微弱电磁波收集检测研究

毛先胤，邹 雕，黄 欢，张 伟

（1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550001；2.贵州电网有限责任公司，贵州 贵阳 550001）

0 引 言

电磁声换能器（Electromagnetic Acoustic Transducers，EMATs）是一种用于导电材料无损检测和材料表征的非接触式超声波发射与接收装置[1-3]。有相关研究发现，该设备的传导机制有洛伦兹力、磁致伸缩机制以及磁化力3个原理[4]。电磁超声检测系统通常由电磁阀(包括线圈、磁铁、被测材料)及其电路(包括发射电路、接收电路、匹配电路等)组成。与传统压电式换能器相比，EMATs具有许多独特的优点，如在运行过程中不需要声耦合，不需要对试件进行表面预处理，能够产生多种弹性波，有效地扩展了超声技术的应用范围，成为无损检测（Non-Destructive Testing，NDT）和无损评价（Non-Destructive Evaluation，NDE）领域的主流技术，但其传导效率较低[5-7]。假设EMAT线圈的发射电流为50 A，且检测系统的不同部分匹配良好，则换能器接收到的超声波信号往往小于100 μV。此外，EMAT对周围的电噪声非常敏感。因此，电磁超声检测系统必须具备较强的弱信号检测能力，才能从接收到的信号中提取出缺陷信息。由于检测系统的工作频率较高，通常在200 kHz～2 MHz之间，且接收信号的信噪比极低，使用模拟带通滤波器很难提取有用信息[8]。

1 电磁超声检测系统

电磁超声检测系统原理如图1所示。该系统由控制电路、功率放大器、两个匹配电路、收发开关、探头、前置放大器、选频放大器、数据采集以及计算器组成[9]。首先由控制电路产生音爆信号，然后用D类功放进行放大。通过几个宽带传输变压器实现匹配电路，从而实现最大的功率传输。TR开关用于隔离发射和接收过程，超声波可以通过一个EMAT线圈发射和接收。

图1 电磁超声检测原理图

数据采集电路可以同时采集前置放大器和选频放大器的输出信号[10]。这些数据被传输到计算机进行进一步处理，然后与示波器上显示的波形进行比较。通常情况下，预放大的末端信号可以达到几毫伏，而被检测信号由于反射面积较小甚至更弱。这说明了EMAT对周围噪声非常敏感，噪声的峰间振幅超过1 V，因此电磁超声检测系统必须具有较强的弱信号检测能力。

2 微弱信号检测技术

2.1 移动平均预处理方法

为了得到更好的处理结果，本文首先采用平均法对接收信号进行平滑处理。常用的平均方法有累积平均法和移动平均法等。累积平均法具有良好的去噪能力，是EMAT信号预处理的常用方法，但是这种方法的处理效率非常低，因为它需要对重复的信号进行多次采集。移动平均法通过对采集数据的相邻点进行平均来抑制随机噪声。基于最小二乘法的五点移动平均方程可以表示为：

式中，i=3,4...,m-2，x为原始信号，y为处理信号，m为采集到的数据总数。这些方程表明，移动平均法可以处理一次性获取的数据，因此与累积平均法相比，移动平均法的效率更高。

2.2 互相关检测方法

相关检测方法利用信号的可重复性和噪声的随机性，是提取EMAT被检测信号特征，准确检测被检测位置的有效方法。相关检测技术中常用的两种方法是互相关和自相关。前者用于研究两种不同信号的相关性，后者用于研究单个信号的两个不同周期的相关性。以互相关检测为例，简要说明相关检测方法的信息提取原理。假设接收到的EMAT信号Vs为：

式中，Ei是被检测信号的振幅，ω0是指被检测信号的角频率，θ是指被检测信号和参考信号之间的相位差，En是接收信号中的随机噪声幅度，ωn是干扰噪声的角频率，α是干扰噪声和参考信号之间的相位差。

为了进行互相关检测，需要提供一个与被检测信号频率相同的参考信号VR，其表示为：

式中，ER是参考信号的振幅。

将式（6）与式（7）相乘可以得到：

利用低通滤波器处理，输出V0变为：

输出V0包含了被检测信号的到达时间和包络等信息，这样就可以知道被检测信号的存在位置。为了得到最佳的输出信噪比，相位差θ必须为零。然而，由于实际应用中被检测的位置是随机的，必须经常调整参考信号的相位，以确保θ为零。显然，这是一个采集微弱电磁信号的障碍。为了解决这一问题，采用两个正交参考信号对接收信号进行互相关检测，利用两个参考信号的正交性可以去掉θ，而信号输出仅由被检测信号的幅值决定，工作原理如图2所示。

图2 正交参考信号的互相关检测原理图

同样，如果将式（8）和式（9）中的参考信号替换为另一个接收到的EMAT信号，该信号是在不同检测周期中获得的，则可以对接收到的EMAT信号进行自相关检测。如图3为自相关检测原理图，其中Vs1和Vs2是在不同的检测周期下得到的。探头位置固定，Vs1和Vs2中的被检测信号到达时间几乎相同，而接收信号中的噪声是随机的，因此由于被检测信号的相关性和噪声的随机性，可以提取出被检测信号的信息。

图3 自相关检测原理图

2.3 交叉自相关检测技术

互相关和自相关检测的信息提取特征明显。在进行互相关检测时，伴随着被检测信号同时提取出与被检测信号频率相同的噪声分量，进一步影响了检测结果。同样，在接收信号中具有显著相关性的噪声分量将进一步污染自相关检测中的处理结果。因此，仅对严重干扰的EMAT信号应用互相关或自相关，只能得到有限的信噪比改善。

为了更好地提高信噪比，提出了一种互相关和自相关相结合的检测技术，其原理如图4所示。此外，当环境噪声太强或被检测信号太弱时，可以相应地使用更多的相关检测单元，直到提取出被检测信息为止。

图4 交叉自相关检测原理图

为了更好地理解所提出的技术与传统相关方法的区别，分别用互相关法和自相关法对接收信号进行处理。首先试验了互相关法应用于Vs1的结果，说明该方法只能提取到末端信号的信息，而被检测信号仍然被埋在强噪声中。此外，在比较多个结果时发现，由于检测系统的频率波动较小，用互相关法处理的结果波动较大，重现性很差。而从自相关法在Vs1和Vs2上的应用结果发现，单独的自相关法无法从接收信号中提取出微弱的被检测信号。

3 结 论

在移动平均法、互相关和自相关检测方法的基础上，提出了一种用于电磁超声检测系统发射和接收表面超声信号的弱信号检测技术。利用EMAT信号的重复性和噪声的随机性，提出的交叉自相关弱信号检测技术能够成功地提取出被强噪声严重污染的弱检测信号的信息。实验结果验证了该方法的可行性和有效性，并得出如下结论。一是移动平均法能够有效地对接收到的EMAT信号进行预处理，比累积平均法具有更高的效率，二是采用两个正交参考信号的互相关检测方法可以有效地消除检测结果的波动，从而大大提高检测系统的检测再现性，三是互相关和自相关检测相结合的方法对微弱信号的检测能力比单独使用强得多，增加相关单元可以使EMAT被检测信号的信噪比得到更大的提高。