基于累加平均的超声C扫信号降噪方法研究_田竞红.pdf

科技视界Science&Technology VisionDOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.30.06基于累加平均的超声 C 扫信号降噪方法研究田竞红（长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南 长沙410000）【摘要】工 件内 部 缺陷在其 形 成初 期，尺寸 较 小，因 此 难 以使 用超声C扫描 成 像 技 术 获 得 其 高 精 度 成 像。本 研 究开展了 基 于 累 加 平均 技 术的超 声C扫信号 降噪 方法，探 究累 加平 均 次数 对 降噪 效 果 的 影 响。为 了 验 证 该 方 法 的 有 效性，对 直径1mm平底 孔 缺陷的 多 次 水 浸超声C扫 实验 信 号进 行 处 理，研 究 结 果 表 明：此 方 法 能 够 提 高 回 波 信 号 的 信 噪比和超 声C扫 图像 的成 像 效果。【关 键词】超 声C扫成像；累 加 平均 技术；信 噪比；降 噪21 世纪汽车、船舶、工程机械、核电设备、飞机等行业的高速发展，对产品的制造精度和可靠性提出了新的高度1。超声 C 扫成像经过几十年的发展，被广泛运用于各种缺陷检测中，具有定位准确、成本较低、自动化检测、对人体无害和可靠性强等优点。但是在裂纹或缺陷产生初期，其尺寸较小，难以使用超声 C 扫描成像技术对材料中的裂纹或缺陷进行高精度的成像2。目前已有多种信号处理技术，被用于提高信号的质量3。在其他领域中，学者们提出了一种累加平均技术能有效提高周期性信号信噪比。李昂4利用累加平均技术提高水下微弱回波信号的信噪比。潘冬阳5等人为提高高速信号采集系统中由于噪声过大而信噪比较低的问题，讨论了利用累加平均技术解决此问题的过程。周倩婷6等人通过多次采用累加平均技术得到信噪比随采用累加平均次数的平方根增长。累加平均技术能够有效地提高信号信噪比，在多个领域都有广泛的运用。本研究主要利用累加平均技术对超声 C 扫信号进行降噪处理。1累加平均理论及算法累加平均技术主要用于处理有效信号具有周期性，噪声信号具有随机性的情况中。若将此技术运用于超声检测中，回波信号可以表示为4：x（t）=s（t）+n（t）（1）式中：x（t）为接收到的回波信号；s（t）为回波信号中的有效信号；n（t）为回波信号中的随机噪声。在超声 C扫成像中，可以将在同一环境和实验设置下连续多次扫描采集到的超声回波信号看作为周期性信号。因此将多次信号进行累加，可以表示为：x（ti+jt）=s（ti+jt）+n（ti+jt）（2）式中：s（ti）表示第 i 次扫描时的有效信号，其中 i=1，2，3，4，；t 表示将每一次扫描接收到的超声信号等间隔划分成 j 段时，每一段的时间间隔。由于有效信号具有周期性，所以有效信号只与 i 有关，而噪声与 i、j 都有关系，因此式（2）可以表示为：基 金项目：长沙 市自 然 科学 基 金 项目（kq2014100）。作 者 简介：田 竞红，硕 士 研究 生，研究 方 向为 超 声 无 损 检 测。新技术应用020Science&Technology Vision科技视界xij=sj+nij（3）当累加再平均的次数为 N 时，得到的信号可以表示为：Aj=1NN-1i=0 xij（4）在同一设置和环境下进行连续多次水浸超声 C 扫描实验时，能够获得同一扫描位置的多次 A 波信号。便可以使用累加平均技术对此进行降噪处理。2实验研究本研究使用工业中较为常用的金属材料：7075 铝合金。试块尺寸为 35 mm35 mm35 mm，在 7075 铝合金试块底部设计加工一个直径为 1 mm 平底孔缺陷，缺陷深度为 30 mm。实验使用中心频率为 5 MHz 的浸入式平面传感器（Olympus V309-SU）进行。图 1 为超声 C 扫描信号采集系统结构图。图1超声C扫描信号采集系统在实验过程中，首先将实验所用的 7075 铝合金试块放入水中，将水浸平面探头连接在运动控制平台上。我们通过手脉移动三自由度机械手中的 Z 轴，将水声距设置为 50 mm。最后将实验扫描步距设置为 0.1 mm，扫描速度为 2 mm/s。为讨论累加平均法的效果，本实验在所有实验设置不变的情况下进行连续 10 次超声 C 扫实验，并获得实验数据。3实验结果处理与分析3.1实验信号的处理与分析图2前三次扫描的A波图像图3累加后的A波图像在上述实验中，已经获得在同一状态下 1 mm 孔径连续 10 次扫描的数据。首先我们对数据进行了分析，将前 3 次扫描在同一位置上的 A 波放置在同一个图中，如图 2 所示。虚线框（a）内为缺陷波信号，虚线框（b）内为新技术应用021科技视界Science&Technology Vision图4利用累加平均法处理后的信噪比底波信号可以观察到多次扫描的表面波、缺陷波以及底波的形状基本一致。图 3 为通过将 10 次扫描数据直接累加得到的 A波图像，缺陷波的最大幅值提高到 0.161V。图 4 为利用累加平均法处理前后的信噪比，图中曲线为使用累加平均技术处理后的信号信噪比。可知该方法能够提高信噪比，能够对信号进行降噪处理，且累加平均次数越大，信噪比越大。3.2超声C扫成像质量分析从上面的讨论可以看出，当累加平均次数越多时，信噪比的数值会越大。图 5（a）（c）分别为未进行累加平均时、累加平均次数为 6 和累加平均次数为 10时得到的直径为 1 mm 平底孔缺陷的超声 C 扫成像图。可知累加平均次数越多，成像效果越好。结论与上述信噪比的变化讨论一致。图5累加平均法处理后的1 mm平底孔的超声C扫成像图4结语本研究针对较小缺陷的超声 C 扫描信号信噪比低和难以成像的问题，在利用累加平均技术对超声信号进行处理和讨论，得到以下结论：（1）通过累加平均技术能够提高超声信号信噪比，能够改善超声 C 扫成像效果。（2）通过累加平均技术对实验数据进行处理后，得到随着累加平均次数的增多，信噪比显著增加，能够得到更清晰的超声 C 扫图像，可以观察到缺陷的形状。【参考文献】1殷国富，杨杰斌，赵雪峰，等.面向现代制造的先进测试技术及其发展趋势J.中国测试，2010（1）：8.2Wang P，Kong L，Du T，et al.Orthogonal sparse dictionary based on Chirp echo for ultrasound imagingJ.Applied Acoustics，2019，156（DEC.）：359-366.3梁霄，陈林聪，赵珧冰.宽带噪声激励下带有分数阶控制器的强非线性系统的随机平均技术J.动力学与控制学报，2020，18（4）：9.4李昂.水下微弱回波信号检测与处理技术的研究D.长春理工大学.5潘冬阳，南钢洋，白雪.基于高速信号采集系统累加平均算法研究J.仪表技术与传感器.6周倩婷，危峻，徐志鹏.噪声特性对多次采样累加平均技术的影响J.红外与激光工程，2010（5）：4.新技术应用022