陣列超聲場(chǎng)的信號采集與處理系統

摘要：介紹了一種新型的基本計算機和數字示波器的陣列超聲場(chǎng)的信號采集和處理系統。系統利用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(chǎng)的研究提供了很好的試驗平臺。利用提出的系統，可對樣品中的缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測。

超聲相控陣技術(shù)在醫學(xué)和工業(yè)無(wú)損檢測方面有著(zhù)廣闊的應用前景，近年來(lái)研究非常廣泛。本文介紹的基于計算機的線(xiàn)性超聲陣列的信號采集和處理系統，為相控陣的研究建立了很好的理論基礎。

數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用。但是其存儲容量和數據處理能力有限，如果能用計算機控制示波器，將示波器采集到的數據及時(shí)存儲，并用軟件分析存儲的波形數據和測量結果，就能形成一套有效的信號采集與處理分析系統。本文以TDS210型數字示波器為例，介紹如何將計算機與數字示波器組成一套高性能的信號采集與處理系統，并介紹如何將其應用于相控陣超聲無(wú)損檢測的數據采集和信號處理中。

1 系統硬件組成

系統主要包括：計算機、TDS210型數字示波器、TDS2MM擴展模塊、換能器陣列及譯碼選通裝置等。

1.1 試驗樣塊及換能器陣列

如圖1所示，在一塊235×195.6mm×20.6mm的銅板的頂部貼上64個(gè)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(gè)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(cháng)方孔（d）截面尺寸為10mm×6mm。

用兩個(gè)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(lái)激勵晶片I，始脈沖脈寬為240ns，電壓為20V。晶片I受激振動(dòng)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(lái)，用晶片II接收回波信號，并送入示波器通道2。然后計算機通過(guò)示波器的DS2MM擴展模塊的串口，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，并用應用軟件（如Matlab）分析波形，進(jìn)行信號處理分析。

1.2 TDS210型示波器

本系統采用美國Tektronix公司的TDS210型數字存儲示波器。該示波器帶寬為60MHz，取樣速率為1GS/s，雙通道輸入，記錄長(cháng)度為2500個(gè)點(diǎn)，采樣位數為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(gè)基準波形和5個(gè)前面板設置[1]。

該示波器的TDS2MM擴展模塊帶有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、計算機等設備進(jìn)行通信。示波器與計算機可直接用帶DB-9型連接器的電纜連接，使用非常方便。

2 系統軟件開(kāi)發(fā)

2.1 系統軟件設計

本系統開(kāi)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封裝了大量標準的通信控制及線(xiàn)程管理函數，通過(guò)這些函數可以方便地與串行端口建立連接。這樣就可通過(guò)串行端口去控制示波器，發(fā)出命令，交換數據。

系統工作步驟如下：?jiǎn)?dòng)后自動(dòng)完成初始化，檢測硬件配置，設定通訊參數；設置示波器特性，進(jìn)行數據的人工采集或自動(dòng)采集；在自動(dòng)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(gè)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，并將其轉換成二時(shí)制數據文件；利用Matlab編程，對采集的信號組進(jìn)行排列、移項、疊加、頻譜分析等；進(jìn)而根據信號處理的結果，對缺陷的形狀、位置、大小進(jìn)行成像分析。

系統軟件采用模塊化方式編寫(xiě)，包括數字示波器初始化、譯碼選通、數據采集、參數測量、全波存儲以及各種信號處理模塊。

2.2 通信與數據采集

借助TDS210示波器自帶的TDS2MM擴展模塊的編程手冊，可非常方便地實(shí)現計算機和示波器之間的通信，并對示波器中波形信號進(jìn)行采集。系統啟動(dòng)后，對示波器進(jìn)行初始化，設定通信參數，將示波器基、通道、觸發(fā)、顯示等子系統做相應設置，并開(kāi)動(dòng)選通，進(jìn)行自動(dòng)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)計算機向示波器發(fā)送命令，取加數據，放入計算機內存，對常用波形參數（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，將波形數據與測量結果存入計算機硬盤(pán)，留做后處理。所有數據可存成一個(gè)64階的矩陣，矩陣的每個(gè)元素對應的是一個(gè)2500個(gè)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據部分，從時(shí)域、空域和頻域三個(gè)方面分別提取其有關(guān)特征參數。時(shí)域參數包括波的前沿、后沿、存在時(shí)間等；空域參數包括其均值、均方值、方差、概率密度等；頻域參數包括其頻譜密度等。

本系統不是簡(jiǎn)單地對單個(gè)波形數據進(jìn)行特征提取。而是將一組波形數據先進(jìn)行預處理，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(gè)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分別對應銅塊試樣中的預留孔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面波。如果信號足夠強，可以有多次側面波，例如B1、C1、C2等。

相控陣的工作原理是通過(guò)改變相鄰超聲換能器的相位差Δφ值（也就是調整各個(gè)晶片發(fā)射時(shí)間），來(lái)達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中的重要環(huán)節，其硬件設計和調試過(guò)程是很復雜的。本系統采用一種新的思路，即把信號做移項處理，然后虛擬延時(shí)發(fā)射、定點(diǎn)聚焦，而無(wú)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(lái)的超聲。因此它的回波信號在信號族B中，應該在最前面。根據聲程的不同，將64條信號進(jìn)行移項處理，使之都與17號晶片的信號B對齊，結果如圖3所示。經(jīng)過(guò)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(gè)晶片發(fā)射的超聲在該點(diǎn)處發(fā)生了實(shí)際的聚焦。數據處理分析的結果和實(shí)際情況相吻合，說(shuō)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(gè)晶片的貢獻同相疊加，所以信號很強。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(gè)晶片的貢獻，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(zhù)增強，回波峰-峰值達到0.45V，隨機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，能量分布規整，帶寬約為0.5MHz。圖5(b)所示的單個(gè)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果表明，如果只用一個(gè)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(zhù)增強，信噪比很高，而且反映在頻譜圖上，主頻信號能量較大，分布規整，有一定的帶寬，從而使得有效的檢測信號得到增強，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，則根據聲程差移項后的信號不能在時(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(guò)濾波將其濾掉。

把64 2個(gè)波形數據進(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(gè)銅板中缺陷的分布情況，從而在計算機上實(shí)現了數字化探傷儀的功能。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(guān)示意圖。

本文提出的用軟件分析方法對超聲相控陣的試驗數據進(jìn)行處理分析，無(wú)需相控延時(shí)硬件電路的設計，極大地節約了成本和時(shí)間。本文提出的信號處理方法，能很好地過(guò)濾噪聲，強化有用的信號，對缺陷的無(wú)損檢測有很高的分辨率。這套系統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?jì)x器的功能擴展開(kāi)發(fā)中。