基于正交编解码的钢轨探伤数据信噪比提升研究

Research on Enhancing the Signal-to-Noise Ratio of Rail Flaw Detection Data Based on Double-Beat Orthogonal Encoding and Decoding

摘要

超声波检测作为钢轨探伤的重要手段已得到广泛应用，但使用传统超声发射接收技术会因幻象波和换能器串扰而造成超声探伤检测数据信噪比较低。为此，基于幻象波和换能器串扰的影响机理，并根据超声换能器压电晶片激发超声波频率与加载换能器压电晶片高压脉冲激励频率相同的特点，研究双拍正交编解码技术，即采用正交频率的高压脉冲激励信号作用于超声换能器压电晶片以产生频率正交的超声发射信号，通过对应的解码方式实现幻象波和换能器的串扰抑制，以达到提高探伤检测数据信噪比的目的；通过搭建超声系统试验平台，完成对国标伤损探伤A显、B显试验数据分析。结果表明：对于A显数据，双拍正交编解码技术对幻象波和换能器串扰的抑制作用强于对伤损回波信号抑制作用，平均抑制比为10.39 dB；对于B显数据，采用双拍正交编解码模式时伤损检出率为100%，对幻象波和换能器串扰消除亦为100%；相较于传统超声发射接收模式，采用双拍正交编解码的超声发射接收技术可在不影响伤损检出率的前提下，消除幻象波和换能器串扰影响，提高超声探伤检测数据信噪比，减少伤损误判漏判。

Abstract

Ultrasonic detection has been widely used as an important means of rail flaw detection. However, the signal-to-noise ratio (SNR) of flaw detection data obtained using traditional ultrasonic transmitting and receiving methods is often low due to ghost echo and transducer mutual interference. To address this issue, the influence mechanism of ghost echo and transducer mutual interference is discussed according to the characteristics that the frequency of ultrasonic excitation of piezoelectric wafers in ultrasonic transducer coincides with that of the high-voltage pulse excitation of piezoelectric wafer in the loaded transducer. The double-beat orthogonal code technology is studied, high voltage pulse excitation signal with orthogonal frequency is applied to piezoelectric wafer of ultrasonic transducer to generate ultrasonic transmitting signal with orthogonal frequency. The corresponding decoding method is employed to suppress ghost echoes and the transducer mutual interface, thereby enhancing the SNR of detection data. An experimental platform for the ultrasonic system is built, and the A-display and B-display test data from national standard flaw detection are analyzed. The results show that for A-display data, the suppression of ghost echoes and the transducer mutual interference by the double-beat orthogonal code is more effective than that of the damaged signal, with an average suppression ratio of 10.39 dB. For B-display data, the damage detection rate is 100% when using the double-beat orthogonal code mode, and the ghost wave and the transducer mutual interference elimination is 100%. Compared with traditional ultrasonic transmitting and receiving methods, the double-beat orthogonal code ultrasonic transmitting and receiving technology can eliminate the influence of ghost echoes and the transducer mutual interference, improve the SNR of ultrasonic signal, and reduce the misjudgment and missed detection of injury, all without compromising the damage detection rate.

Graphical abstract

关键词

钢轨探伤 / 双拍正交编解码 / 幻象波 / 换能器串扰 / 伤损报警

Key words

Rail flaw detection / Double-beat orthogonal encoding and decoding / Ghost echo / Transducer mutual interference / Injury alert

钢轨在铁路运输过程中长期受到车辆压力，容易形成钢轨缺陷，其中轨头核伤是众多缺陷中危害最大的缺陷。轨头核伤多起源于钢轨内部的细小裂纹，随着钢轨通过总重的不断提高，细小裂纹向四周发展直至发展成为轨头核伤，轨头核伤周围的钢轨材质无法承受车辆载荷时，钢轨发生脆断。试验表明，当轨头核伤发展至轨头面积的20%~30%时，钢轨将发生折断^［1］。基于轨头核伤的严重危害性，其一直是钢轨探伤的重点关注缺陷。

我国铁路工务部门主要采用超声波检测技术进行钢轨探伤，在众多检测设备中，探伤效率较高的钢轨探伤车和双轨探伤仪均采用9英寸轮式探头。该探头内集成0°，45°，70°这3种超声换能器，其中0°超声换能器用于水平裂纹探伤检测和检测过程中探轮对中校准，45°和70°超声换能器分别用于轨头、轨腰和轨底探伤检测。以探伤车为例，在应用过程中发现设备对轨腰和轨底伤损检出率为70%~80%，但对轨头核伤的检出率仅为30%~40%。引起该现象的原因主要有探轮对中不良、B显数据信噪比太低、检测面耦合效果较差等因素。其中对中不良主要是在曲线区段，且现在全路多数探伤车已安装激光自动对中系统，对中不良造成检出率较低现象得到了较大改善^［2］；针对检测面耦合不良问题，探伤车已采用“风包水”的方式增强检测过程中耦合水喷射压力，避免车辆运行时耦合水被风吹散难以抵达钢轨而形成耦合不良问题；因此，提高B显数据信噪比是提高检出率的重要方向之一。目前在提高超声回波信号信噪比方面国内外做了大量研究，包括采用小波变换滤除噪声提高超声回波信号信噪比和采用编码发射技术提高回波强度进而提高超声回波信号信噪比：北京航空航天大学陈益等研究发现基于小波变换的软、硬阈值消噪的改进方案可以更大程度发挥小波软、硬阈值消噪的优点，以提高超声回波信号的信噪比^［3］；浙江大学刘守山等采用小波系数估计离散小波变换的估计值，经反复迭代得到最优的消噪模型^［4］；浙江大学宋坤坡等采用Laplacian分布对小波系数统计特性建模，以实现最大限度保留超声图像细节的基础上减少斑点噪声的影响^［5］；Matz等在研究粗粒材料探伤时，将小波变换与其他滤波方法进行对比，发现采用小波变换的效果是最好的^［6］；天津大学陈晓冬等将编码激励技术应用于超声成像中，进而增强超声换能器的发射功率，提高回波信号的信噪比^［7］；中国科学院王宁浩等对国内外编码发射技术进行了综述，详细分析了Chrip码、巴克码、格雷码在提高超声信噪比进而应用于超声成像时的优缺点^［8］；Oelze等研究了具备分辨率增强压缩技术的脉冲编码方案，通过试验验证其在提高信噪比的同时可以增加超声系统成像的带宽，增加检测系统的分辨率^［9］。虽然以上2种技术均可提高超声波信噪比，但采用小波变换滤除噪声的方式是从系统噪声出发，通过调整阈值增强信噪比，应用于钢轨探伤时对于换能器间串扰信号无法区别其是否是噪声信号；而采用传统编码压缩激励的方式将同时增强缺陷回波和换能器间干扰信号，造成更多的干扰信号，难以在钢轨探伤检测系统中应用。

本文在分析钢轨超声探伤中常见幻象波和换能器串扰影响机理的基础上，研究采用双拍正交编解码的超声波发射接收技术应用于钢轨探伤检测系统，通过仿真验算及对比试验验证其可有效提升超声回波信噪比。

1 幻象波及换能器串扰影响机理

幻象波和换能器串扰的共同特点是均为超声换能器接收到的非本周期该换能器发射的超声波回波信号，其本质均是超声回波信号，而并非随机噪声信号，因此其影响探伤检测B显数据信噪比。主要区别是对钢轨探伤的影响机理不同，幻象波易被误判为钢轨伤损从而造成伤损误判或漏判，换能器串扰会引起B显数据杂波信号过多，影响检测过程中增益调节，进而造成探伤检测漏检。

1.1　幻象波影响机理

幻象波是超声检测过程中的一种特殊现象，即以较高检测重复频率发射超声波时，当没有充分衰减的多次反射信号进入下一扫查周期时形成的回波信号。钢轨自身材质具有良好的透声性和高速检测时须使用较高的重复频率是钢轨超声探伤时产生幻象波的重要原因。

钢轨检测时，当超声波在钢轨中传播的时间T_{\mathrm{2}}大于超声波重复扫查周期T_{\mathrm{0}}，多次反射后的回波信号刚好进入下一扫查周期的闸门范围内而被换能器接收到，超声检测设备将按照下一扫查周期内超声发射始波脉冲到多次反射后的回波信号的传播时间T_{\mathrm{1}}计算伤损位置，但该位置并不存在伤损，从而形成幻象波，其原理示意图如图1所示。

钢轨探伤检测系统以B显图标代表疑似钢轨伤损回波信号，B显图标点的显示位置即代表疑似伤损点，该位置是以超声从钢轨踏面入射点为起始点通过声程计算确定的。若超声回波信号出现多次反射时，检测系统无法判断，因此当超声回波信号在钢轨中多次反射时，通过检测系统计算出的声程不能代表伤损位置，容易造成误判。

目前，关于幻象波的研究主要以经验分析为主，中国铁道科学院研究院马运忠等^［10-11］和株洲时代电子王品等^［12］针对探伤检测由70°和45°换能器形成的常见幻象波做了详细的出波成因分析。从日常钢轨探伤检测来看，幻象波多出现在核伤高发的轨头区域，尤其是在钢轨结构较为复杂的接头和道岔区域，给数据回放带来较大困扰。常见螺孔反射引起的45°和70°换能器产生的幻象波B显数据如图2所示。图中：紫色框区域分别为轨头和轨底区域因螺孔引起的幻象波。

1.2　换能器串扰影响机理

为保证探伤检测过程中有较好的耦合效果，目前我国快速钢轨探伤主要采用9英寸轮式探头。探轮内集成0°，45°，70°这3种超声换能器，各换能器安装位置较近，其中0°换能器检测声波为纵波，主频为3.5 MHz，45°和70°换能器检测声波为横波，主频为2.25 MHz^［13］，且探伤系统45°闸门与70°闸门有重合，因此钢轨探伤检测过程中经常在45°和70°换能器间出现串扰现象。

探伤检测过程中换能器间串扰是B显数据中杂波信号的主要来源之一，主要出现在45°与70°闸门交汇处，即45°回波信号被70°换能器接收或70°回波信号被45°换能器接收。换能器间串扰的主要危害是其使B显数据中出现大量无用杂波信号，影响探伤操作员对各换能器的增益设置，常见换能器串扰B显数据如图3所示。图中：紫色框区域分别为70°回波信号被45°换能器接收和45°回波信号被70°换能器接收引起的换能器串扰示例。

2 双拍正交编解码理论分析及仿真

因为幻象波信号和换能器串扰信号并非随机噪声信号，因此不能通过传统的滤波器技术予以消除以提高B显数据信噪比，更适合采用合理的编解码发射接收技术实现对具备某一特征的信号选择性接收，而对具备另一特征的信号选择性抑制。

编解码发射接收技术最早在雷达系统中得到应用，其在超声检测技术中的应用包括调相信号和调频信号2种方式，正交编解码技术即为调频信号。通过前文对幻象波和换能器串扰影响机理分析可知，造成这些现象的主要原因在于换能器接收到了非自身或本周期的超声波回波信号。基于此特性，采用双拍正交编码超声发射接收技术可以实现幻象波和换能器串扰抑制，提高超声波信号信噪比^［14-16］，整体设计构架示意图如图4所示。

从图4可以看出：双拍正交编解码超声发射接收技术由双拍正交编码发射模块和解码模块2部分组成；双拍正交编码发射模块用以产生高压脉冲激励^［17］，其内部包含2和2.5 MHz高压脉冲激励单元，通过双拍交替激励机制作用于探轮内45°和70°超声换能器，即本发射周期内当2.5 MHz高压脉冲作用于45°超声换能器时，2 MHz高压脉冲作用于70°超声换能器，下一发射周期发射激励替换作用于换能器，依次交替作用；解码模块由2和2.5 MHz解码单元构成，解码单元通过硬件单元存储解码系数，根据双拍正交编码发射模块中所选激励确定超声激励单元，即采用2.5 MHz高压脉冲激励换能器时，换能器接收到的回波信号采用2.5 MHz解码单元进行解码。

2.1　双拍正交编解码理论

高压脉冲信号作用于超声换能器压电晶片，通过逆压电效应激发出超声波检测信号。正常情况下超声发射的高压脉冲频率与换能器压电晶片主频一致，已实现超声发射能量最大。目前国内探伤车使用的45°和70°超声换能器压电晶片的主频均为2.25 MHz，根据压电晶片超声波激发特性，激发超声波的高压脉冲应为2.25 MHz。如果激发压电晶片的高压脉冲频率改变时，激发的超声波频率也会发生变化，若两者相差较大时，超声发射能量会降低。图5为2.5 MHz高压脉冲激发主频2.25 MHz超声探头时幅频响应曲线，其发射回波信号的频率为2.5 MHz。因探伤检测过程中回波信号的增益调节范围为0~80 dB，发射能量改变较小时对钢轨探伤检测没有影响。

通过正交定义可知，当2个信号x(t)和y(t)在[\mathrm{0},T]内满足式（1）时，即有信号x(t)与y(t)在[\mathrm{0},T]时间范围内正交^［18］。

{\int }_{\mathrm{0}}^{T}x(t)y(t)dt=\mathrm{0}（1）

式中：t为信息传播时间。

为实现对幻象波和换能器串扰最大抑制，双拍编解码设计从回波信号处理出发，通过正交解码系数解码后实现回波信号两两正交，即可实现对幻象波信号和换能器串扰信号的最大抑制。

目前45°和70°超声换能器主频为2.25 MHz，因此回波信号的正交解码系数应尽量与其接近，从而减少对换能器发射能量干扰，理想状态下超声波的回波信号是与发射激励同频的正弦波，因此正交解码系数应是通过正弦波采样得到。

由于超声编码发射是同频激励，所以通过正交解码方式确定超声编码发射模式。

通过计算，采用频率为2和2.5 MHz的正弦波在[\mathrm{0,2}\mathrm{\mu }\mathrm{s}]内，满足正交条件，因此解码系数为2和2.5 MHz正弦波的离散数组，系数根据探伤检测系统回波信号采样频率等间隔取值确定。以探伤检测系统的采样频率为50 MHz为例，解码系数为2和2.5 MHz正弦波按间隔为\mathrm{2}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{8}}\mathrm{s}取值确定。解码系数满足式（2）。

{\displaystyle \sum _{n=\mathrm{1}}^{\mathrm{100}}}sin(\mathrm{2}\pi {\omega }_{\mathrm{1}}Tn)\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{2}\mathrm{\pi }{\omega }_{\mathrm{2}}Tn)=\mathrm{0}（2）

式中：{\omega }_{\mathrm{1}}和{\omega }_{\mathrm{2}}为角频率，{\omega }_{\mathrm{1}}\mathrm{取}\mathrm{2}\times {\mathrm{10}}^{\mathrm{6}}，{\omega }_{\mathrm{2}}取2.5×10⁶；T为采样周期，取\mathrm{2}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{8}}\mathrm{s}；n为离散采样的采样点，取\mathrm{1,2},\dots ,\mathrm{100}。

由解码确定超声发射高压脉冲频率为2和2.5 MHz方波信号的持续时间为\mathrm{2}\mathrm{\mu }\mathrm{s}，发射方式为同频同周期的方波脉冲双拍交替发射。

解码过程采用输入回波信号与解码系数乘积累和，即对于输入信号x_j,j=\mathrm{1,2},\dots ,M,\dots，N，解码系数A_k,k=\mathrm{1,2},\dots ,P，输出信号y_s,s=\mathrm{1,2},\dots ,M，满足式（3）。

y=x_j{A}_{\mathrm{1}}+x_{j+\mathrm{1}}{A}_{\mathrm{2}}\dots x_{j+P-\mathrm{1}}{A}_P（3）

式中：M，N和P分别为信号解码后采样点、信号解码前采样点和解码系数采样点，均取正整数，且M=N-P+1。

2.2　解码系数仿真验证

为验证仿真测试解码系数的有效性，基于超声波回波信号主频不变的特点，以理想状态下采用2 MHz高压脉冲激励超声换能器时形成的回波为例进行仿真，仿真输入的超声回波信号如图6所示。从图6可以看出：仿真输入的回波信号是幅值为1 V、频率为2 MHz的正弦波信号，噪声信号由随机噪声生成，且最大幅值为0.95 V，幅值与回波信号基本一致。探伤检测噪声最大时即超声回波信号与噪声信号幅值基本一致，当回波信号小于噪声信号时即已无法区分缺陷回波与噪声信号。

对回波信号分别采用2和2.5 MHz解码系数并采用式（3）方法解码，结果如图7所示。

为有效说明双拍正交编解码技术在不影响伤损检出的前提下，对幻象波和换能器串扰有较强抑制作用，仿真从解码后的伤损回波信号分别与随机噪声信号、幻象波/换能器串扰信号进行分析。数据分析采用对噪声信号抑制效果的信噪比H_{\mathrm{S}\mathrm{N}\mathrm{R}}和幻象波/换能器串扰信号抑制效果的抑制比H_{\mathrm{S}\mathrm{R}\mathrm{R}}进行说明，H_{\mathrm{S}\mathrm{N}\mathrm{R}}和H_{\mathrm{S}\mathrm{R}\mathrm{R}}的表达式分别为

H_{\mathrm{S}\mathrm{N}\mathrm{R}}=\mathrm{20}\mathrm{l}\mathrm{g}\frac{S}{N}（4）

H_{\mathrm{S}\mathrm{R}\mathrm{R}}=-\mathrm{20}\mathrm{l}\mathrm{g}\frac{A}{B}（5）

式中：S为回波信号最大值；N为随机噪声信号最大值；A为处理后信号最大值；B为未处理信号最大值。

从图6和图7可以看出：超声回波信号经同频解码系数解码处理后超声回波信号相对于随机噪声信号信噪比由0.4 dB提升至18.78 dB，解码后信噪比提升大于6 dB，说明同频回波信号解码后对噪声信号有明显抑制作用；采用正交频率解码系数处理后相对于未处理的幻象波/换能器串扰信号和随机噪声信号，解码处理后幻象波/换能器串扰信号抑制比为302.02 dB，随机噪声信号抑制比为20 dB，说明经解码处理后对幻象波/换能器串扰信号抑制作用更为明显。在实际探伤检测过程中幻象波/换能器串扰信号幅值远大于随机噪声信号，通过该仿真证明采用正交解码系数处理后可以提高回波信号的信噪比，同时对幻象波/换能器串扰信号有较强抑制作用。

3 试验研究

为有效验证双拍正交编解码对幻象波和换能器串扰在探伤检测中抑制效果，搭建超声系统试验平台，在平台中设置较为典型的GB/T 2846—2021铁路大型养路机械（钢轨探伤车）中规定的试验线路人工伤损^［19］。针对典型人工伤损采用双拍正交编解码超声发射接收技术采集A显和B显检测数据，验证双拍正交编解码超声发射接收抑制幻象波和换能器串扰提升超声波信号信噪比。

3.1　试验平台搭建

超声系统试验平台由超声检测系统和人工伤损环形轨道转台2部分组成。超声检测系统由上位机超声控制软件、下位机超声发射接收控制单元和超声探轮组成；人工伤损环形轨道转台由环形轨道转台和驱动电机组成，在环形轨道上设置符合国标GB/T 2846—2021的人工伤损。超声系统试验平台示意图如图8所示，人工伤损见表1。

超声系统试验平台上位机超声控制软件主要实现检测回波闸门、阈值及增益设置，存储、显示超声探伤A显、B显数据等功能；下位机超声发射接收控制单元主要实现高压脉冲发射，超声回波信号滤波、增益放大等功能；超声探轮实现超声发射、接收功能；环形轨道转台、由驱动电机带动可以实现最大80 km · h^-1的运转速度，完成探伤动态试验。试验分别针对转台上国标伤损A显数据和B显数据的分析以证明双拍正交编解码技术可以有效抑制幻象波和换能器串扰，从而提高超声波信号信噪比。

3.2　A显数据信噪比提升试验

由于钢轨探伤检测过程中幻象波信号和换能器串扰信号产生具有随机性，因此A显数据信噪比提升试验采用正向验证与反向验证结合的方式，即：从正向验证采用双拍正交编解码技术对有效伤损回波信号的抑制比平均小于1.5 dB，从反向验证若该处出现幻象波/换能器串扰信号时采用双拍正交编解码技术对幻象波/换能器串扰信号的抑制比平均大于10 dB，正反两者差异平均大于8.5 dB。探伤车的判伤阈值一般为40%波高，伤损回波信号一般为80%波高，两者差异为6 dB，证明采用双拍正交编解码技术可以在不影响伤损判别的前提下有效消除幻象波和换能器串扰信号的影响。

针对图8中国标伤损采集A显数据，分别采用超声发射同频解码和超声发射正交解码，分析正交编解码技术对伤波信号及幻象波/换能器串扰信号的衰减大小，进而说明双拍正交编解码可以提高B显数据信噪比。

采集A至J型伤损5次A显数据，分别计算双拍正交发射时回波信号未解码与同频解码和正交解码的比值即抑制比，计算分析结果见表2。

由表2可知：环形转台人工伤损A显数据的同频解码与正交解码抑制比的差值说明采用双拍正交编解码技术对幻象波/换能器串扰信号的抑制作用强于对伤损信号的抑制作用，两者平均差值为10.39 dB。此试验证明可实现在不影响伤损检出的前提下，将幻象波/换能器串扰信号的幅值抑制在判伤阈值以下，从而提高B显数据信噪比。

以人工伤损“A型：轨腰37°螺孔3 mm上裂”为例，选取表1中第1次试验数据举例分析。超声检测系统中该处伤损的A显回波信号数据如图9所示，经解码后的A显数据如图10所示。对图10中的有效伤损回波信号的同频解码及幻象波/换能器串扰信号的正交解码结果按式（5）计算出其抑制比分别为1.24和13.34 dB。

3.3　B显数据提升试验

虽然幻象波和换能器串扰是随机产生的，但采用双拍正交编解码技术是从超声发射接收方式抑制幻象波/换能器串扰信号，属于主动消除干扰，具有普遍适用性。采用传统超声和双拍正交编解码技术超声发射接收模式的B显数据对比如图11所示。图中：绿色框内为幻象波信号；红色框内为换能器串扰信号；黑色框内为人工伤损信号。

从图11可以看出：采用双拍正交编解码技术可以消除B显数据中幻象波/换能器串扰信号的干扰。

为更有效证明双拍正交编解码超声发射接收模式的有效性，随机选取试验平台B显检测数据中环形轨道转台转动5周检测数据，分别统计采用传统和双拍正交编解码超声发射接收模式下图8中人工伤损的检测率，其检出率均为100%；分别统计采用传统和双拍正交编解码发射接收模式下幻象波/换能器串扰出现的次数，结果表明采用正交编解码模式对2种干扰信号的消除率为100%。

幻象波/换能器串扰信号为干扰信号，因此统计2种发射模式环形轨道转台B显中2种干扰的出现次数和系统伤损误报次数，结果见表3。

由表3可知：采用双拍正交编解码模式消除了幻象波/换能器串扰信号的影响，因此检测系统误报由平均11次/周下降至0次/周。

综上可知，双拍正交编解码技术可以有效提升B显数据信噪比。

4 结 论

（1）正交编解码技术超声发射接收模式相较于传统超声发射接收模式对幻象波信号和换能器串扰信号具有明显抑制作用，可以显著提升超声信号信噪比。

（2）通过对比国标伤损A显数据，采用双拍正交编解码技术对幻象波和换能器串扰抑制作用强于对伤损抑制作用，平均高出10.39 dB；通过对比国标伤损B显数据，采用双拍正交编解码技术对国标伤损的检出率为100%，对幻象波和换能器串扰的消除率为100%。

（3）相较于传统超声发射接收模式，将双拍正交编解码技术应用于超声发射接收可以在不影响伤损回波信号的前提下，有效消除幻象波/换能器串扰信号对钢轨探伤B显数据的影响，提升超声B显数据信噪比，并且着重改善轨头核伤高发区域内B显数据质量，减少误判漏判。

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基金资助

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