陣列超聲場的信號采集與處理系統(tǒng)

摘要：介紹了一種新型的基本計(jì)算機(jī)和數(shù)字示波器的陣列超聲場的信號采集和處理系統(tǒng)。系統(tǒng)利用Windows平臺，采用VC、VB和Matlab編程方法，采集信號并進(jìn)行信號處理，從而為相控陣聚焦聲場的研究提供了很好的試驗(yàn)平臺。利用提出的系統(tǒng)，可對樣品中的缺陷進(jìn)行無損檢測。

超聲相控陣技術(shù)在醫(yī)學(xué)和工業(yè)無損檢測方面有著廣闊的應(yīng)用前景，近年來研究非常廣泛。本文介紹的基于計(jì)算機(jī)的線性超聲陣列的信號采集和處理系統(tǒng)，為相控陣的研究建立了很好的理論基礎(chǔ)。

數(shù)字示波器與模擬示波器相比，能將待測模擬信號實(shí)時(shí)數(shù)字化，并且在波形處理方面有很大改進(jìn)，從而使其在電子測量中日益得到廣泛應(yīng)用。但是其存儲容量和數(shù)據(jù)處理能力有限，如果能用計(jì)算機(jī)控制示波器，將示波器采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)存儲，并用軟件分析存儲的波形數(shù)據(jù)和測量結(jié)果，就能形成一套有效的信號采集與處理分析系統(tǒng)。本文以TDS210型數(shù)字示波器為例，介紹如何將計(jì)算機(jī)與數(shù)字示波器組成一套高性能的信號采集與處理系統(tǒng)，并介紹如何將其應(yīng)用于相控陣超聲無損檢測的數(shù)據(jù)采集和信號處理中。

1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)主要包括：計(jì)算機(jī)、TDS210型數(shù)字示波器、TDS2MM擴(kuò)展模塊、換能器陣列及譯碼選通裝置等。

1.1 試驗(yàn)樣塊及換能器陣列

如圖1所示，在一塊235×195.6mm×20.6mm的銅板的頂部貼上64個緊密排列的晶片，晶片截面尺寸為18mm×3.06mm，厚度是0.8mm，材質(zhì)為PZT-5，固有頻率為2.8MHz。在銅板上加工7個通孔（分別為a、b、c、d、e、f、g）作為人工缺陷，其中的圓孔(a、b、c、e、f、g)直徑為3.2mm，長方孔（d）截面尺寸為10mm×6mm。

用兩個譯碼選通電路，每次同時(shí)選通晶片I和II，分別發(fā)射和接收超聲波，并分別與示波器通道1和2接通。采用XC16B脈沖發(fā)生器產(chǎn)生始脈沖來激勵晶片I，始脈沖脈寬為240ns，電壓為20V。晶片I受激振動發(fā)生超聲波，在銅板中傳播，遇到氣孔與銅材質(zhì)的界面反射回來，用晶片II接收回波信號，并送入示波器通道2。然后計(jì)算機(jī)通過示波器的DS2MM擴(kuò)展模塊的串口，并波采集示波器通道2的回波信號，提取和存儲許多特征參數(shù)，并用應(yīng)用軟件（如Matlab）分析波形，進(jìn)行信號處理分析。

1.2 TDS210型示波器

本系統(tǒng)采用美國Tektronix公司的TDS210型數(shù)字存儲示波器。該示波器帶寬為60MHz，取樣速率為1GS/s，雙通道輸入，記錄長度為2500個點(diǎn)，采樣位數(shù)為8bit，垂直分辨率為0.4%，水平精度為±0.01%。該示波器還帶有非易失性存儲器，可以存儲兩個基準(zhǔn)波形和5個前面板設(shè)置[1]。

該示波器的TDS2MM擴(kuò)展模塊帶有RS-232八位串行通信接口、Centronics硬拷貝打印輸出接口和GPIB 8位并行通信接口，可直接與外部的控制器、打印機(jī)、計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行通信。示波器與計(jì)算機(jī)可直接用帶DB-9型連接器的電纜連接，使用非常方便。

2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)開發(fā)工具為VB6.0與VC6.0，由于使用了其自帶的通信控件MSComm6.0，因而使編程更為方便快捷。MSComm6.0ocx封裝了大量標(biāo)準(zhǔn)的通信控制及線程管理函數(shù)，通過這些函數(shù)可以方便地與串行端口建立連接。這樣就可通過串行端口去控制示波器，發(fā)出命令，交換數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)工作步驟如下：啟動后自動完成初始化，檢測硬件配置，設(shè)定通訊參數(shù)；設(shè)置示波器特性，進(jìn)行數(shù)據(jù)的人工采集或自動采集；在自動采集的情況下，控制光電繼電器按照一定順序，定時(shí)選通陣列中的兩個晶片，分別接通發(fā)射和接收回路；實(shí)時(shí)采集通道2中的回波信號，并將其轉(zhuǎn)換成二時(shí)制數(shù)據(jù)文件；利用Matlab編程，對采集的信號組進(jìn)行排列、移項(xiàng)、疊加、頻譜分析等；進(jìn)而根據(jù)信號處理的結(jié)果，對缺陷的形狀、位置、大小進(jìn)行成像分析。

系統(tǒng)軟件采用模塊化方式編寫，包括數(shù)字示波器初始化、譯碼選通、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)測量、全波存儲以及各種信號處理模塊。

2.2 通信與數(shù)據(jù)采集

借助TDS210示波器自帶的TDS2MM擴(kuò)展模塊的編程手冊，可非常方便地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和示波器之間的通信，并對示波器中波形信號進(jìn)行采集。系統(tǒng)啟動后，對示波器進(jìn)行初始化，設(shè)定通信參數(shù)，將示波器基、通道、觸發(fā)、顯示等子系統(tǒng)做相應(yīng)設(shè)置，并開動選通，進(jìn)行自動掃查。示波器實(shí)時(shí)采集換能器陣列裝置中的超聲波信號，同時(shí)計(jì)算機(jī)向示波器發(fā)送命令，取加數(shù)據(jù)，放入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，對常用波形參數(shù)（如周期、頻率、振幅、上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖寬度、峰-峰值等）做測量，將波形數(shù)據(jù)與測量結(jié)果存入計(jì)算機(jī)硬盤，留做后處理。所有數(shù)據(jù)可存成一個64階的矩陣，矩陣的每個元素對應(yīng)的是一個2500個點(diǎn)的回波信號。

2.3 信號處理與分析

通常的信號處理軟件首先檢出波形數(shù)據(jù)部分，從時(shí)域、空域和頻域三個方面分別提取其有關(guān)特征參數(shù)。時(shí)域參數(shù)包括波的前沿、后沿、存在時(shí)間等；空域參數(shù)包括其均值、均方值、方差、概率密度等；頻域參數(shù)包括其頻譜密度等。

本系統(tǒng)不是簡單地對單個波形數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取。而是將一組波形數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)處理，提高了信噪比后再進(jìn)行信號的分析處理。

3 相控陣模擬及缺陷檢測

圖2是一組回波，代表的是第17號晶片接收的各個晶片所發(fā)射的超聲波信號的反射回波。信號群A、B、C、D、E、F、G分別對應(yīng)銅塊試樣中的預(yù)留孔a、b、c、d、e、f、g。在回波信號后面，與之平行等距而且波幅有所減小的為側(cè)面波。如果信號足夠強(qiáng)，可以有多次側(cè)面波，例如B1、C1、C2等。

相控陣的工作原理是通過改變相鄰超聲換能器的相位差Δφ值（也就是調(diào)整各個晶片發(fā)射時(shí)間），來達(dá)到在指定位置聚焦的目的。相控陣超聲的精確延時(shí)發(fā)射是超聲相控陣系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試過程是很復(fù)雜的。本系統(tǒng)采用一種新的思路，即把信號做移項(xiàng)處理，然后虛擬延時(shí)發(fā)射、定點(diǎn)聚焦，而無需制作實(shí)際的相控延時(shí)和同步發(fā)射的控制電路。

虛擬聚焦點(diǎn)在孔b的中心，坐標(biāo)為(58.6,74)。17號晶片在孔b的正上方，因它發(fā)出的超聲到達(dá)b孔中心的距離最短，所以也就能最早接收到由b孔反射回來的超聲。因此它的回波信號在信號族B中，應(yīng)該在最前面。根據(jù)聲程的不同，將64條信號進(jìn)行移項(xiàng)處理，使之都與17號晶片的信號B對齊，結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過延時(shí)，所有晶片發(fā)射的超聲在該點(diǎn)的回波信號(B')在時(shí)間上排列一致，即各個晶片發(fā)射的超聲在該點(diǎn)處發(fā)生了實(shí)際的聚焦。數(shù)據(jù)處理分析的結(jié)果和實(shí)際情況相吻合，說明此處確實(shí)存在缺陷。

將圖3所示的延時(shí)排列的信號疊加，得到圖4所示的信號i。i為所有晶片發(fā)射的超聲在b點(diǎn)聚焦的信號，64個晶片的貢獻(xiàn)同相疊加，所以信號很強(qiáng)。信號ii是第17號晶片對孔b自發(fā)自收的回波信號，只是一個晶片的貢獻(xiàn)，最高峰不到18mV。從圖中可以明顯看出，聚焦后孔b的回波信號i顯著增強(qiáng)，回波峰-峰值達(dá)到0.45V，隨機(jī)的噪聲信號以及其它孔的回波信號和噪聲都互相抵消而幾乎消失，只留下缺陷孔b的一次回波及其自身的一次側(cè)面波。

將圖4中的信號i、ii進(jìn)行傅立葉變換，得到圖5所示的頻譜圖[2]。如圖5（a）所示，聚焦信號i的能量主要集中在1.2MHz左右，能量分布規(guī)整，帶寬約為0.5MHz。圖5(b)所示的單個晶片的回波信號ii，其中心頻率為1.2MHz，與信號i的中心頻率基本吻合，但是能量分布比較分散，最大值也只有i信號的300分之一。

幅值和頻譜對比的結(jié)果表明，如果只用一個晶片的回波信號進(jìn)行處理分析，缺陷的回波信號很微弱，信噪比低，信號的能量 也很低。采用陣列晶片的聚焦信號，缺陷孔的回波信號顯著增強(qiáng)，信噪比很高，而且反映在頻譜圖上，主頻信號能量較大，分布規(guī)整，有一定的帶寬，從而使得有效的檢測信號得到增強(qiáng)，更便于缺陷的識別和檢出。

如果虛擬焦點(diǎn)實(shí)際上不存在缺陷，則根據(jù)聲程差移項(xiàng)后的信號不能在時(shí)間上排列一致，信號疊加時(shí)互相抵消，得到的合成聚焦的信號很微弱，能量也很低，可以通過濾波將其濾掉。

把64 2個波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，以一定間距對銅板中的各點(diǎn)進(jìn)行虛擬掃描聚焦，便可得知整個銅板中缺陷的分布情況，從而在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化探傷儀的功能。如果做進(jìn)一步處理，信將信號的各種參數(shù)在時(shí)域、頻域中進(jìn)行綜合分析，可以做出銅板中缺陷分布的直觀示意圖。

本文提出的用軟件分析方法對超聲相控陣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，無需相控延時(shí)硬件電路的設(shè)計(jì)，極大地節(jié)約了成本和時(shí)間。本文提出的信號處理方法，能很好地過濾噪聲，強(qiáng)化有用的信號，對缺陷的無損檢測有很高的分辨率。這套系統(tǒng)不僅可以用于相控超聲信號的采集和處理分析，還可用于各種具有通信接口的測量儀器的功能擴(kuò)展開發(fā)中。