聲發(fā)射信號處理和分析技術(shù)
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所有的AE測試系統(tǒng)都由傳感器、放大器和分析系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成，AE儀器的發(fā)展也集中表現(xiàn)在這三個(gè)系統(tǒng)上。近幾十年來，這三部分的內(nèi)容（質(zhì)量）都在不斷更新，特別是AE傳感器和分析系統(tǒng)的發(fā)展。AE儀器的發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)不同時(shí)期，差不多相應(yīng)于20世紀(jì)后五個(gè)年代。最早出現(xiàn)的聲發(fā)射儀，可以簡單到僅僅是一個(gè)測量信號有效值的毫伏表，或者是一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器，這是第一代AE儀器，代表了20世紀(jì)50~60年代的水平。70年代的聲發(fā)射儀器已使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，它把形成各種AE特征量輸出的多通道硬件模塊插在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，通過內(nèi)部總線與一臺標(biāo)準(zhǔn)小型計(jì)算機(jī)相連。除工作速度和存儲能力不足外，其最大缺點(diǎn)來自性能很差的總線結(jié)構(gòu)，各個(gè)通道的聲發(fā)射信號的采集、傳遞、計(jì)算、存儲和顯示都要占用中央處理單元（CPU）的時(shí)間，不但速度慢，而且系統(tǒng)極易出現(xiàn)閉鎖狀態(tài)。稍后的第三代聲發(fā)射儀有所分離，并利用IEEE488標(biāo)準(zhǔn)總線和直接內(nèi)存存取，系統(tǒng)在信號處理速度和實(shí)時(shí)顯示上有了一定改進(jìn)。
80年代后期出現(xiàn)了利用并行處理技術(shù)解決實(shí)時(shí)采集和處理的儀器，如PAC公司的SPARTAN AT和LOCAN320等，使儀器在AE數(shù)據(jù)處理能力上有了較大提高（每秒數(shù)千個(gè)聲發(fā)射事件）。在這類儀器中，為保證AE數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，把數(shù)據(jù)采集和信號的分析、顯示分開。設(shè)計(jì)時(shí)，每兩個(gè)通道形成一個(gè)單元，配有專用微處理器，形成獨(dú)立通道控制單元（ICC），完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，
而數(shù)據(jù)處理任務(wù)比較合理的分配給一些并行的計(jì)算單元，這樣，儀器的實(shí)時(shí)性得到大大增強(qiáng)。這應(yīng)屬于第四代AE儀器。
90年代后，AE檢測系統(tǒng)進(jìn)入了全數(shù)字式的第五代。它是在高速A/D轉(zhuǎn)換及有關(guān)集成電路（IC）芯片性能大幅度提高，價(jià)格又大幅度下降的背景下形成的。全數(shù)字化AE儀器的問世標(biāo)志著聲發(fā)射儀器的研制進(jìn)入一個(gè)全新的階段，它在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件配置上保留了第四代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，但放大后的AE信號不必再經(jīng)過一系列的模擬、數(shù)字電路形成數(shù)字特征量。這樣做的好處是數(shù)字信號有良好的抗干擾特征，信息能夠準(zhǔn)確的發(fā)送、傳遞而無畸變，沒有模擬器件因存在噪聲或飽和帶來的失真以及因器件離散等因素產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不一致，從而使儀器的可靠性得到更好的保證。另外，由數(shù)字化的AE信號中提取特征量比模擬方法容易實(shí)現(xiàn)，如采用模擬方法很難在嚴(yán)格的意義上給出AE信號的能量和有效值，而在數(shù)字信號的基礎(chǔ)上卻容易實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化后的信號保留了更多的AE信息，也為信號分析和特征提取提供更大的開發(fā)潛力。
圖4是一個(gè)典型的全數(shù)字式AE系統(tǒng)圖，它具有如下特點(diǎn)：
（1） 采用PC機(jī)的插板方式，只要把用于AE信號采集的AE DSP-32/16卡插入ISA（PC/AT）總線，配一臺性能良好的PC機(jī)，就可構(gòu)成2~256通道AE檢測系統(tǒng)。儀器的模塊式結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化。
（2） 數(shù)字信號處理器（DSP）卡采用了包括高速DSP（TMS320C40）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）在內(nèi)的最新器件，一塊卡包括兩個(gè)獨(dú)立的AE通道，由一個(gè)DSP進(jìn)行管理，DSP從主機(jī)取得程序和設(shè)置命令，在硬件提取傳統(tǒng)AE特征參數(shù)的同時(shí)，還可計(jì)算出附加的波形特征（頻率特征、信號波形特征、組合特征和由用戶開發(fā)的其它特征）。由于DSP具有高速的并行處理、數(shù)據(jù)傳送和尋址能力，可在近乎實(shí)時(shí)的意義下完成數(shù)據(jù)記錄和附加特征的提取，這在以往AE儀器中是難以設(shè)想的。全數(shù)字式AE儀器的問世為AE信號處理技術(shù)提供了一個(gè)全新的舞臺。
使用DSP卡的第五代全數(shù)字式聲發(fā)射儀雖然比前幾代有了很大進(jìn)步，但本質(zhì)仍是參數(shù)聲發(fā)射儀，即硬件的輸出或顯示記錄存儲的數(shù)據(jù)仍是實(shí)際聲發(fā)射信號波形基礎(chǔ)上提取的聲發(fā)射參數(shù)。DSP卡聲發(fā)射儀也都可配有波形采集，但波形采集平行于參數(shù)生成，計(jì)算機(jī)總線或總線技術(shù)應(yīng)用的限制不能實(shí)時(shí)多通道傳送波形數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，聲源定位信號分析等實(shí)時(shí)顯示分析的功能仍然只能由硬件輸出的參數(shù)完成。21世紀(jì)出現(xiàn)了硬件的輸出或顯示記錄存儲的數(shù)據(jù)為聲發(fā)射波形的全波形聲發(fā)射儀，它的基本結(jié)構(gòu)是在DSP卡的第五代全數(shù)字式聲發(fā)射儀基礎(chǔ)上去掉DSP，改用高速計(jì)算機(jī)總線PCI，直接高速地將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的全數(shù)字全波形聲發(fā)射數(shù)據(jù)送到功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件完成參數(shù)生成及波形分析聲源定位等任務(wù)。這種全數(shù)字全波形聲發(fā)射儀最大限度地應(yīng)用了現(xiàn)代電子和計(jì)算機(jī)高速數(shù)據(jù)采集和高速軟件處理的技術(shù)，使得多通道聲發(fā)射波形采集和分析不再困難，同時(shí)保留了參數(shù)聲發(fā)射儀的全部功能，為聲發(fā)射技術(shù)研究和應(yīng)用提供了良好的工具。我國技術(shù)人員設(shè)計(jì)研制生產(chǎn)了世界上第一臺多通道全波形聲發(fā)射儀。
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