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算機和數(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平臺。利用提出的系統(tǒng)，可對樣品中的缺陷進行無損檢測。

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。本文介紹的基于計算機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時數(shù)字化，并且在波形處理方面有很大改進，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，如果能用計算機控制示波器，將示波器采集到的數(shù)據(jù)及時存儲，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，介紹如何將計算機與數(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：計算機、TDS210型數(shù)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。然后計算機通過示波器的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(shù)，并用應(yīng)用軟件（如Matlab）分析波形，進行信號處理分析。

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，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(shè)備進行通信。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(tǒng)軟件開發(fā)

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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，定時選通陣列中的兩個晶片，分別接通發(fā)射和接收回路；實時采集通道2中的回波信號，并將其轉(zhuǎn)換成二時制數(shù)據(jù)文件；利用Matlab編程，對采集的信號組進行排列、移項、疊加、頻譜分析等；進而根據(jù)信號處理的結(jié)果，對缺陷的形狀、位置、大小進行成像分析。

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擴展模塊的編程手冊，可非常方便地實現(xiàn)計算機和示波器之間的通信，并對示波器中波形信號進行采集。系統(tǒng)啟動后，對示波器進行初始化，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，進行自動掃查。示波器實時采集換能器陣列裝置中的超聲波信號，同時計算機向示波器發(fā)送命令，取加數(shù)據(jù)，放入計算機內(nèi)存，對常用波形參數(shù)（如周期、頻率、振幅、上升時間、下降時間、脈沖寬度、峰-峰值等）做測量，將波形數(shù)據(jù)與測量結(jié)果存入計算機硬盤，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，從時域、空域和頻域三個方面分別提取其有關(guān)特征參數(shù)。時域參數(shù)包括波的前沿、后沿、存在時間等；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)進行特征提取。而是將一組波形數(shù)據(jù)先進行預(yù)處理，提高了信噪比后再進行信號的分析處理。

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，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)射時間），來達到在指定位置聚焦的目的。相控陣超聲的精確延時發(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，即把信號做移項處理，然后虛擬延時發(fā)射、定點聚焦，而無需制作實際的相控延時和同步發(fā)射的控制電路。

虛擬聚焦點在孔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條信號進行移項處理，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，所有晶片發(fā)射的超聲在該點的回波信號(B')在時間上排列一致，即各個晶片發(fā)射的超聲在該點處發(fā)生了實際的聚焦。數(shù)據(jù)處理分析的結(jié)果和實際情況相吻合，說明此處確實存在缺陷。

將圖3所示的延時排列的信號疊加，得到圖4所示的信號i。i為所有晶片發(fā)射的超聲在b點聚焦的信號，64個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(cè)面波。

將圖4中的信號i、ii進行傅立葉變換，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，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，更便于缺陷的識別和檢出。

如果虛擬焦點實際上不存在缺陷，則根據(jù)聲程差移項后的信號不能在時間上排列一致，信號疊加時互相抵消，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)進行處理分析，以一定間距對銅板中的各點進行虛擬掃描聚焦，便可得知整個銅板中缺陷的分布情況，從而在計算機上實現(xiàn)了數(shù)字化探傷儀的功能。如果做進一步處理，信將信號的各種參數(shù)在時域、頻域中進行綜合分析，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數(shù)據(jù)進行處理分析，無需相控延時硬件電路的設(shè)計，極大地節(jié)約了成本和時間。本文提出的信號處理方法，能很好地過濾噪聲，強化有用的信號，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展開發(fā)中。