引言
激光超聲已經被廣泛應用在無損檢測技術中[1]。激光超聲檢測技術一般是指激光作用在 被檢測件上，由于燒蝕效應或者熱彈效應會產生超聲波[2]。超聲波在傳播過程中，遇到結構損傷時，將會與損傷發生較為復雜的物理過程，部分超聲波在缺陷處被反射，其中將攜帶損傷的相關信息。對反射的超聲波信號進行分析處理，從而實現對被檢測件進行缺陷的評估。
激光作用在被檢測件上可以激勵出多種超聲波型。其中，瑞利波的激發效率最大，波形不易畸變，并且沿物體表面傳播過程中衰減最小，所以選擇瑞利波作為檢測物體表面或者亞表面結構損傷的波型。在實驗上已成功實現了用激光脈沖成功激發出瑞利波。Temsamani等人則利用瑞利波進行了有關材料特征方面的檢測與評價。在激光超聲檢測表面缺陷的常用方法中，主要有脈沖反射法、缺陷共振法、反射系數法和飛行時間法等[3]。
然而這些常用的方法中有一個亟待解決的問題是反射波信號很微弱，而入射波信號卻很強，反射波被淹沒在入射波中[4] [5]，這對后續的信號分析的準確性有一定的影響，因此開展減弱入射波，增強反射波的算法研究是十分有必要的。
1 反射波的檢測及結果
1.1 反射波的檢測實驗
用激光振鏡對 200mm*50mm*8mm（長*寬*厚）的鋁板進行 B 掃描，然后用瑞利波探頭探測激光激勵的瑞利波，分析處理得到瑞利波信號來探測鋁板表面的裂紋。分為兩組實驗， 第一組實驗選用的被檢測件是表面有一條裂紋的鋁板，第二組實驗作為參考實驗，選用的被檢測件是表面無裂紋的鋁板。
第一組：在鋁板表面的掃描側距左邊界 120mm 處有一條平行于左邊界的裂紋，裂紋尺寸是 0.1mm*0.2mm（寬度*深度）。選用 Nd-YAG 固體激光器作為激發源裝置，其激光脈沖波長為 1064nm，持續時間 7ns，能量為 1mJ，激光光束經光學系統調制后直徑聚焦為0.6mm。激光大在鋁板上，沿著預先設定的點進行 B 掃描 ，瑞利波探頭固定在距左邊界側60mm 處接收瑞利波，瑞利波探頭的中心頻率為 2MHz，帶寬為 2MHz，實驗裝置圖如圖 1所示.
第二組：與第一組實驗相同的條件下，換用掃描面無裂紋的鋁板作參考實驗。激光掃描點位置和超聲波檢測位置都與第一組實驗都保持一致，實驗裝置和實驗參數也均與第一組實驗相同，實驗裝置圖如圖 2 所示。
激光掃描振鏡在鋁板的中心位置，沿著水平方向進行掃描，如圖 1 所示。在距右邊界 55mm 處作為掃描起始點 i=1，每次依次向左移動 5mm，經過掃描點 i=2,3,…,15，直至距左邊界 70mm 處，每個激光沖擊點水平間距為 d=5mm。在掃描過程中，每個激光沖擊點都會有一個超聲波的產生，超聲波傳播到瑞利波探頭處則被數據采集系統接收，送入計算機進行分析處理，分別標記為Si(i=1,2,…15)。實驗選用的數據采集卡是 NI 公司的 PXIe-1062Q，實驗采樣率為 200MHz，采樣點數為 15000。
1.2 反射波的檢測實驗
上述兩組實驗中無裂紋和有裂紋的鋁板實驗結果，如圖 3（a）（b）所示。分析對比圖3（a）（b），觀察到在圖 3（b）中，激光激勵產生的超聲波在裂紋處發生了變化：入射的超聲波在裂紋處發生了反射和透射，然而在圖 3（a）中卻沒有看到這一現象。反射波和透射波便會攜帶有關裂紋的相關特征，因此我們需要對它們進行分析來得到裂紋的信息。但是在圖 3（b）中，相比入射波的信號，對我們的信號分析工作有用的反射波的信號強度卻很弱，于是開展了對于減弱入射波，增強反射波的相關算法研究。
2 增強反射波的算法
在圖 3（b）中我們可以看到超聲波信號在裂紋處發生了反射和透射，但是反射波信號強度很弱。入射波是由于激光作用在鋁板上熱彈效應引起的，而反射波則是入射波遇到裂紋反射引起的。因此不同裂紋的鋁板上，入射波強度是一樣的，而反射波強度則不同。不同的激光沖擊點距離探頭的距離不一樣，而瑞利波的傳播速度是固定的，所以在不同的沖擊點上，入射的瑞利波到達探頭的時間不一致。
按照上述的算法，對 2.1.1 中的實驗結果經過上述算法處理得到的圖像如圖 3 所示。對比圖 3（b），入射的瑞利波信號減弱了，而反射波的信號明顯增強了，達到了預期的結果。對探測和評估鋁板表面的裂紋來說，入射波是噪聲，反射波是有用信號。信噪比的定義為：信噪比=20log（信號電壓/噪聲電壓），單位是分貝[6][7]。在圖 3（b）中，信噪比為-14.51dB， 圖 4 中，信噪比為-0.89dB，比之前提高了 13.62dB。
3 結論
本文給出了一種在無損檢測中，可以增強由裂紋引起的反射波信號強度的算法。激光作用在鋁板上，由于熱彈效應在激光激勵處產生了超聲波，其中瑞利波沿著鋁板表面傳播。瑞利波在鋁板表面傳播過程中，若遇到鋁板表面的裂紋，便會與之相互作用，其中一部分瑞利波被反射。在裂紋處，入射的瑞利波是由熱彈效應引起的，與裂紋無關。然而反射波則是由于入射波被裂紋反射引起的，于是反射波攜帶了大量有關裂紋的相關信息。反射波作為有用信號，入射波作為噪聲信號，本文中的算法減弱了入射波強度，增強了反射波強度，提高信噪比 13.62dB，這對探測和評估裂紋表面的裂紋是至關重要的。
參考文獻
[1] 張昭,肖迎春,李閔行,郭佳,王倩. 激光超聲技術在航空碳纖維復合材料無損檢測中的應用[J]. 航空工程進展,2014,2014(03):269-274.
[2] 陳翠麗. 超聲表面波探傷在軸承檢測中的應用[J]. 無損檢測,2014,2014(01):77-79.
[3] 關建飛. 激光聲表面波及其探測表面缺陷的機理研究[D]. 南京：南京理工大學，2006.
[4] 劉鵬，鄭賓. 基于無損檢測的激光超聲信號分析[J]. 電子世界，2014，2014（15）：87-88.
[5] 張韜，鄭賓，郭華玲. 基于新的 EMD 降噪技術在表面微裂紋檢測中的應用[J]. 電子世界，2014，2014（15）：32-33.
[6] 馬宗峰，張春熹，張朝陽，顏廷洋. 光學外差探測信噪比研究[J]. 光學學報，2007，2007（05）：889-892.
[7] 凌云. 非規則干擾信噪比分析[J]. 石油地球物理勘探，2001，2001（03）：272-278.
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