在上两小节中介绍了频率调制的相位编码信号的设计方法和脉冲压缩算法，下面将通过对比LFM ，Barker ，LFM+Barker 及AMLFM+Barker 的脉冲压缩输出结果，分析评价AMLFM+Barker 信号.当载波频率，脉冲时间宽度PT P =3 μs ，调频带宽B 从30%到150%变化时，四种信号脉冲压缩结果的对比如图2所示.从图2的MLW 和PSL 的对比看出，相比于LFM, Barker 及LFM+Barker 三种信号，AMLFM+Barker 信号的脉冲压缩输出结果具有较小的MLW 和较低的PSL . 因此，在四类编码信号中，AMLFM+Barker 信号的脉冲压缩输出时间分辨率最高.f 0f 0从图2a 中可以看出，随着调频带宽的增加，LFM ，LFM+Barker 及AMLFM+Barker 脉冲压缩结果的MLW 逐渐减小. 当调频带宽从30%到150%变化时，LFM 脉冲压缩输出结果MLW 从0.57 μs 变化到0.12 μs ，减小了78.9%；LFM+Barker 脉冲压缩输出结果MLW 从0.22 μs 变化到0.12 μs ，减小了45.5%；AMLFM+Barker 脉冲压缩输出结果MLW 从0.15 μs 变化到0.13 μs ，减小了13.3%. 从图2b图 1 AMLFM+Barker 信号脉冲压缩输出结果Fig. 1 AMLFM+Barker signal pulse compression output8焊 接 学 报第 39 卷中可以看出，随着调频带宽的增加，LFM 脉冲压缩输出结果PSL 从–31.5 dB 变化到–26.9 dB ，增加了4.6 dB ，LFM+Barker 及AMLFM+Barker 脉冲压缩结果PSL 均在–42.9 dB 到–44.5 dB 间变化，变化幅度较小. 因此，调频带宽对AMLFM+Barker 脉冲压缩输出结果的影响较小，而对LFM 脉冲压缩输出结果的影响较大.2 仿真结果与分析通过对比几种编码激励信号在理论上的脉冲压缩结果，得知AMLFM+Barker 的脉冲压缩输出结果时间分辨率最高且受到调频带宽的影响较小.下面将通过仿真试验进一步地分析AMLFM +Barker 在焊缝超声检测中的性能，在仿真中将会考虑探头带宽限制、声波在工件中传播衰减等因素，更加接近焊缝的实际检测情况.利用Matlab 软件的K-wave 工具箱仿真声波在钢中的传输过程. 当声波经过耦合介质传入钢中，以及在传输过程中经过不同介质时发生的折射、衍射等，都将引起声密度、声压等参数的改变，这些改变可以通过几个相互耦合的一阶偏微分方程描述，即µp ρρ0c d L 式中：是声粒子速度；是声压；是声密度；是介质密度；是声速；是声粒子位移；是线性积分运算符[12].仿真采用穿透的超声检测方法，因此仿真中采用两个相同的探头，且探头几何中心在一条直线上.试件为20 mm 厚碳钢板，其主要参数为纵波声速5 900 m/s ，横波声速3 230 m/s ，密度7 900 kg/m 3，仿真模型如图3所示. 在仿真中，为了避免周围环仿真试验采用穿透检测方法，所用的探头与实际检测时的探头一样，有带宽的限制，即探头类似一个带通滤波器，只响应其带宽范围内激励信号的频率，故探头的带宽对脉冲压缩输出有一定的影响.仿真时采用中心频率为5 MHz ，–6 dB 频谱带宽为3.8 MHz 的探头，激励信号为AMLFM+Barker 与LFM+Barker ，LFM ，带宽为1，2，3，4 MHz ，时宽为4 μs ，初始压力为10 Pa . 检测结果如表1所示.由表1可以看出，由于探头带宽的限制，LFM ，LFM+Barker 及AMLFM+Barker 激励的检测结果MLW 比理论值有所增加. 三种激励方式中，AMLFM+Barker 激励的MLW 最小. 随着调频带宽的增加，LFM, LFM+Barker 及AMLFM+Barker 激励检测结果的MLW 分别减小了71.9%，15.4%及5.3%. 因此，在探头带宽限制下，AMLFM+Barker 激励检测结果受到调频带宽的影响最小，时间分辨率最高. 当调频带宽为2 MHz 时，LFM, LFM+Barker 及AMLFM+Barker 激励的超声检测结果对比如图4所示.图 2 四种编码信号脉冲压缩输出结果对比Fig. 2 Comparison of pulse compression output resultsfor four kinds of coded signals空气耦合介质探头探头碳钢试件完美匹配层20图 3 仿真模型(mm)Fig. 3 Simulation model第 7 期张佳莹，等：基于频率–相位编码信号激励的焊缝超声检测分析9从对比结果中可以看出，在相同调频带宽下，相比于LFM+Barker 和LFM 激励的检测方法，AMLFM+Barker 激励的主瓣宽度最小；相比于LFM 激励的检测方法，AMLFM+Barker 和LFM+Barker 激励的旁瓣峰值水平较小. 综合主瓣宽度和旁瓣峰值水平，AMLFM+Barker 激励的超声检测方法性能最优，该激励方法更适用于焊缝超声检测.3 试验结果与讨论试验中所用试件为带垫板V 形坡口焊缝，该焊缝为V300-Zefiro 转向架构架的典型对接焊缝，母材为20 mm 厚S355J2C+N 钢板，焊接方式为半自动熔化极活性气体保护焊，焊缝的坡口形式和焊道分布如图5所示.在仿真试验中，相比于LFM+Barker 和LFM激励超声检测方法，AMLFM+Barker 激励的超声检测结果时间分辨率最高，下面将对比以上几种激励方法和传统窄脉冲激励的焊缝超声检测结果，分析AMLFM+Barker 激励方法在焊缝实际检测中应用的性能.在焊缝实际检测试验中，采用B 扫描方法检测对接焊缝试件，在焊缝区域距离检测表面10 mm 深处加工了直径为1 mm 的横孔缺陷，检测示意图如图6所示.采用AMLFM+Barker 激励的试验流程如图7所示. AMLFM+Barker 信号由任意波形发生器发出，经由功率放大器放大后加载到双晶探头上. 超声采集卡采集回波信号，回波信号经过脉冲压缩后即为检测结果.试验所用双晶探头中心频率5 MHz ，-6 dB 带宽3.8 MHz ，钢中入射角度60°. 在试验中分别采用AMLFM+Barker ，LFM+Barker 和LFM 编码激励和传统窄脉冲激励的检测方法，编码信号的调频带宽为3.8 MHz ，时宽为4 μs ，B 扫描检测结果如图8和表2所示. 表2为图8中红色虚线位置(15 mm 位置)的检测结果.图8和表2中可以看出，在焊缝试样的实际检测中AMLFM+Barker 和LFM+Barker 激励方法能够较好地抑制旁瓣水平，比传统窄脉冲激励的旁瓣水平降低了近34 dB . 较低的旁瓣水平在焊缝检测表 1 仿真试验结果Table 1 Simulation results调频带宽B /MHzLFM+Barker 激励主瓣宽度MLW /μsAMLFM+Barker 激励主瓣宽度MLW /μsLFM 激励主瓣宽度MLW /μs10.260.190.8220.250.190.4430.250.180.3040.220.180.23图 4 仿真检测结果对比Fig. 4 Comparison of simulation testing results图 5 焊缝的坡口形式和焊道分布示意图(mm)Fig. 5 Diagram of welding grooves’ forms and types扫描方向图 6 B 扫描检测示意图(mm)Fig. 6 Diagram of B-scan testing图 7 AMLFM+Barker 激励超声检测试验流程图Fig. 7 Chart of AMLFM+Barker coded excitation10焊 接 学 报第 39 卷中可以避免漏检尺寸较小的缺陷. 在四种激励方法中，AMLFM+Barker 激励的主瓣宽度最小，较小的主瓣宽度使得测量焊缝中缺陷的位置和尺寸更加准确. 综合主瓣宽度和旁瓣水平，AMLFM +Barker 激励的超声检测方法的时间分辨率最高.4 结 论(1) 针对提高焊缝超声检测时间分辨率的问题，提出了基于幅度加权频率调制的相位编码信号激励超声检测方法，该方法能够提高检测结果的时间分辨率，较高的时间分辨率可以更加精确地测量焊缝中缺陷的位置及尺寸. 同时，相比于线性调频激励检测方法受到调频带宽的影响较小. 因此，所提出的激励方法对超声检测用探头的限制较少，在探头频谱带宽较窄的情况下，仍然可以提高检测结果的时间分辨率.(2) 在仿真试验中，相比于LFM 激励的检测结果，幅度加权频率调制的相位编码信号激励的检测结果时间分辨率有所提高，受到调频带宽的影响较小，当调频带宽从1~4 MHz 变化时，其时间分辨率的变化近5%，而LFM 激励的时间分辨率的变化大于70%.(3) 在焊缝的超声B 扫描检测试验中，相比于传统窄脉冲激励的检测方法，幅度加权频率调制的相位编码信号激励的检测结果的时间分辨率提高了16.7%，旁瓣水平降低了33.7 dB .参考文献：刘富君, 唐 萍, 凌张伟, 等. 电站锅炉集箱管座角焊缝缺陷安全性分析方法[J]. 焊接学报, 2013, 34(10): 83 − 86.Liu Fujun, Tang Ping, Ling Zhangwei, et al . Study on security ana-lysis method for tube filled weld on power boiler set box[J]. Trans-actions of the China Welding Institution, 2013, 34(10): 83 − 86.[1]高向东, 谢溢龙, 陈子琴, 等. 高强钢焊接缺陷磁光成像分形特征检测[J]. 焊接学报, 2017, 38(7): 1 − 4.Gao Xiangdong, Xie Yilong, Chen Ziqin, et al . Fractal feature de-tection of high-strength steel weld defects by magneto-optical ima-ging[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2017, 38(7):1 − 4.[2]Sanchez J R, Pocci D, Oelze M L. A novel coded excitation schemeto improve spatial and contrast resolution of quantitative ultra-sound imaging[J]. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Con-trol, IEEE Transactions on, 2009, 56(10): 2111 − 2123.[3]Mohamed M, Laureti S, Davis L A J, et al . Low frequency codedwaveform for the inspection of concrete structures[C]//Ultrasonics Symposium (IUS), 2015 IEEE International. IEEE, 2015: 1-4.[4]Li C Z, Shi F, Zhang B. Research on LFM signals in steel materi-als[C]//Piezoelectricity, Acoustic Waves and Device Applications (SPAWDA), 2012 Symposium on. IEEE, 2012: 13-16.[5]Cong S, Gang T, Zhang J. Ultrasonic time-of-flight diffraction test-ing with linear frequency modulated excitation for austenitic stain-less steel welds[J]. Journal of Nondestructive Evaluation, 2015,34(2): 8.[6]Gang T, Sheng Z Y, Tian W L. Time resolution improvement of ul-trasonic TOFD testing by pulse compression technique[J]. Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring, 2012, 54(4):193 − 197.[7]丛 森, 刚 铁, 张佳莹, 等. LFM 激励信号在超声TOFD 检测中的应用[J]. 焊接学报, 2015, 36(2): 63 − 66.Cong Sen, Gang Tie, Zhang Jiaying, et al . Application of LFM ex-citation signals to ultrasonic TOFD test[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2015, 36(2): 63 − 66.[8][下转第41页]表 2 焊缝试样检测结果Table 2 Testing results of weld激励方式主瓣时间宽度MLW /μs峰值旁瓣水平PSL /dBAMLFM+Barker 0.20–42.6传统窄脉冲0.24–8.9LFM+Barker0.29–42.9LFM0.22–22.9012345101520距离 D /mm012345101520距离 D /mm012345101520距离 D /mm 012345101520距离 D /mm (a) AMLFM+Barker 激励(b) 传统窄脉冲激励的结果(c) LFM+Barker 激励(d) LFM 激励图 8 焊缝试样检测结果Fig. 8 Testing results of weld第 7 期张佳莹，等：基于频率–相位编码信号激励的焊缝超声检测分析11(3) 使用平面电极焊接时出现了深度高于100 μm 的深裂纹，而使用球形电极焊接时深裂纹未出现.高的热输入及电极对中度不佳会促进深裂纹的产生.(4) 为了降低点焊接头中液态金属脆裂纹的敏感性，应在保证接头质量的前提下尽量降低点焊过程中的热输入，并且使用球形电极，适当增加电极压力，同时保证电极的对中度.参考文献：刁可山, 蒋浩民, 陈新平. 基于成形特性的宝钢QP980试验研究及典型应用[J]. 锻压技术, 2012, 37(6): 113 − 115.Diao Keshan, Jiang Haomin, Chen Xinping. Research and typical application of QP980 steel produced by BaoSteel based on for-mability[J]. Forging & Stamping Technology, 2012, 37(6): 113 −115.[1]Pouranvari M, Marashi S P H. Critical review of automotive steelsspot welding: process, structure and properties[J]. 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Application of phase coded pulse compression method to air-coupled ultrasonic testing signal processing[J]. Journal of Mechanical Engineering,2014, 50(2): 48 − 54.[10]Rouyer J, Mensah S, Vasseur C, et al . The benefits of compres-sion methods in acoustic coherence tomography[J]. Ultrasonic Imaging, 2015, 37(3): 205 − 223.[11]Firouzi K, Cox B T, Treeby B E, et al . A first-order k-space mod-el for elastic wave propagation in heterogeneous media[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2012, 132(3):1271 − 1283.[12]作者简介：张佳莹，女，1988年出生，博士研究生. 主要研究方向为焊缝的超声检测与评价. 发表论文3篇. Email: zjyhit@通讯作者：刚 铁，男，博士，教授，博士研究生导师. Email: gangt@hit .edu .com第 7 期孔 谅，等：镀锌Q & P980钢电阻点焊接头液态金属脆裂纹的影响因素分析41。
空气耦合式超声波无损检测技术的发展
ｕ ｔ ｓ ｎ ｃｔ ｓｉ ｇｔ ｃ ｎ ｑ ｅｗｉ ｅａ ｐ ｉｄ ｍｏ ｅｗｉ ｅ ｙｉ ｅｆ ￣ｘ ， ｏ ｖ ｒ ｔ ｅ ｈ ｇ ｆ ｃ ｅ ｃ ａ ｓ ｕ ｅ ｒ ｒ ｑ ｉｉ ｏ ｅ ｌ ａ ｏ ｉ ｅ ｔ ｅ ｈ ｉｕ ｌ ｂ ｐ ｌ ｒ ｄ ｌ ｔ ｕ ｅ ｈ ｗｅ ｅ ， ｈ ｉ ｈ ｅ ｉ ｎ ｙ ｔ ｎ ｄ ｃ ｒｉ ａｐ ｅ ｅ ｕ ｓｔ ｆ ｒ ｈ ｒ ｎ ｌ ｅ ｎｈ ｉ ｒ ｓ ｅ ｔ
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第 ４ 第 ６期 ４卷 ２０ 年 ６月 ０８
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空气 耦合 式 超 声 波 无 损检 测 技 术 的发展 木
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空气耦合式超声波无损检测技术的发展
随着显 微机 械加工 技术 的发 展及 高分 子材 料技 术 的进步 ， 效率 、 高 高灵 敏度 的 空气耦 合式超 声 波换 能器
的制作取得了较大突破 － ， ４ 加上低噪声 、 １ 高增益放大器的研制
及与超声波信号特性相适应 的数字信号
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超声 波在 无损 检测 领域 有着 广泛 的应 用但 传统 的检 测方 法需 要使 用专 门的耦 合剂 或 采用水 浸法 来减 少 超声 波在 空气 中传 播 的损失 限制 了它 的适用 范 围 （ 如在 多孔 渗水材 料 、 品 、 品 、 例 食 药 木制 品 、 对水 或其 他耦 合剂 敏感 的场 合 、 在线运 动部 件检 测 、 止接 触 的 医用领 域 等 ） 也很 难 获 得 高 的 检 测速 度 。空气 耦 合 式超 禁 ， 声 波无损 检测技 术 较好地 弥 补 了这方 面 的不 足 ， 其非 接触 、 非侵 入 、 完全 无损 的特 点 特别 是 能够 实 现快 速在
空气耦合超声检测中衰减因素的研究
空气耦合超声检测中衰减因素的研究
周正干;魏东;向上
【期刊名称】《中国机械工程》
【年(卷),期】2010(021)019
【摘要】分析了空气耦合超声检测中的主要衰减因素;采用时域有限差分法进行数值计算和仿真,研究了换能器脉冲声场特性及扩散衰减特性;通过测量试验获得了实际换能器脉冲声场的声压分布情况,并与理论计算结果进行了对比分析,获得了换能器的远场区距离衰减特性;根据气固界面透射原理,分析了超声波穿透试样的界面损失;通过实际检测试验分析了斜入射角度与透射系数之间的关系.研究结果为空气耦合超声检测方案的制定和参数选取提供了指导依据.
【总页数】5页(P2350-2354)
【作者】周正干;魏东;向上
【作者单位】北京航空航天大学,北京,100191;南昌航空大学航空检测与评价航空科技重点实验室,南昌,330063;北京航空航天大学,北京,100191;北京航空航天大学,北京,100191
【正文语种】中文
【中图分类】TB553
【相关文献】
1.空气耦合式超声检测在航空无损检测中的应用 [J], 崔治;彭楚武
2.相敏检波在空气耦合超声检测中的应用 [J], 魏东;周正干
3.相位编码脉冲压缩方法在空气耦合超声检测信号处理中的应用 [J], 周正干;马保全;孙志明;姜靖涛
4.改进的非线性调频脉冲压缩方法在空气耦合超声检测中的应用 [J], 魏东;周正干
5.线性调频脉冲压缩方法在空气耦合超声检测中的应用研究 [J], 周正干;魏东;向上因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。