专利名称：一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法
技术领域：
本发明属于自动化无损检测技术领域，涉及一种航空、航天、电子、兵器、船舶、冶金等领域中复合材料及金属材料自动化无损检测及其他超声自动化检测的一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法。
背景技术：
在超声自动扫描成像检测时，必须对检测信号进行实时数字化采集，对于复合材料等工程结构超声自动扫描检测设备，这种超声检测信号的采集主要包括超声小信号变换和数字化采集两个主要部分。目前超声小信号变换主要是采用前置处理方法，将来自超声换能器的小信号进行前置放大后，通过信号线缆传送到检测设备控制台，进行超声信号数字化采集，目前主要采用高速模-数转换实现超声射频信号数字化采集，将射频超声信号转换为数字信号，为计算机超声成像提供检测数据，以实现复合材料等工程结构超声自动扫描成像检测。为了提高超声自动化扫描成像检测效率，通常需要采用多通道阵列超声换能器， 提高单位时间扫描面积，提高检测效率，为此需要将对阵列超声换能器接收到的多通道超声信号进行快速同步并行采集记录，实现检测结果计算机成像和缺陷分析。对于大型材料或结构超声自动化检测，一般换能器与被检测材料或结构在同一物理位置，而超声信号的处理分析和结果显示终端则在操作室或者控台，目前主要对换能器的射频信号进行前置模拟放大后，传输到操作室设备终端进行信号采集。为了抑制超声自动化检测设备电机和伺服控制系统产生的干扰脉冲信号对换能器输出的mv级超声信号的影响，目前主要采用线路屏蔽方法抑制来自设备自设和电器环境的高频电磁干扰，改善超声信号采集的质量。针对超声自动扫描成像检测中换能器行扫描，目前主要是以访问换能器扫描运动系统的位置或者时间为参考，进行超声信号的采集记录，实现换能器位置与超声信号采集记录位置的近似同步或一致。通常采用以下两种同步采集触发信号获取方法(1)基于串行位置反馈方式的同步采集触发信号获取方法通过访问控制超声换能器行扫描运动系统，获取换能器的动态位置，然后以此位置信号作为超声信号采集的触发信号，进行超声特征信号采集，即用于控制超声换能器行扫描运动和获取换能器位置信号的反馈通道为同意物理通道，采用的是串行工作方式。在超声自动扫描检测过程中，换能器总是处于快速移动状态，位置信号记录时间与超声信号记录时间之间必然存在时间差 At，可表示为At= At^At2 (1)这里，Δ tr访问位置数据综合响应时间，与用于换能器扫描运动控制的数控系统硬软件性能、数据访问接口协议、编程代码的效率等密切有关，At2-从获取位置数据到开始超声信号采集的程序语句执行时间，取决于计算机 CPU主频等特性。由式(1)引起的位置偏差ΔΡ = (At1+At2) ν, 换能器行扫描速度。通常由于At1 >> At2，可以忽略At2带来的位置偏移量。减少ΔΡ的最有效方法就是避免访问换能器运动控制系统，但目前基于伺服控制的超声自动扫描成像检测设备，都需要访问换能器运动控制系统。(2)基于时间控制的同步采集触发信号获取方法按照设置的时间间隔At去触发采集单元进行超声信号采集。由于换能器在行扫描过程中存在加减速，导致ν不勻速变化，从而引起ΔΡ= AtXv位置偏差严重。现有复合材料等大型结构超声自动检测设备主要采用脉冲声波方式，来自换能器的输出信号约几十IW量级，需要经过几米至几十米距离传输，送到检测设备控制台或操作室终端进行采集和显示，目前主要采用前置放大方法，将换能器输出的超声小信号进行前置射频放大，然后通过高频线传送到信号采集单元进行采集。其突出的不足是(1)仅对原始超声脉冲小信号进行前置模拟放大，虽然信号的幅值可以得到一定得提高，但对于十几米以上的远距离传输，长线缆传输带来的信号失真明显、损耗很大；( 超声模拟信号长线传输，容易引入设备电机和伺服单元等高频干扰信号，而且这种干扰信号往往比来自换能器的超声信号大得多。目前复合材料等结构超声自动检测设备中，超声信号的采集记录位置的选择和确定方法，一种是基于换能器扫描位置反馈的方法确定超声信号记录时间， 即“串行位置反馈方式”首先利用检测设备中控制换能器扫描运动的数控单元或者位置记录器，获取当前检测位置点，即换能器位置坐标，然后以此为时间参考点，进行超声信号的采集记录，用于确定信号采集位置的反馈通道与控制超声换能器扫描运动的通道是同一通道，即所谓“串行位置反馈方式”，其不足是在超声换能器连续扫描过程中，为了确定超声信号采集记录位置，需要占时间不断访问控制换能器扫描的位置反馈系统，造成换能器实际所在的检测位置与超声信号记录位置存在时域偏离，而且这种偏离会随着超声检测通道的增加和扫描速度的变化、加快等，变得更加明显，从而使超声信号采集记录位置与换能器实际所在的检测位置发生明显错位，造成超声检测成像质量的严重失真，影响检测结果的正确性和缺陷定量评估；另一种方法是基于时间控制的超声信号采集记录方法，其显著不足是，换能器在行扫描起始阶段和结束阶段加减速变化，会引起超声信号采集记录位置与换能器实际所在的检测位置偏离更明显。超声自动扫描成像检测，目前国际上主要是基于全波处理和电子间门技术来获取超声换能器扫描过程中每一个位置点的RF全波检测信号，对于多通道超声检测应用，则需要采集多个RF全波检测信号。其显著不足是对采样频率要求很高、数据量大，数据处理速度较慢，成本高，对硬件要求高，特别是在多通道超声扫描检测时，扫描速度受到限制，从而影响检测效率的提高。目前复合材料超声反射法自动扫描成像检测中，主要采用间门选通的方法提取超声特征信号的幅值或传播，进行采集记录， 用于超声成像，通常门选信号一旦设置后，在扫描检测过程中是固定不变的。其不足是当换能器与被检测零件表面距离发生变化时，会引起原来设定的门外信号进入门选信号中， 从而造成对伪信号的采集，导致无法进行正确的缺陷成像和缺陷评判。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够实现在快速自动扫描检测过程中的超声小信号高保真长距离传输、超声特征信号跟踪与分离、位置信号与超声信号准确同步并行采集，提高复合材料等工程结构超声自动扫描检测过程中的信号采集质量，改善检测结果的准确性和成像质量的一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法。本发明的技术解决方案是，(1)超声信号前置处理采用并行方式工作，对来自超声换能器的每一个通道的输出信号进行前置处理，将来自每个检测通道i的IW级超声信号转换为V级超声射频脉冲
信号0得到全部η个检测通道的超声射频信号，超声射频信号包括被检测零
yRF 9i=li-1
件表面的回波信号$、零件内部回波信号&和零件底面回波信号&，作为超声信号变换的输入信号；
η(2)超声信号变换对经过前置处理后的全部η个检测通道的超声射频信号
进行特征信号分离和门选信号跟踪，利用安装在检测设备上的并行超声信号变换单元从每个检测通道土的‘中分离出超声特征射频信号唁 ，7；)，得到全部η个检测通道的超声特
征射频信号 ，Α)，玄巧 ，口中的信号及其变量VPP，Th的选择，根据材料结构特点 i=l i-1
和缺陷判别方法，利用检测设备中的并行超声信号变换单元，通过设置门选信号^的位置
t。ff和宽度tw，从超声射频信号;^^中选择和分离超声特征射频信号口( -，[)，。的位置
通过编程自动控制，保证在换能器在自动扫描过程中门选信号^的起始位置t。ff自动随着 Sf的时间位置tref变化进行自动跟踪，由并行超声信号变换单元将每个检测通道i的超声特征射频信号G(GpTa)及其变量(VPP，Tb)转换为低频超声特征信号Κ(6ρ，:Γα)，进行超声特征信号并行采集；(3)超声信号采集和同步利用超声检测设备的并行数据采集单元，将全部η个检测通道的超声特征射频信号tK(Kw，7；)并行地转换为低频超声特征信号玄C(FW，7；)，通过安装在检测设备计算机
中的多通道数据采集单元对G/>，7P进行并行采集，转换为数字化信号；同时，利用安
装在超声检测设备上与换能器行扫描方向平行的光栅尺或者编码器，获取换能器的位置脉冲信号Ni,然后通过与之相连接的脉冲解码器转换为换能器的实际位置Xi，由计算机编程
计算得至丨J Xi
位置值，控制多通道超声特征信号Σ^^&α)同步。所述的前置处理单元的带宽在1-40ΜΗΖ，增益不小于20dB。所述的多通道数据采集单元的通道数为16或32的倍数，采样频率不小于1MHz，构成η个数据采集通道。所述的超声换能器的通道，当超声换能器的通道η < 2，经过前置处理后的超声信号直接进行超声信号的采集和同步；超声换能器的通道η > 2，经过前置处理后的超
声信号经超声信号变换后再进行超声信号的采集和同步。 i=l所述的控制采集和同步的步骤是，⑴设置采集频率、存储深度、分配通道；⑵设
置采集间隔AL并进行采集间隔的判断，达到采集间隔，采集数据，未达到采集间隔，等待
采集；(3)保存采集结果；(4)重复上述步骤(2) (3)，直至采集完成。
本发明具有的优点和有益效果，(1)针对复合材料等结构超声自动扫描检测设备中的信号远距离传输失真明显、 干扰大等不足，本发明专利提出了一种超声特征信号数字化变换的传输和检测信号回路多重电磁屏蔽防护方法，使检测信号与电机等强干扰信号位于不同的频域，并进行线路全程严格电磁防护，从而大大地减小了超声信号长线传输失真和损耗，有效抑制了来自检测设备的电器干扰，显著提高了超声检测信号信噪比和检测信号的质量。(2)本发明专利提出了一种基于并行位置反馈的超声信号同步采集触发控制方法，可以实现超声信号采集记录位置与换能器实际检测位置严格同步，而且可以严格地选择和控制两相邻检测点的记录距离，实现变速情况下超声信号等距离采集记录，大大地提高了超声信号记录位置与换能器实际检测位置的密切一致性和准确性，解决了目前困扰超声自动扫描过程中换能器位置与超声信号记录位置严格同步的技术难题，保证了变速情况下对超声信号实现等距离采集记录，使超声自动扫描成像质量和准确性得到显著提高。(3)本发明在超声信号前置处理基础上，提出了一种多通道低成本超声特征信号快速并行同步采集方法，实现多通道检测信号并行快速采集，使数据量大大减少，信号数字化速度至少提高1个数量级以上，而技术成本又不及原来RF信号采集方法的三十分之一。(4)针对超声反射法自动扫描检测中，换能器与被检测零件表面之间距离的变化对门选信号的影响，导致不正确的信号采集结果难题，本发明提出了一种基于零件表面反射回波信号位置的门选信号跟踪与超声特征信号分离方法，使门选信号始终能够自动随换能器与被检测零件表面之间距离变化而自动跟随，确保正确地提取超声特征信号，从而保证了超声信号采集的正确性。
图1是本发明实现流程步骤的示意图；图2是本发明超声特征信号变换与门选跟踪方法的示意图；图3是本发明门选信号跟踪编程方法的示意图；图4是本发明超声特征信号同步采集编程方法的示意图。
具体实施例方式本发明的超声脉冲信号采集方法通过超声信号前置处理1、超声信号变换2、超声信号采集3、位置同步控制4和计算机编程5等五个主要流程步骤加以实现，如图1所示。 各个流程步骤的主要分工和作用如下超声信号前置处理1 对来自每一个通道换能器的mv级超声信号进行阻抗变换和射频放大、滤波，采用并行方式工作，经过超声信号前置处理得到高质量的超声射频信号
Zf^，作为超声信号变换2的输入信号，这里η为检测通道总数，i为第i个检测通道。当 i=l
所选用的超声检测设备有超声信号前置处理器时，可以直接用于本发明方法中的超声小信号的前置处理单元；当所选用的超声检测设备没有超声信号前置处理器时，则需要增加超声信号前置处理单元，且尽量安装在超声检测设备中换能器附近位置，可以根据超声检测设备的检测通道数，市购配备超声信号前置处理单元，对于复合材料等工程结构的超声检测，要求前置处理单元的带宽在1-40MHZ，增益不小于20dB，也可直接选用北京航空制造工程研究所生产的UPoWer-l、-2等系列的超声前置信号处理单元；当选用北京航空制造工程所生产的CUS和MUI系列超声检测设备时，可以直接利用安装在设备上的前置处理单元按
照本发明方法对超声小信号进行前置变换、放大和滤波。经过前置处理后的超声信号
权利要求
1.一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法，其特征是，(1)超声信号前置处理采用并行方式工作，对来自超声换能器的每一个检测通道i的输出信号进行前置处理，将mv级超声小信号转换为V级超声射频脉冲信号&，得到η个检测通道的超声射频信号，超声射频信号中包括来自被检测零件表面的回波信i=l i=l号$、零件内部回波信号&和零件底面回波信号&，作为超声信号变换的输入信号；(2)超声信号变换对经过前置处理后的η个检测通道超声信号进行特征信号分离和门选信号跟踪，利用安装在检测设备上的并行超声信号变换单元从对应每个检测通道i的&中分离出超声特征射频信号”( ,，K)，得到η个检测通道的超声特征射频信号tvc^ W VppJh)^的信号及其变量Vpp，Th的选择，根据材料结构特点和缺陷判别方法，利用并行超声信号变换单元，通过设置门选信号^的位置t。ff和宽度tw设定，G的位置通过编程自动控制，保证在换能器在自动扫描过程中门选信号G的起始位置t。ff自动随着$的时间位置tMf变化进行自动跟踪，由并行超声信号变换单元将每个检测通道i的超声特征射频信号G(GvTa)及其变量(VPP，Th)转换为低频超声特征信号6(^^,7;),进行超声特征信号并行采集；(3)超声信号采集和同步利用超声检测设备中的并行数据采集单元，将对应每个检测通道i的超声特征信号”([ρ，7Ρ，共η个检测通道的超声特征信号$6(6^5)进行并行采集，转换为数字信号；同时，利用安装在超声检测设备上与换能器行扫描方向平行的光栅尺或者编码器，获取换能器的位置脉冲信号Ni,然后通过与之相连接的脉冲解码器转换为换能器的实际位置Xi，由计算机编程计算得到xi位置值，控制多通道超声特征信号 ^(。,7；)同步。 i
2.根据权利要求1所述的一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法，其特征是，所述的前置处理单元的带宽在1-40MHZ，增益不小于20dB。
3.根据权利要求1所述的一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法，其特征是，所述的多通道数据采集单元的通道数为16或32的倍数，采样频率不小于1MHz，构成η个数据采集通道，实现 Vpp，K)并行快速低成本采集。
4.根据权利要求1所述的一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法，其特征是，所述的超声换能器的通道，当超声换能器的通道η < 2，经过前置处理后的超声信号i直接进行超声信号的采集和同步；超声换能器的通道η > 2，经过前置处理后的超声信号Σ ^经超声信号变换后再进行超声信号的采集和同步。 i
5.根据权利要求1所述的一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法，其特征是，所述的控制采集和同步的步骤是，(1)设置采集频率、存储深度、分配通道；( 设置采集间隔 Δ L并进行采集间隔的判断，达到采集间隔，采集数据，未达到采集间隔，等待采集；(3)保存采集结果；(4)重复步骤O) (3)，直至采集完成。
全文摘要
本发明属于自动化无损检测技术领域，涉及一种航空、航天、电子、兵器、船舶、冶金等领域中复合材料及金属材料自动化无损检测及其他超声自动化检测的一种多通道超声脉冲信号并行同步采集方法。本发明的超声脉冲信号采集方法通过超声信号前置处理、超声信号变换、超声信号采集、位置同步控制和计算机编程等五个主要流程步骤加以实现。本发明在超声信号前置处理基础上，进行特征信号模式变换和门选自动跟踪，提出了多通道低成本超声特征信号快速采集方法，一方面，数据量大大减少；同时，超声特征信号数字化速度至少提高1个数量级以上，而技术成本又不及原来的三十分之一。
文档编号G01N29/22GK102297900SQ20111017142
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者刘松平, 刘菲菲, 孙岩, 曹正华, 李乐刚, 李维涛, 白金鹏, 谢富原, 郭恩明 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所