(1. 北京航空航天大学无损检测与机电工程研究所 北京 100191； 2. 南昌航空大学航空检测与评价航空科技重点实验室 南昌 330063)
摘要：为了提高空气耦合超声检测中的信号强度及其信噪比，研究线性调频脉冲压缩技术在空气耦合超声检测中的应用。介 绍线性调频脉冲压缩技术的基本原理及其匹配滤波器的设计与实现，分析脉冲压缩参数对空气耦合超声检测结果的影响，试 验研究不同激励方式对空气耦合超声换能器接收信号的影响以及脉冲压缩方法对提高信噪比的实际效果，构建空气耦合超声 C 扫描检测系统，对碳纤维增强复合材料板进行检测试验。研究结果表明：相对于常规脉冲激励方式，连续波激励方式可提 高换能器的能量转换效率，激励信号频率特性与换能器频率特性相一致时效果最佳；应用线性调频脉冲压缩方法后，空气耦 合超声检测的信噪比有了明显提高，检测效果得到了明显改善。
第 46 卷第 18 期 2010 年 9 月
机械工程学报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
Vol.46 No.18 Sep. 2 0 1 0
DOI：10.3901/JME.2010.18.024
线性调频脉冲压缩方法在空气耦合 超声检测中的应用研究*
周正干 1, 2 魏 东 1, 2 向 上 1, 2
月 2010 年 9 月
周正干等：线性调频脉冲压缩方法在空气耦合超声检测中的应用研究
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在整个超声检测过程中，影响接收信号的因素 很多，其中，换能器的转换效率及耦合输出关系在 硬件不变的情况下是无法改变的。实际应用中，可 以提高超声信号信噪比的主要方法有：使用合适的 激励方法使换能器产生尽可能高的输出信号；应用 超低噪声前置放大器完成接收信的放大；采用信 号处理技术增强接收信号信噪比[3]。
Abstract ： To increase the signal and the signal-to-noise ratio in air-coupled ultrasonic testing, a study of application of linear-frequency-modulation based pulse compression technology in air-coupled ultrasonic testing is carried out. The fundamentals of linear-frequency-modulation based pulse compression technology are introduced. The design and implementation procedure of matched filter is described. The relationship between parameters of pulse compression technology and the test results is analyzed. Experimental researches on the influences of different excitation modes on the received signal of air-coupled ultrasonic transducer and the actual effect of pulse compression technology on the improvement of signal-to-noise ratio are carried out. An air-coupled ultrasonic C-scan testing system is set up with pulse compression technology and test experiments are done with carbon fiber reinforced plastics(CFRP) plates. Experimental results show that the transducer’s energy conversion efficiency with continuous wave excitation is better than that with pulse wave excitation, especially when the frequency characteristic of excitation signal is same as that of the transducer. The signal-to-noise ratio of air-coupled ultrasonic testing is enhanced effectively with pulse compression technology, and the validity of pulse compression technology is testified by ultrasonic imaging results. Key words：Air-coupled ultrasonic testing Linear frequency modulation Pulse compression technology C-scan imaging
2.1 带宽的选择
一般未调制脉冲的时宽—带宽积趋近于 1[11]， 通过频率调制方法，可使其时宽带宽积 tb B>1。仿 真分析不同带宽 B 时的输出信号，选择调频激励信 号的时宽 tb =10 μs，基频 f0=3.5 MHz，匹配滤波器 输出信号的主瓣宽度取其幅值衰减到–6 dB 时的时
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间宽度，结果如图 2 所示。
系统信噪比大大增强。线性调频信号表达式为
p(t)
=
A exp
⎡ ⎢ ⎢⎣
j
⎛ 2π ⎜
⎝
f0t
+
B 2tb
t2
⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎥⎦
(1)
式中
f0 —— 基频，一般选择探头频带的中心频率 tb —— 调制信号持续时间，称为时宽 B —— 调制信号频带宽度，称为带宽
K —— 调频斜率
K =B/ tb 1.2 匹配滤波器的设计与实现
本文针对空气耦合超声检测中信号微弱、信噪 比低的问题，应用线性调频脉冲压缩技术对接收信 号进行处理。针对超声检测所用换能器特性，对解 压缩的匹配信号进行加窗处理，通过多种材料的实 际对比检测试验，分析了该方法在实际应用中应注 意的问题。最后改造了常规超声 C 扫描系统，使其 实现了脉冲压缩 C 扫描成像。
关键词：空气耦合超声检测 线性调频 脉冲压缩 C 扫描成像
中图分类号：TB533
Application of Linear-frequency-modulation Based Pulse Compression in Air-coupled Ultrasonic Testing
ZHOU Zhenggan1, 2 WEI Dong1, 2 XIANG Shang1, 2
1 线性调频脉冲压缩基本原理
各种脉冲压缩技术中，目前应用最广泛的是线 性调频脉冲压缩技术[9]。其中，调制激励信号的频 带宽度称为带宽，激励信号的持续时间称为时宽， 二者乘积称为时宽带宽积。脉冲压缩技术通常将回 波信号与一个参考波形进行相关计算，获得幅值高、 时宽小的信号。 1.1 基本原理
图 1 为超声检测中典型的线性调频脉冲压缩处 理过程，其中最主要的两个工作是激励信号产生和 匹配滤波器设计。线性调频激励信号经激励设备加 载到换能器上产生超声波，经过一定的声程传播后 被换能器接收产生回波信号，回波信号再通过匹配 滤波器处理后，形成脉冲压缩的输出波形。
轭[11]。
匹配滤波器可以通过软件实现，也可以直接设
计 FPGA、DSP 等硬件电路实现相关算法[12]。具体 实现方式主要取决于实际的计算速度需求，一般来
说，现有的超声 C 扫描检测系统的主机可以实现低 扫描速度下的在线计算。
2 超声检测中脉冲压缩参数的选择
图 1 超声检测中典型的线性调频脉冲压缩处理过程
(1. Institute for Nondestructive Testing and Mechatronics Engineering, Beihang University, Beijing 100191; 2. Aeronautic Science Key Laboratory for Aeronautic Testing and Evaluation, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063)
很好的应用前景[1]。但是，换能器材料与空气声阻 抗的严重不匹配，使得空气耦合超声换能器的效率 低、频带窄、脉冲余振长，从而导致空气耦合超声 检测系统无法达到一般超声检测系统的灵敏度、信 噪比和分辨率[2]。因此，如何能够高效、可靠地提 高空气耦合超声检测回波信号的信噪比是空气耦合 超声检测技术研究中的关键问题，它直接决定了其 是否可用于实际检测工作。
匹配滤波器的主要工作是将回波与参考波形
(一般为激励信号)进行相关处理，达到脉冲压缩目
的的同时，提高信噪比。令 Ri( f )为参考信号的傅里 叶变换，信噪比取得最大值时，匹配滤波器的传递
函数 H( f )应等于 Ri( f )共轭的常数倍。即
H ( f ) = GRi* ( f )
(2)
式中，G 为常数，通常取 1， Ri* ( f ) 为 Ri ( f ) 的共
得到提高。同时，由于噪声信号分布情况与有效信
号有显著的不同，匹配滤波后的幅值很低，所以信
噪比提高的效果非常明显。
伴随着任意波形发生器和高频功率放大器的
发展，连续波激励在超声无损检测领域的应用成为
可能，这为脉冲压缩技术的应用创造了条件。使用
线性调频激励信号，在接收端采用与激励信号相符的
匹配滤波器进行处理，可得到时宽窄、峰值高的信号，