学文网摘要：为了弥补本科实验教学中有关超声波信号处理方面的缺憾，教师设计了采用水浸聚焦脉冲回波超声检测系统，对试样表面的一次表面回波进行采集和分析的频谱分析实验。同时，利用Origin8.0软件对采集到的数字信号进行了采样、滤波、截断和傅立叶变换（FFT）等信号分析。该实验强化了学生对利用计算机软件开展无损检测信号处理的重视，同时也加深学生对频谱分析方法的深入理解。
关键词：Origin；超声波检测；频谱分析；信号处理
中***分类号：TP39 ？摇文献标志码：B 文章编号：1674-9324（2014）16-0251-03
与其他常规无损检测技术相比，超声波频谱分析技术具有检测范围广，检测深度大；缺陷定位准确，检测灵敏度高等特点，在材料超声检测和评价中得到了广泛应用。超声波频谱分析是把频谱分析的理论和方法应用于超声检测的技术。其中，频谱分析是一种比较成熟的信号处理技术，基于频谱分析方法的信号处理技术成为现代超声检测技术的重要组成部分。频谱分析是指应用傅立叶变换将时域问题转换为频域问题，在频域内对信号进行分析。超声检测中采集到的各种波形如反射波、透射波、表面波、散射波等，利用频谱分析技术从采集到的这些信息中，提取尽可能多的有关传输通道的特征信息，如振幅、相位、相位差或者是功率谱、相关谱、倒频谱等，用于研究和分析被检对象物理性能的细微变化和不连续性[1-3]。对此，超声频谱信号处理是实验课程的重点，旨在强化学生对信号处理的重视程度，熟悉和掌握Origin软件里的“信号处理”模块的功能，加深学生对频谱分析方法理论知识的进一步理解和巩固。Origin8.0[4]是Window平台下应用于科技作***和数据分析的软件，由Origin Lab公司开发。它是一个多文档界面应用程序，采用直观的、***形化的、面向对象的窗口菜单和工具栏操作。操作方便且功能强大，能满足复杂的数据分析[5，6]、***形处理[7]、函数拟合[8]、信号处理[9，10]等高级功能，因此它在教学、科研、工程技术等领域具有广泛的应用。在超声波频谱分析实验中充分利用了Origin软件中信号处理功能，大大简化数据处理过程，充分发挥软件快捷、高效、精度高等特点。在本文中，我们利用Origin8.0处理采集的超声数据信号，研究内容包括以下四个方面：（1）信号采样与滤波。（2）数据截断与加零处理。（3）信号加窗处理。（4）幅度谱与相位谱分析。完整地实践超声数字信号频谱分析的整个过程：采样滤波截断FFT（加窗）得到幅度谱、相位谱。
一、实验设备
本实验采用水浸聚焦脉冲回波超声检测系统采集试样的一次表面回波[11]。水浸聚焦方法是指将水浸聚焦探头和待测试样浸入水中，利用探头里装有聚焦透镜的单晶换能器将超声波会聚，借助水层与试样间的藕合实现检测目的。检测系统主要由OLYMPUS5800超声数字信号发射/接收仪，Tektronix 4032数字荧光示波器，水浸聚焦超声探头（点聚焦，10MHz，焦距35mm）和精密十字架工作台（精度为0.01mm的三维步进装置）四部分组成，如***1。为了降低随机噪声对实验结果的影响，测量信号进行64次平均处理，它可以使信噪比以N1/2的规律予以改善（N为采样次数）。然后，将采集的一次表面回波的数字信号输入计算机，用Origin软件进一步分析处理。
二、实验数据处理
1.信号采样。利用origin软件导入数据，选择菜单命令File>Import>Single ASCⅡ，在其Worksheet窗口出现两列数据。单击工具栏上的按钮“line”，在随后出现的对话框中将第一列数据设为X轴，第二列数据设为Y轴，即可画出一次表面回波的时域波形，如***2。
2.信号滤波。滤波技术是剔除噪声中应用最为广泛的一种方法。通过抑制信号的某些频率成分，滤波可以实现对信号频率的修正。根据滤波的选频作用，可以把滤波类型分成四类，如***3所示。其中，ωc和ωs分别被称为通带截止频率和阻带截止频率，ωc与ωs之间则称为过渡带。①低通滤波。如***3（a）所示，通带范围是0≤ω≤ωc，高于ωc为阻带。②高通滤波。通带范围是ωc≥ω，低于ωc为阻带，如***3（b）所示。③带通滤波。通带范围是ωc1≤ω≤ωc2，通带两侧都为阻带，或是较狭窄的过渡带，如***3（c）所示。④带阻滤波。阻带范围是ωs1≤ω≤ωs2，阻带两侧都为通带，或是较狭窄的过渡带，如***3（d）所示。
对数据进行滤波操作，选中第二列的数据，选择菜单命令：Analysis>Signal Processing>FFT Filters>Open Dialog。在随后弹出的对话框里选择Filter Type和设置Cutoff Frequency的频率参数。选择不同Filter Type（Low Pass、High Pass、Band Pass、Band Block）对采集的时域波形进行滤波，分别选中滤波处理后的数据列，单击工具栏上的按钮“line”，如***4。
3.数据截断与加零处理。数据截断利用计算机进行离散傅立叶变换和信号处理时，因运算时间和储存容量的限制，只能处理有限的样本容量。适用FFT的样本值数列的长度，通常是2的整数次幂。截断就是将无限长的时间函数乘以有限宽的窗具体函数，相当于原时间函数与一个高为1、长度为的矩形时间窗函数相乘。但是，对时域信号截断会导致频域内附加一些频率分量，从而给频谱带来误差，这种误差通常称为泄露误差。为了减少泄露误差，可以采取以下途径：①增长矩形窗函数的宽度，即增长样本长度；②加主瓣能量集中、旁瓣小、衰减速率快的其他窗函数。
加零处理是在原信号的末端补加一些零，这相当于人为地增加了时域截断长度T，也就能在频谱形式不变的情况下，变更谱线的位置，减小谱线间隔，以便有可能看到原来看不到的频谱分量。所以，加零可以提高频率分辨力。如实验中采集的时域波形数据为1000个，采用212（=4096）个数，需加零。点击鼠标右键，在下拉菜单中选择命令Set Column Volues>Row（1000）to Row（4096）数值设为0。
4.信号加窗处理。对时域函数施加非矩形窗的实质，是对被分析信号的不同部分给予不同的加权，这些窗函数的频谱主瓣越细、旁瓣越小越好。由于这两点不会同时达到最佳效果，选取窗函数时通常采取折衷的原则。常用窗函数主要包括以下几种类型：（1）幂窗―采用时间变量某种幂次的函数，如矩形、三角形、梯形或其他时间t的高次幂；（2）三角函数窗―应用三角函数，即正弦或余弦函数等组合成的复合函数，如汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗等；（3）指数窗―采用指数时间函数（如e-at形式），例如高斯窗等。不同窗函数，产生泄漏的大小不一样，频率分辨能力也不一样。信号截断会产生能量泄漏，而用FFT算法计算频谱又会产生栅栏效应，从原理上讲这两种误差都是不能消除的，但是可以通过选择不同的窗函数对它们的影响进行抑制。对于窗函数的选择，应考虑被分析信号的性质与处理要求综合考虑，才能选择出最合适的窗函数。频谱分析实验中，我们一般选用Hanning窗。选择菜单命令Analysis>Signal Processing>FFT>FFT>Open Dialog，在开启的设置框中的Options选项，选择加窗类型Window>Hanning（Hanming，Welch，Blackman），不勾选Unwrap Phase选项，在Preview中选Amplitude/Phase选项。
5.幅度谱与相位谱分析。幅度谱表示在整个频域内的强度的分布，用以说明频域成分的分布。信号相位值随频率变化，对应的谱***称之为相位谱。周期信号的频谱由幅度谱和相位谱组成。幅度谱和相位谱在超声检测信号分析中具有非常重要的地位，应用非常广泛。在有些情况下，相位谱还可以对幅度谱提供的信息进行补充。
从***6和***7的比较中可以看出，在不提高采样频率的前提下，可以通过增大样本总量的方法来提高频域分辨力。即在数组中补充若干数值为零的数据，使得样本总量增大。补零前后信号对应的幅度谱谱线间隔变密，但形状没什么变化，而相位谱则发生了改变。
三、结论
在超声数据信号处理过程中，Origin软件直观简便，大大简化了数据处理过程，在绘***同时还可进行数据处理与***形分析，充分发挥软件快捷、高效、精度高等特点。另外，通过超声频谱分析实验课的实践，学生了解超声信号数字检测系统组成以及各仪器的性能，掌握实验技能和具体数据处理方法，强化了学生对信号处理的重视程度，牢固地树立了利用计算机和先进的数据处理软件进行超声检测信号处理的意识，加深了学生对理论知识的进一步理解和巩固。
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作者简介：李春艳（1976-），女，河北沧州人，博士，工程师，主要研究方向超声波频谱分析技术的实验教学。
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