基于Burg算法的自回归谱外推技术提高TOFD检测纵向分辨率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于Burg算法的自回归谱外推技术提高T0FD检测纵向分辨率的 方法，其属于超声无损检测领域。
【背景技术】
[0002] 为有效评价被检测对象的物理完整性，就必须对其中所有缺陷进彳丁检测，以及精 确定位、定量。目前，超声衍射时差（TimeofFlightDiffraction,T0FD)技术是最精确的 超声检测与定量方法之一，是利用缺陷上下端的衍射信号传播时间差实现缺陷高度定量。 与传统脉冲回波法相比，T0FD技术对垂直的裂纹类缺陷进行检测时更具优势，能够实现缺 陷高度的精确定量。
[0003] 检测纵向分辨率是影响T0FD定量精度的关键因素之一。为进一步提高T0FD检测 纵向分辨率，现有方法包括参数优化法、图像能量分布法和频谱分析法等。通过参数优化可 以在一定程度上提高T0FD检测分辨率，但是受检测探头频率、缺陷深度等因素制约，纵向 分辨率提高有限；图像能量分布法中缺陷信号的提取效果受待处理图像质量影响较大，往 往存在缺陷信号分离困难的问题；频谱分析法受探头频带宽度限制，当缺陷上下端传播时 间差小于
（f为探头频率）时，该方法不再适用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于Burg算法的自回归谱外推技术提高T0FD检测纵向 分辨率的方法。针对T0FD检测中纵向分辨率不足引起的缺陷上下端衍射信号混叠问题，利 用一种基于Burg算法的自回归谱外推技术，通过拓宽缺陷回波信号频带宽度，实现混叠衍 射波信号在时域上的分离，从而提高检测信号纵向分辨率，实现缺陷高度定量。
[0005] 本发明采用的技术方案是：一种基于Burg算法的自回归谱外推技术提高T0FD检 测纵向分辨率的方法，其特征是：以系统脉冲信号的_6dB频带宽度为基准，选取该频带范 围内的缺陷信号，利用Burg算法估计该频带范围外的缺陷信号，从而拓宽频带宽度，提高 缺陷检测的纵向分辨率，实现缺陷高度定量，所述方法的测量步骤如下：
[0006] (a)首先对被检工件进行T0FD检测D扫描，初步确定缺陷位置，根据缺陷深度信息 选择合适的探头频率、探头角度，并调整探头中心间距、时间窗口范围、检测灵敏度、脉冲重 复频率和扫查增量等参数；
[0007] (b)根据步骤（a)中确定的T0FD检测参数对被检工件内的目标缺陷进行B扫描， 并存储B扫描图像，通过T0FD分析软件将B扫描图像中抛物线顶点处的A扫描信号y(t) 导出；
[0008] (c)利用与被检工件材质相同的对比试块，得到其底面反射回波信号，将其作为系 统脉冲信号，即自回归谱外推处理的参考信号h(t)，对检测信号y(t)和参考信号h(t)分别 进行傅里叶变换，利用检测信号y(t)的频域表达式Y(?)直接除以系统脉冲信号h(t)的 频域表达式H(?)，获得缺陷的估计信号X(?)，即
[0010] 式中H#(?)是H(?)的共轭复数；
[0011] ⑷根据系统脉冲信号频谱最大幅值下降6dB所确定的频带窗口[?u ?H]，获得 与该窗口对应的数据范围[iuiH]，选取该数据范围内的缺陷信号X(?)作为参考模型，利 用最终预测误差准则确定模型阶数P，使用Burg算法求得自回归谱外推系数ak;
[0012] (e)分别利用前向预测公式⑵和后向预测公式⑶估计出i>i#Pi〈U范围内 的Xi(?)估计值，
[0015] 式中为外推值，a丨是自回归谱外推系数的共轭复数；
[0016] (f)将频带窗口[?u ?H]外的数据和频带窗口内的数据相结合，得到缺陷信号频 谱，对缺陷信号频谱尤丨_进行傅里叶逆变换，得到其时域信号；cM，读取缺陷上下端 衍射波信号的时间差At，根据公式（4)，即可计算得到缺陷的高度h，
[0018] 式中，c为被检工件纵波声速，S为探头中心间距一半，t为缺陷上端衍射波传播时 间，At为缺陷上下端衍射波传播时间差。
[0019] 本发明的有益效果是：与现有的提高TOFD检测纵向分辨率的方法相比，基于Burg 算法的自回归谱外推技术通过估计_6dB频带范围外的缺陷信号，从而拓宽频带宽度，克服 了检测探头频带宽度等因素的制约，提高了TOFD检测纵向分辨率。在此基础上，本发明 能够在时域上分离混叠衍射波信号，实现缺陷的定量、定位，且缺陷高度定量误差不超过 10%。同时，本发明可操作性强，并对硬件系统无额外要求，具有较好的工程应用价值和较 高的经济效益。
【附图说明】
[0020] 下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
[0021] 图1是TOFD超声测试系统连接示意图。
[0022] 图2是被检工件缺陷分布及TOFD探头放置示意图。
[0023] 图3是高度1. 00mm裂纹的B扫描图像。
[0024] 图4是系统脉冲响应信号，（a)时域波形h(t)，（b)频谱H(?)。
[0025] 图5是高度1. 00mm裂纹A扫描信号的谱外推结果。
【具体实施方式】
[0026] 基于Burg算法的自回归谱外推技术提高TOFD检测纵向分辨率的方法中，采用的 超声测试系统如图1所示，其中包括TOFD超声检测仪、集成常规分析功能软件的计算机、标 称频率5MHz的TOFD探头、扫查装置等。它采用的测量及处理步骤如下：
[0027] (a)研宄对象为碳钢试块，试块尺寸800mmX500mmX250mm，其中裂纹壁厚方向高 度为1. 00mm，裂纹下端距检测面深度为48. 5mm，材料纵波声速5935m/s。采用TOFD超声检 测仪，选用探头频率5MHz，晶片尺寸6mm，入射角度为45°的两个TOFD探头，并设置探头中 心间距2S= 100mm(见图2)。A扫描时间窗口起始位置设置为直通波到达接收探头之前， 终止位置为缺陷信号到达接收探头后，采样频率100MHz。
[0028] (b)如图2所示，将一对TOFD探头对称放置于被检工件缺陷上方进行B扫描，通 过TOFD分析软件将B扫描抛物线顶点处的时域信号导出，用来进行信号后续处理。对于高 度1. 00mm的裂纹，其B扫描结果如图3所示。从图3中可以看出，缺陷上端和缺陷下端回 波信号发生混叠，不能直接读取上下端传播时间差，无法确定缺陷高度。
[0029] (c)在与被检工件材质相同的标准试块上，利用单探头得到底面反射回波信号，将 其作为系统脉冲信号，即参考信号h(t)(如图4(a)所示）。对检测信号和系统脉冲信号作 傅里叶变换，用检测信号y(t)的频域表达式Y(?)直接除以系统脉冲信号h(t)的频域表 达式H(?)，获得缺陷的估计信号X(?)。
[0030] (d)根据系统脉冲信号确定-6dB频带窗口为1. 7MHZ-7. 1MHz，其对应数据点为 15-55,即选取缺陷信号中第15个到第55个点的数据。根据FPE定阶准则确定模型阶数p =15,利用Burg算法计算得到自回归谱外推系数ak(见表1)，并利用公式（2)和公式（3) 插补估计出低频（f< 1. 7MHz)和高频（f> 7. 1MHz)范围内的数据。
[0031] 表1谱外推系数
[0033] (e)对拓展得到的缺陷信号进行傅里叶逆变换，获得缺陷脉冲信号时域估计值 (如图5)。经过自回归谱外推处理后，裂纹上下端混叠衍射信号被分离。从图3中直接读 取缺陷上端深度47. 36mm，从图5中读取裂纹上下端回波时间差为0. 2674ys，代入公式 (4)计算可得缺陷下端深度为48. 50_。因此，缺陷高度定量结果为1. 10_，其绝对误差为 0. 10mm，相对误差为10. 0%，能够满足工程需求。
【主权项】
1. 一种基于Burg算法的自回归谱外推技术提高TOFD检测纵向分辨率的方法，其特征 是：以系统脉冲信号的_6dB频带宽度为基准，选取该频带范围内的缺陷信号，利用Burg算 法估计该频带范围外的缺陷信号，从而拓宽频带宽度，提高缺陷检测的纵向分辨率，实现缺 陷高度定量，所述方法的测量步骤如下： (a) 首先对被检工件进行TOFD检测D扫描，初步确定缺陷位置，根据缺陷深度信息选择 合适的探头频率、探头角度，并调整探头中心间距、时间窗口范围、检测灵敏度、脉冲重复频 率和扫查增量等参数； (b) 根据步骤（a)中确定的TOFD检测参数对被检工件内的目标缺陷进行B扫描，并存 储B扫描图像，通过TOFD分析软件将B扫描图像中抛物线顶点处的A扫描信号y(t)导出； (c) 利用与被检工件材质相同的对比试块，得到其底面反射回波信号，将其作为系统脉 冲信号，即自回归谱外推处理的参考信号h (t)，对检测信号y (t)和参考信号h (t)分别进行 傅里叶变换，利用检测信号y(t)的频域表达式Υ(ω)直接除以系统脉冲信号h(t)的频域 表达式H (ω)，获得缺陷的估计信号X (ω)，即(1) 式中Η#(ω)是Η(ω)的共轭复数； (d) 根据系统脉冲信号频谱最大幅值下降6dB所确定的频带窗口 [ω" ωΗ]，获得与该 窗口对应的数据范围[iuiH]，选取该数据范围内的缺陷信号Χ(ω)作为参考模型，利用最 终预测误差准则确定模型阶数Ρ，使用Burg算法求得自回归谱外推系数ak; (e) 分别利用前向预测公式⑵和后向预测公式⑶估计出i>i#P i〈U范围内的 Xi (ω)估计值，(2) (3) 式中;为外推值，α丨是自回归谱外推系数的共轭复数； (f) 将频带窗口 [?u ωΗ]外的数据和频带窗口内的数据相结合，得到缺陷信号频谱 ，对缺陷信号频谱进行傅里叶逆变换，得到其时域信号;，读取缺陷上下端 衍射波信号的时间差Δ?，根据公式（4)，即可计算得到缺陷的高度h，(4) 式中，c为被检工件纵波声速，S为探头中心间距一半，t为缺陷上端衍射波传播时间， Δ t为缺陷上下端衍射波传播时间差。
【专利摘要】一种基于Burg算法的自回归谱外推技术提高TOFD检测纵向分辨率的方法，属于超声无损检测技术领域。该方法采用一套TOFD超声检测仪、TOFD探头、扫查装置、集成TOFD常规分析功能的软件以及计算机构成的超声检测系统。针对缺陷进行TOFD扫查，对采集到的包含缺陷上下端衍射波的时域混叠信号进行自回归谱外推处理。以参考信号的-6dB频带宽度为基准，选取该频带范围内的缺陷信号，并利用Burg算法估计该频带范围外的缺陷信号，从而拓宽频带宽度，提高缺陷检测的纵向分辨率，实现缺陷高度定量。与其它提高TOFD检测纵向分辨率的方法相比，该方法对硬件系统无额外要求，且不受检测探头激励脉冲时间宽度的限制，具有较好的工程应用价值。
【IPC分类】G01N29/44, G01N29/06, G01N29/07
【公开号】CN104897777
【申请号】CN201510335255
【发明人】林莉, 张东辉, 谢雪, 刘丽丽, 罗忠兵, 张树潇, 金士杰, 赵天伟, 康达, 杨会敏, 雷明凯
【申请人】中国核工业二三建设有限公司, 大连理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日