引言
激光超声已经被广泛应用在无损检测技术中[1]。激光超声检测技术一般是指激光作用在 被检测件上，由于烧蚀效应或者热弹效应会产生超声波[2]。超声波在传播过程中，遇到结构损伤时，将会与损伤发生较为复杂的物理过程，部分超声波在缺陷处被反射，其中将携带损伤的相关信息。对反射的超声波信号进行分析处理，从而实现对被检测件进行缺陷的评估。
激光作用在被检测件上可以激励出多种超声波型。其中，瑞利波的激发效率最大，波形不易畸变，并且沿物体表面传播过程中衰减最小，所以选择瑞利波作为检测物体表面或者亚表面结构损伤的波型。在实验上已成功实现了用激光脉冲成功激发出瑞利波。Temsamani等人则利用瑞利波进行了有关材料特征方面的检测与评价。在激光超声检测表面缺陷的常用方法中，主要有脉冲反射法、缺陷共振法、反射系数法和飞行时间法等[3]。
然而这些常用的方法中有一个亟待解决的问题是反射波信号很微弱，而入射波信号却很强，反射波被淹没在入射波中[4] [5]，这对后续的信号分析的准确性有一定的影响，因此开展减弱入射波，增强反射波的算法研究是十分有必要的。
1 反射波的检测及结果
1.1 反射波的检测实验
用激光振镜对 200mm*50mm*8mm（长*宽*厚）的铝板进行 B 扫描，然后用瑞利波探头探测激光激励的瑞利波，分析处理得到瑞利波信号来探测铝板表面的裂纹。分为两组实验， 第一组实验选用的被检测件是表面有一条裂纹的铝板，第二组实验作为参考实验，选用的被检测件是表面无裂纹的铝板。
第一组：在铝板表面的扫描侧距左边界 120mm 处有一条平行于左边界的裂纹，裂纹尺寸是 0.1mm*0.2mm（宽度*深度）。选用 Nd-YAG 固体激光器作为激发源装置，其激光脉冲波长为 1064nm，持续时间 7ns，能量为 1mJ，激光光束经光学系统调制后直径聚焦为0.6mm。激光大在铝板上，沿着预先设定的点进行 B 扫描 ，瑞利波探头固定在距左边界侧60mm 处接收瑞利波，瑞利波探头的中心频率为 2MHz，带宽为 2MHz，实验装置图如图 1所示.
第二组：与第一组实验相同的条件下，换用扫描面无裂纹的铝板作参考实验。激光扫描点位置和超声波检测位置都与第一组实验都保持一致，实验装置和实验参数也均与第一组实验相同，实验装置图如图 2 所示。
激光扫描振镜在铝板的中心位置，沿着水平方向进行扫描，如图 1 所示。在距右边界 55mm 处作为扫描起始点 i=1，每次依次向左移动 5mm，经过扫描点 i=2,3,…,15，直至距左边界 70mm 处，每个激光冲击点水平间距为 d=5mm。在扫描过程中，每个激光冲击点都会有一个超声波的产生，超声波传播到瑞利波探头处则被数据采集系统接收，送入计算机进行分析处理，分别标记为Si(i=1,2,…15)。实验选用的数据采集卡是 NI 公司的 PXIe-1062Q，实验采样率为 200MHz，采样点数为 15000。
1.2 反射波的检测实验
上述两组实验中无裂纹和有裂纹的铝板实验结果，如图 3（a）（b）所示。分析对比图3（a）（b），观察到在图 3（b）中，激光激励产生的超声波在裂纹处发生了变化：入射的超声波在裂纹处发生了反射和透射，然而在图 3（a）中却没有看到这一现象。反射波和透射波便会携带有关裂纹的相关特征，因此我们需要对它们进行分析来得到裂纹的信息。但是在图 3（b）中，相比入射波的信号，对我们的信号分析工作有用的反射波的信号强度却很弱，于是开展了对于减弱入射波，增强反射波的相关算法研究。
2 增强反射波的算法
在图 3（b）中我们可以看到超声波信号在裂纹处发生了反射和透射，但是反射波信号强度很弱。入射波是由于激光作用在铝板上热弹效应引起的，而反射波则是入射波遇到裂纹反射引起的。因此不同裂纹的铝板上，入射波强度是一样的，而反射波强度则不同。不同的激光冲击点距离探头的距离不一样，而瑞利波的传播速度是固定的，所以在不同的冲击点上，入射的瑞利波到达探头的时间不一致。
按照上述的算法，对 2.1.1 中的实验结果经过上述算法处理得到的图像如图 3 所示。对比图 3（b），入射的瑞利波信号减弱了，而反射波的信号明显增强了，达到了预期的结果。对探测和评估铝板表面的裂纹来说，入射波是噪声，反射波是有用信号。信噪比的定义为：信噪比=20log（信号电压/噪声电压），单位是分贝[6][7]。在图 3（b）中，信噪比为-14.51dB， 图 4 中，信噪比为-0.89dB，比之前提高了 13.62dB。
3 结论
本文给出了一种在无损检测中，可以增强由裂纹引起的反射波信号强度的算法。激光作用在铝板上，由于热弹效应在激光激励处产生了超声波，其中瑞利波沿着铝板表面传播。瑞利波在铝板表面传播过程中，若遇到铝板表面的裂纹，便会与之相互作用，其中一部分瑞利波被反射。在裂纹处，入射的瑞利波是由热弹效应引起的，与裂纹无关。然而反射波则是由于入射波被裂纹反射引起的，于是反射波携带了大量有关裂纹的相关信息。反射波作为有用信号，入射波作为噪声信号，本文中的算法减弱了入射波强度，增强了反射波强度，提高信噪比 13.62dB，这对探测和评估裂纹表面的裂纹是至关重要的。
参考文献
[1] 张昭,肖迎春,李闵行,郭佳,王倩. 激光超声技术在航空碳纤维复合材料无损检测中的应用[J]. 航空工程进展,2014,2014(03):269-274.
[2] 陈翠丽. 超声表面波探伤在轴承检测中的应用[J]. 无损检测,2014,2014(01):77-79.
[3] 关建飞. 激光声表面波及其探测表面缺陷的机理研究[D]. 南京：南京理工大学，2006.
[4] 刘鹏，郑宾. 基于无损检测的激光超声信号分析[J]. 电子世界，2014，2014（15）：87-88.
[5] 张韬，郑宾，郭华玲. 基于新的 EMD 降噪技术在表面微裂纹检测中的应用[J]. 电子世界，2014，2014（15）：32-33.
[6] 马宗峰，张春熹，张朝阳，颜廷洋. 光学外差探测信噪比研究[J]. 光学学报，2007，2007（05）：889-892.
[7] 凌云. 非规则干扰信噪比分析[J]. 石油地球物理勘探，2001，2001（03）：272-278.
鹏翔新闻
