脉冲压缩在钢板腐蚀电磁超声SH 导波检测中的应用

石文泽，黄祺凯，卢超，3，*，邱发生，陈尧，陈果

(1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063；2.中科院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京 100190；3.赣南师范大学江西省数值模拟与仿真技术重点实验室，赣州 341000)

金属板材广泛应用于建筑、船舶、核电、化工等领域，腐蚀缺陷是金属板材服役过程中最常见的失效形式，严重影响其服役的安全性和可靠性[1]。金属薄板广泛适用于高压燃料贮存罐、高温高压锅炉等大型耐压壳体，其外径和高度通常可达到几十米甚至几百米，这类薄板必须保持高度气密性，而严重腐蚀造成的壁厚减薄将导致其气密性下降，因此有必要对在役金属薄板进行大范围快速在线无损检测，预防液气泄露甚至燃烧爆炸等严重意外事故的发生[2]。腐蚀多为具有减薄特征的任意形状缺陷，通常采用人工预制圆孔和球孔来模拟腐蚀坑[3-5]，以此作为模拟缺陷当量大小的对比依据。传统的超声体波或超声时差衍射法由于只能实现点对点检测，虽然缺陷检测灵敏度较高，但很难适合在役金属薄板的大范围在线快速检测[6]。常规压电超声要求换能器与试样之间充分接触以产生足够能量的超声导波，而在役钢板恶劣的表面状况将严重影响压电超声的耦合效果和缺陷检测能力[7]。激光超声虽然拥有非接触检测的特点，并在腐蚀缺陷检测上有一定的工程应用[8-9]，但仪器成本高、检测环境要求高。

电磁超声导波因其传播距离远、检测效率高、不需要耦合剂等优点，广泛应用于高低温、金属薄板和薄管的大范围在线快速检测[10-11]。在役金属薄板表面的杂质、油污、水滴、锈蚀等将严重影响lamb 导波的检测距离和检测灵敏度，但是水平剪切(shear horizontal,SH)导波质点振动与金属试样表面平行，仅存在面内位移，受上述在役钢板表面杂物的影响较小[12-13]。虽然SH 导波具有频散和多模态特性，但基础模态SH0不会发生频散，导波模态转换较少，有利于波包分离，降低了检测难度[14]。由此可见，电磁超声SH 导波技术兼具非接触检测和单点激励、长距离大范围检测等优点，将其应用于含表面附着物(表面杂质、锈蚀、局部不平整、油污等)的在役金属薄板的大范围在线快速检测具有重要的工程应用价值[15]。然而，超声导波与腐蚀缺陷作用时，大部分导波能量将被腐蚀缺陷的弧面散射出去，接收到的反射波能量普遍较低，因此，在役钢板腐蚀缺陷快速导波检测的难度相对较大。另外，由于电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)换能效率低和信噪比差、检测回波受提离影响较大等问题，限制了电磁超声SH 导波检测技术在在役钢板腐蚀缺陷大范围在线快速检测中的广泛应用[12]。

脉冲压缩技术可以有效提高磁超声换能器检测回波的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和空间分辨率，可以在不增加EMAT 检测系统中的功放输出功率和低噪音抑制能力的条件下，极大程度地提高缺陷检测能力。国内外学者已经将脉冲压缩技术应用于超声检测，例如Ricci 等[16]将脉冲压缩技术应用于高衰减锻钢厚度的压电超声检测，指出脉冲压缩技术能提高检测回波的SNR 和空间分辨率。石文泽等[17]将chirp 信号脉冲压缩技术应用于高温连铸坯电磁超声检测，经过脉冲压缩后，超声回波的SNR 提高19 dB，波包宽度减少62.4%。Zhu和Wu[18]将编码脉冲压缩技术应用于岩石压电超声检测，发现线性调频信号、正弦调制Barker 码、线性调频Barker 码对应的SNR 相比传统单脉冲激励方式分别提高了8.00dB，11.58dB，8.53dB。An 等[19]将脉冲压缩技术用于天然气管道压电超声检测，在包络提取等处理后，消除了管道弯头的干扰，经过脉冲压缩和匹配滤波后，脉冲噪声、高斯白噪声水平显著降低。Fu 等[20]将线性调频Barker 码脉冲压缩应用于压电超声成像检测，经脉冲压缩和失配滤波处理后，主旁瓣比(peak-to-side loberatio,PSL)从22.3dB显著提高到40.0 dB。

Barker 码信号激励得到的超声信号经过脉冲压缩处理后，在主瓣两侧会产生旁瓣，将严重干扰小缺陷的判定。Zhou 等[21]将小波分析和脉冲压缩应用于空气耦合超声检测，但实际测得的PSL 远低于理论值，仅为6.99 dB。张慧琳和宋小军[22]发现最小均方差逆滤波器相比于加权匹配滤波器对旁瓣抑制效果更好，PSL 为63.59 dB，不影响Barker 码对应的接收信号幅度，但在实际检测中，接收信号受噪音影响较大。宋寿鹏和乔梦丽[23]将非线性调频Barker 码脉冲压缩技术应用于金属板材超声检测，减小了噪声信号干扰，可以检出板材焊缝中的裂纹、未焊透、未熔合、气孔和夹渣等缺陷。

综合文献[16-23]所述，国内外关于脉冲压缩技术在超声检测中的应用研究涉及较多，包括压电超声、空耦超声、电磁超声等，但将Barker 码脉冲压缩技术用于电磁超声SH 导波检测的研究较少，需要进一步完善，特别是在Barker 码激励参数与EMAT参数匹配和选择方面，还存在许多问题，例如Barker码序列长度、码元长度、永磁体对数等参数对单一模态导波激励、外部噪音抑制能力、快速检测能力(减少同步平均次数)、EMAT 提离(粗糙表面适应能力)等的影响，这些因素都会影响EMAT 检测回波的SNR 及空间分辨率。针对上述问题，本文通过采用实验和数值分析相结合的方式，分析不同Barker码序列长度、码元长度、永磁体对数、EMAT 提离等参数对SH 导波EMAT 检测回波的信噪比、波包宽度的影响，验证了Barker 码脉冲压缩技术在钢板腐蚀缺陷电磁超声SH 导波检测中的应用优势。

1 SH 导波传播有限元建模和脉冲压缩算法实现

1.1 SH 导波EMAT 换能机理

基于洛伦兹力机理的SH 导波EMAT 换能机理如图1 所示。当跑道线圈中通以高频大功率激励电流，将在试样表面产生频率相同、方向相反的感应电涡流Je。Je在周期性永磁体序列(periodic permanent magnet,PPM)提供的静态偏置磁场Bs作用下，产生洛伦兹力fL，并带动金属薄板表面质点振动，在薄板长度方向产生SH 导波。

图1 基于洛伦兹力的PPM-EMAT换能机理Fig.1 PPM-EMAT conversion mechanism based on Lorentz force

1.2 SH 导波EMAT 设计参数及有限元建模

采用圆孔来模拟钢板的腐蚀缺陷，建立含深度为3mm、直径为2 0 mm 圆孔的金属薄板SH 导波传播有限元模型如图2 所示，建模参数如表1 所示。将PPM-EMAT 在钢板表面形成的洛伦兹力简化为加载方向相反、间距d为7mm 的16 个面载荷区域，对应8 对永磁体。当有限元模型的最大网格单元大小为1.6mm，瞬态求解器中最大计算步长为0.05µs，计算结果收敛。

表1 有限元建模参数Table 1 Parameters in finite elem ent m odel

图2 SH导波传播有限元模型Fig.2 Finite element model of SH guided wave propagation

SH 导波的多模态效应会影响脉冲压缩效果，由于高阶模态SH 导波遇到缺陷、变截面或端面将会发生频散，使高阶模态导波波包与Barker 码参考信号有一定区别，导致脉冲压缩后的主瓣宽度和主瓣峰值难以进行较大幅度地改善。因此，当SH0导波和高阶SH 导波对应的回波波包重叠时，将降低缺陷检测回波的SNR 和空间分辨率，从而减低了缺陷检测能力，所以应当抑制高阶模态，减小对检测能力的影响。图3 为SH 导波在钢板中的频散曲线。永磁体宽度为7mm，以2 倍磁铁宽度为斜率绘制曲线，SH0模态工作点为0.23MHz，而在实际检测中，钢板厚度、永磁体宽度、实际声速与理论声速存在误差，因此实际选取的工作点应在0.23MHz附近。

图3 SH导波在钢板中的频散曲线Fig.3 Frequency dispersion curve of SH guided wave propagation in steel plate cross-section

对于PPM-EMAT，永磁体对数和脉冲激励电流的持续时间影响其所激励的SH 导波模态成分。增加永磁体对数和激励电流的持续时间有利于实现单一模态SH 导波的控制。当永磁体对数为8 对、面载荷函数持续时间为130µs，即2 个完整周期数时，SH 导波在钢板横截面的传播瞬态云图如图4 所示。由图4 可知，当激励频率为0.2MHz、周期序列永磁体宽度为7mm 时，SH 导波在与缺陷作用前、作用时、作用后3 个过程，仅产生单一SH0模态，因此，实验中激励频率选为0.2MHz。

图4 钢板横截面的SH导波传播云图Fig.4 Contour plots of SH guided wave propagation in steel plate cross-section

1.3 Barker 码脉冲压缩算法及旁瓣抑制方法

Barker 码是单次发射的二进制编码序列，通过匹配滤波可以进行脉冲压缩，并获得较低的距离旁瓣[24-25]。目前已知最长的Barker 码序列长度为13，其峰值旁瓣水平PSL 为22.3 dB[26]。PSL 可以衡量脉冲压缩距离旁瓣抑制效果。PSL 计算方式如下：

式中：N为Barker 码的序列长度。

13 位Barker 二进制序列为{1,1,1,1,1,−1,−1,1,1,−1,1,−1,1}，将正弦脉冲串作为Barker 码序列的码元，以此作为EMAT 的激励信号。激励信号u[m]和码元序列v[s]可以表示为

式中：f(·)为子脉冲函数；M为子脉冲的时间宽度；Tc为码元的持续时间；Ck=±1为Barker 码编码序列。

将Barker 码信号u[m]加载到EMAT 线圈，可以获取EMAT 接收到超声回波信号s[m]，则脉冲压缩后的信号yi[m]计算式如下[27]：

式中：T为原始信号长度；τ为自变量。

13 位Barker 码自相关函数及旁瓣抑制如图5所示。由图5 可知，13 位Barker 码自相关函数图中主瓣两侧各分布6 个旁瓣，且底宽均为2Tc。由于旁瓣具有较好的对称性，因此可以通过引入加权因子抑制旁瓣。将脉冲压缩后的信号经过12 次延迟，再将延迟信号与相应加权系数相乘后全部相加，可以使旁瓣信号向两侧推移，在−12Tc＆lt;t＆lt;12Tc范围内旁瓣为0，但在此范围外将产生新的旁瓣[28]，如图5(b)所示。通过增加延迟线，可以使旁瓣继续向两侧推移，其推移距离与延迟线数量相关[29]。

图5 13位Barker码脉冲压缩及旁瓣抑制Fig.5 Pulse compression and side-lobe suppression of 13-bit Barker code

2 SH 导波EMAT 脉冲压缩效应的影响因素分析

2.1 Barker 码序列长度

经过归一化处理后，无单位的不同序列长度Barker 码对应的激励信号、原始超声波信号、脉压信号和经旁瓣抑制后的脉压信号如图6 所示，其中图6(a)～图6(c)是中心频率为0.2MHz 和单个码元长度为10µs 的Barker 码激励信号，图6(d)～图6(f)为超声回波信号。激励信号图6(a)～图6(c)分别对应与超声回波信号图6(d)～图6(f)进行卷积，可得脉压信号如图6(g)～图6(i)所示，脉压信号经过旁瓣抑制如图6(j)～图6(l)所示。比较图6(g)～图6(i)和图6(j)～图6(l)可知，旁瓣抑制前的主瓣宽度变化范围为25～30µs，但抑制后的主瓣宽度均为30µs。引入加权因子能有效抑制距离旁瓣，提高检测回波的空间分辨率，当序列长度由5 位增加至13 位时，PSL 呈增长趋势，波包宽度则无明显变化。

图6 不同序列长度Barker码对应的激励信号、超声波信号、脉压信号和经旁瓣抑制后的脉压信号Fig.6 Excitation signals, ultrasonic signals, pulse compressed signals, pulse compressed signals after side lobe suppression when Barker code signals with different sequence lengths is used

2.2 码元长度

经过归一化处理后，无单位的不同码元长度Barker 码对应的激励信号、超声波信号、脉压信号和经旁瓣抑制后的脉压信号如图7 所示。由图7 可知，Barker 码信号的码元长度增加，PSL 和波包宽度呈增长趋势，空间分辨率下降。由图7(j)可知，当码元长度为5µs 时，序列过短将导致高阶SH 导波模态产生，且因其频散特性，与原始参考信号频率成分差别很大，很难实现脉冲压缩，并与缺陷回波重叠，不利于缺陷识别。

图7 不同码元长度Barker码对应的激励信号、超声波信号、脉压信号和经旁瓣抑制后的脉压信号Fig.7 Excitation signals, ultrasonic signals, pulse compressed signals, pulse compressed signals after side lobe suppression when Barker code signals with different subpulse lengths is used

2.3 EMAT 永磁体对数

经过归一化处理后，图8 为不同永磁体对数对应的旁瓣抑制后无单位的脉压信号。由图8 可知，永磁体对数的增加使激励载荷面积增大，信号发射能量提高，使PSL 和波包宽度相应增加。由图8(a)可知，对数过少，会产生SH0以外的其他高阶模态，故应选取6 对及以上永磁体。

图8 永磁体对数对旁瓣抑制后脉压信号的主瓣宽度和PSL的影响Fig.8 Effect of permanent magnet pairs on main lobe width and PSL of pulse compressed signals after side lobe suppression

3 金属薄板SH 导波EMAT 检测实验

3.1 SH 导波EMAT 设计及其实验系统

SH 导波EMAT 检测实验系统如图9 所示。信号发生器产生中心频率0.2 MHz 的Barker 码激励信号，经功率放大器和激励端阻抗匹配后，激励EMAT 获得尽可能多的能量。接收端EMAT 的信号滤波后经过前置放大器放大，通过数据采集卡在PC 机上软件界面显示和存储数据。

图9 EMAT实验系统Fig.9 EMAT experimental system

图10 为EMAT 探头和钢板实物图。激励和接收EMAT 均由8 对永磁体和跑道线圈组成，其中永磁体尺寸为长20mm×宽7mm×高3.8mm。图11 为含预制缺陷的钢板试样示意图。试块材料为45#钢，厚度为5.6mm。在实验中，接收EMAT 中的始波及其引起的电磁串扰过长，直达波将淹没其中，因实际检测对象为几十米至几百米的大型耐压壳体的在役钢板，待检测区域较大，近距离检测能力下降对在役大规格钢板快速导波检测影响较小，故EMAT 探头之间距离所引起的导波检测盲区可以忽略不计。由于钢板相对较薄，主要关注壁厚减薄等缺陷，一般以壁厚减薄10%～20%作为缺陷检测灵敏度[5]。因此，在钢板上预制了深度为2mm 和3mm、直径为20mm 的圆孔。

图10 EMAT探头和钢板实物图Fig.10 Picture of EMAT probe and steel plate

图11 含预制缺陷的钢板试样示意图Fig.11 Schematic diagram of steel plate with prefabricated defects

3.2 Barker 码序列长度影响规律分析

图12 为无同步平均时，不同Barker 码序列长度对应的旁瓣抑制后脉压信号，其中Barker 码的中心频率为0.2MH z，码元长度为1 0µs。EMAT 位置如图10 所示，检测对象深度为3mm、直径为2 0 mm的圆孔。由图11 和图12 可知，第1 个波包为缺陷波，第2 个波包为右端面回波，第3 个波包为左端面回波。直达波声程较短，淹没在初始电磁串扰中。结合仿真结果，由图6 和图12 可知，增加Barker码序列长度可以增强缺陷回波的SNR，但对波包宽度影响不大，即对空间分辨率影响不大。在不同缺陷检测时，需同时考虑空间分辨率和SNR，故在选取Barker 码时应尽可能提高序列长度来提升缺陷检测能力。

3.3 码元长度影响规律分析

图13 为无同步平均时，不同Barker 码码元长度对应的旁瓣抑制后的脉压信号。由图7 和图13可知，增加Barker 码的码元长度可以增强缺陷波的SNR，但对缺陷波的波包宽度影响很大。由图12和图13 可知，当Barker 码激励信号的序列长度为13，码元长度为5µs 时，产生的高阶模态降低了空间分辨率，因此过短的码元长度也不合适。由于实验中采用的脉冲功率放大器的最大输出脉冲串持续时间不超过200µs，故最长可选用1 5µs 的码元，即Barker 码激励信号的持续时间为195µs。

图12 无同步平均时，不同Barker码序列长度对应的旁瓣抑制后的脉压信号Fig.12 Pulse compressed signals after side lobe suppression in correspondence with the Barker codes of different sequence lengths when there is no synchronous average

图13 无同步平均时，不同Barker码码元长度对应的旁瓣抑制后的脉压信号Fig.13 Pulse compressed signals after side lobe suppression in correspondence with the Barker code with different subpulse durations when there is no synchronous average

3.4 无同步平均和大提离时缺陷检测能力分析

图14 为单一频率(0.2MHz)正弦脉冲串激励时，不同同步平均次数对应的缺陷波SNR 和主瓣宽度，检测缺陷是深度为3mm、直径为2 0 mm 的圆孔。由图14 可知，当平均次数从1 次增加到128 次，缺陷波的SNR 从9.5d B 增加至3 0.5 dB，但仍比无同步平均的13 位序列和15µs 码元长度Barker 码脉冲压缩对应的缺陷波SNR(如图13(c)所示)低5.8 dB，波包宽度未发现明显变化，即13 位Barker 码脉冲压缩技术对应的缺陷检测灵敏度更高。虽然增加平均次数能够有效提高检测回波的信噪比，但多次同步平均采集所需的检测时间也会大幅度增加，而无同步平均的Barker 码脉冲压缩技术不仅能有更高的检测回波SNR 及更好的空间分辨率，且能提高大规格在役钢板的检测效率，缩短检测时间。

图14 单一频率正弦脉冲串激励时，同步平均次数对缺陷波SNR和波包宽度的影响Fig.14 Effect of the synchronous averaging number on the SNR and packet width of the defect echo when the toneburst excitation is used

在役钢板表面通常涂覆有一定厚度的防锈层，用来防止局部腐蚀，涂层厚度将会增加EMAT 与钢板之间的提离，从而导致检测回波SNR 随提离的增加而急剧下降[30-31]。同时，为了防止在役钢板表面杂物、锈蚀和油污等杂物对EMAT 探头造成磨损或损坏，并满足在线、快速、无障碍扫查等要求，需要在保证一定检测回波信噪比的条件下增加EMAT 提离。图15 为采用单一频率(0.2 MHz)脉冲串信号激励方式时对应的超声回波。由图15 可知，当EMAT 提离为1.5mm 时，已不能识别缺陷回波，完全淹没在噪音中。

图15 EMAT提离为1.5 mm和同步平均次数为128时，单一频率正弦脉冲串激励对应的超声波信号Fig.15 Received ultrasonic signals with tone-burst excitation,when life-off is 1.5 mm, and synchronous average is 128

图16 为EMAT 提离对无同步平均、旁瓣抑制后脉压信号及128 次平均的单一频率信号的缺陷波信噪比的影响。其中待检测缺陷是深度为3mm、直径为20mm 的圆孔，Barker 码激励信号由13 位序列、15µs 码元组成。由图1 6 可知，当提离为1.0mm时，无同步平均的Barker 码脉冲压缩技术对应的缺陷波SNR 比128 次同步平均降噪的单一频率脉冲激励方式高出12.5d B。当EMAT 提离为3.0mm时，无同步平均的Barker 码脉冲压缩技术对应的缺陷波SNR 仍可达8.7 dB，而128 次同步平均降噪的单一频率脉冲激励这一方式，却无法可靠获取缺陷波。与单一频率脉冲激励结合多次同步平均降噪这一传统的检测方式相比，Barker 码脉冲压缩技术可以在无同步平均降噪的条件下获取更高的检测回波信噪比，这一优势使得基于Barker 码脉冲压缩技术的电磁超声SH 导波技术可以在更大的提离条件下获取足够的检测回波信噪比。

图16 EMAT提离对无同步平均、旁瓣抑制后脉压信号及128次平均的单一频率信号的缺陷波信噪比的影响Fig.16 Effect of EMAT lift-off on the SNR of the defect echoes from the pulse-compressed signals after side-lobe suppression with no synchronous average and averaged single frequency signals at 128

Barker 码序列长度、码元长度是影响缺陷检测效果的主要因素，当序列长度由5 位增加至13 位及码元长度由5µs 增加至1 5µs 时，SNR 均明显增加，另外为了单独比较不同序列长度和码元长度对缺陷波SNR 的影响，故选取基于5 组Barker 码参数组合的脉冲压缩算法的电磁超声SH 导波检测方法对深度为2mm、直径为2 0 mm 的圆孔进行检测，得到的无同步平均时对应的缺陷波SNR 如表2所示。

表2 采用不同Barker 码激励信号和无同步平均时，2 mm 深度圆孔对应的缺陷波SNRTable 2 SNR of the defect echo from 2 mm deep circular hole w ith different Barker code signals and w ithout synchronous average

由表2 可知，13 位序列和15µs 码元长度的Barker码激励信号对应的缺陷波SNR 为31.4 dB。通过短横孔回波声压式分析，缺陷深度减小一半，其回波下降6d B，因此，深度为1 mm、直径为2 0 mm 的圆孔对应的缺陷波SNR 约为25.4 dB。当Barker 码持续时间由50µs 增加至19 5µs，缺陷波SNR 由1 7.7 dB增加至31.4 dB。由此可知，Barker 码持续时间越长，缺陷回波信噪比越高，但实际检测中，功率放大器等设备性能指标限制了Barker 码激励信号的持续时间，过长的Barker 码激励电流将会导致设备功能性损坏。

4 结 论

1)将Barker 码脉冲压缩技术应用于役钢板腐蚀缺陷电磁超声大范围在线SH 导波检测，可以极大程度地提高检测回波信噪比、空间分辨率、检测效率和提离距离。与单一频率脉冲串激励并结合多次同步平均降噪这一传统检测方式相比，采用Barker 码脉冲压缩技术对单次采集的电磁超声回波信号进行处理既可以获取至少相当于128 次同步平均的噪音抑制效果。

2)当Barker 码序列长度为13 位、码元长度为15µs，且EMAT 提离为3.0mm 时，深度为3 mm、直径为20mm 的圆孔对应的缺陷回波信噪比大于8.7 dB。然而，对于单一频率脉冲激励和128 次同步平均这一方式，在1.5mm 提离时，已无法实现缺陷检测。采用基于Barker 码脉冲压缩技术的电磁超声SH 导波检测方法在较大提离时依然能够保持较高的信噪比，尤其针对表面附着物(锈蚀、局部不平整、油污等)的在役金属薄板和薄管在线快速大范围检测具有较大的优势。实验中采用圆孔缺陷模拟腐蚀缺陷，与实际模拟缺陷有一定区别，未来将重点研究基于Barker 码脉冲压缩算法的电磁超声导波技术对在役钢板自然腐蚀缺陷的检测能力。

3)随着Barker 码序列长度和码元长度的增加，经过脉冲压缩和旁瓣处理后的信噪比逐渐提高，对缺陷的检测能力越强。然而，脉冲功率放大器等设备性能(如占空比、单次最大脉冲宽度等)限制了Barker 码激励信号的持续时间，过长的Barker 码激励电流将会导致设备性能不稳定甚至功能性损坏，下一步可以从特殊EMAT 设计、阻抗匹配网络设计、Barker 码激励信号幅值加权等方面出发，消除功放设备性能的限制。