一种基于小波分析的多层粘接结构缺陷信号提取方法

，，，

（1.军械工程学院 弹药工程系，石家庄 050003；2.总参炮兵训练基地，宣化 075100）

对于由钢板和多层橡胶类材料粘接而成的粘接结构的检测，一直是无损检测领域的一大难点。将超声波检测技术应用于粘接结构的检测时，由于橡胶材料的强衰减作用和受限于普通探伤仪固定的算法，目前只能较好地检出第一界面的脱粘，而对深层界面的缺陷难以发现。因此，找出一种有效算法并实现该算法至关重要。笔者以某型固体火箭发动机包覆质量检测为背景，以由钢壳体、绝热层、包覆层粘接而成的方板为研究对象，试图找到一种缺陷信号提取的算法。

1 检测平台的搭建

检测平台的超声发射和接收设备采用SUFD2数字超声波探伤仪。该型探伤仪增益达110 dB，支持0.1～15 MHz的横/纵波探头，脉冲强度最高达800 V，脉冲宽度50～1 000 ns可调，支持LCD实时回波显示，带缺陷报警功能。SUFD2可以通过自带的USB接口导出波形数据，但导出的是经过DSP进行了Hil bert变换后的包络信号，而且数据点有限（220个点），无法满足后续数据分析的要求。因此必须设法自己采集回波信号。

试验采用ADLINK公司的PCI－9812采集卡采集回波信号。PCI－9812采集卡是4通道12位20 MS/s同步采样模拟输入卡，硬件可编程输入范围为±1和±5 V，输入阻抗50Ω，1.25 kΩ，15 MΩ。板载32k采样点 A/D FIFO缓存数据，带宽达17 MHz，支持模拟和数字触发功能。

数字超声波探伤仪SUFD2的工作原理是：发射电路产生一个高压脉冲后，触发信号发生器随之产生一个由＋3.3 V降到0 V的负脉冲，接通ADC的输入端，ADC开始以80 MS/s的转换速率对回波信号进行A/D转换，转换结果送入DSP进行Hilbert变换求包络信号。为了从外部采集回波信号，必须拆开SUFD2，找到触发信号输出端和ADC的模拟输入端，将其引出，分别作为PCI－9812的模拟触发信号源和采集信号源。检测系统总体框图如图1所示。

图1 超声检测平台系统框图

2 LabVIEW与Matlab混合编程

LabVIEW是美国NI公司推出的面向测控系统的图形化编程语言，相比传统的文本编程语言（VB，VC，Delphi等）来说具有编程效率高、开发速度快、数据流驱动的自动并行优化、库函数及各种软件接口丰富等优点，是开发中小型测控系统的理想平台。Matlab是一款强大的数据分析软件，其自带的多种工具箱使它在多领域得到广泛应用。笔者主要用到它的Wavelet tool box工具箱进行离散小波分解和重构。

L2（R）空间中的函数f（t）的连续小波变换WTf被定义为［1]：

式中ψa，τ（t）是母小波函数ψ（t）经过平移和伸缩变换得到的；ψ＊表示其共轭函数；WTf（a，τ）为小波变换系数。函数一经小波变换，就意味着将一个时间函数投影到二维的τ（时间）－a（尺度）平面上。连续小波变换的逆变换为：

为便于计算机计算，通常将a和τ进行二进离散化处理，这样的变换称为离散小波变换，计算机用Mallat算法进行快速离散小波变换。

触发器引出线和AIN引出线分别接至PCI－9812的0，1通道。0通道设为模拟触发信号源，触发电平设为1 V，触发信号到来后，采集卡采集200个数据点，然后保存以便后续处理。LabVIEW编程如图2所示。

图2 回波信号采集程序

采集得到的回波信号在保存的同时，调用Lab－VIEW中的Matlab接口对其进行小波分析：用db7小波将回波信号分解至第二层，然后重构第二层的高频信号［2]（图3）。

图3 小波分解与重构程序

3 试验结果

试验对象是两块18 cm×18 cm的方形试件A和B，其规格见图4。其中绝热层和包覆层由工厂提供，这两种材料都是橡胶类物质，绝热层主要成分为三元乙丙橡胶，包覆层主要成分是端羟基聚丁二烯。在绝热层和包覆层之间放置φ15 mm，厚0.1 mm的聚四氟乙烯［3]小圆片，以模拟绝热层和包覆层之间的脱粘。探头采用2.5 MHz的直探头。对A，B试件的检测结果分别如图5，6所示。

图4 试件模型

回波信号的小波分析通过LabVIEW中的Matlab接口完成。信号处理的关键有两点，即小波基函数的选取和分解层数的确定。

3.1 小波基函数的选取

根据上一节的分析，选取的小波基函数应当与被分析函数中想要被提取的部分“貌似”，而回波信号是由若干超声脉冲叠加而成的。Daubechies小波是最常用的小波族，该族小波的波形与超声脉冲非常类似，其中的db7小波的振荡次数与超声脉冲最为一致，因此选择db7作为小波基函数。

3.2 小波分解与重构层数的确定

分解与重构的层级与欲提取的频率区段有关。回波信号的幅值谱中，幅值最高点位于2.1 MHz频率处。根据离散小波变换所用Mallat算法的频带分解特点，即对于采样频率为fs的信号，经二进离散小波分解至第n层后，得到的低频带为（0，fs/2n＋1），高频带为（fs/2n＋1，fs/2n）。试验中fs＝20 MHz，易知2.1 MHz位于第三层的高频带，即（1.25 MHz，2.5 MHz）。因此，为了提取2.1 MHz附近的信号，将回波信号用db7小波分解至第三层，然后重构第三层的高频部分，所得结果如图5和6所示。

理论分析知，当粘结良好时，回波中除了始波外，只会有一次底波存在；若出现脱粘，则在始波和一次底波之间将还会有缺陷波存在。图5（a）可见，在［2.5μs，4.5μs]之间存在一次底波，但这个底波持续时间很长，很明显是受到了波形成分中其他频率分量的干扰；图5（c）是存在脱粘缺陷的情形，图中除了始波外还有两个波峰，即缺陷回波［1.5μs，2.5μs]和一次底波［3.5μs，4.5μs]，其中缺陷回波因为靠近始波，受始波影响比较大，两者并不能完全区分开，又因为缺陷反射了大部分超声能量，所以一次底波较上图更微弱了，且持续时间仍然较长。经过小波分解和重构之后，如图5（b）和（d），始波、缺陷回波、一次底波非常容易区分：未脱粘时，只有一次底波，位于［3.5μs，4.2μs]之间；脱粘时，除了有微弱的一次底波［4μs，4.5μs]之外，还有缺陷回波［1.8μs，2.2μs]，不仅底波和缺陷波的持续时间缩短，时间分辨率得到了提高，而且波形更加干净。对于绝热层为8 mm的情形（图6），未脱粘时大约能看出底波的存在［2.5μs，6μs]，不过持续时间非常长；脱粘时始波、缺陷波、底波交杂在一起，根本没法区分。经过小波分解和重构之后，波形干净了，始波、缺陷波和底波所在的时间段也一目了然。试验结果表明，经过小波分解和重构，不仅能有效提高回波信号中的缺陷波和底波信息，还抑制了其他杂波，即频率在（1.25 MHz，2.5 MHz）之外的分量，使波形更加干净，达到了预期的效果。

另外，从图5中还可注意到未脱粘和脱粘两种情形下底波所处时间区段并不一致，这是因为，脱粘缺陷是采用聚四氟乙烯薄片模拟的，使整体厚度稍微增加了一点，再加上同一试件不同部位的各层厚度有差异，所以出现如此情形。

4 结语

通过小波分析，可以将原始波形中与母小波类似的部分提取出来，并加以放大，所以选择合适的母小波是小波分析的关键。笔者选择db7小波对信号进行两个尺度的分解并重构第二尺度下的高频信号。结果表明，该方法能够较好地检测出绝热层（厚度不超过8 mm）和包覆层之间，即第二界面的脱粘缺陷。对于厚度超过8 mm的绝热层下面的缺陷或者包覆层和推进剂之间的缺陷，此方法是否有效尚有待试验验证。

［1]葛哲学，沙威.小波分析理论与MATLAB R2007实现［M].北京：电子工业出版社，2007.

［2]敦怡，师小红，徐章遂.基于小波包变换的金属基复合材料深层界面脱粘缺陷特征提取［J].无损检测，2007，29（12）：705－721.

［3]李建文，王增勇，汤光平.金属壳体粘接结构件的超声检测［J].无损检测，2010，32（4）：283－285.