多通道超声无损检测系统中正交扩频码的全并行补偿方法研究

这篇综述创新性地提出在超声无损检测(NDE)中采用正交扩频码(Gold codes)实现多换能器系统的全并行操作。研究通过补偿系统传递函数，在保持5MHz中心频率的宽频带特性下，使9通道系统定位精度达4ns，突破传统串行检测的时效瓶颈。该方法显著提升CDMA技术在超声领域的信噪比(SNR)和抗串扰能力，为工业无损检测提供新范式。

　　

正交扩频码在超声检测中的突破性应用

创新性技术背景

多换能器超声系统在工业无损检测(NDE)领域面临核心矛盾：虽然能提升检测精度并实现单探头无法完成的复杂检测，但传统串行操作模式导致执行时间随通道数指数增长。研究团队另辟蹊径，从全球定位系统(GPS)采用的Gold码获取灵感，将通信领域的码分多址(CDMA)技术引入超声检测，开创性地实现全系统并行操作。

关键技术突破

通过6级线性反馈移位寄存器(LFSR)生成63位Gold码序列，构建65组正交码库。相较于随机二进制序列26%的平均互相关值，Gold码将最大互相关峰值控制在15%以下。实验采用中心频率5MHz的PZ29压电复合材料换能器，在60mm钢试块上验证：

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  直接激励时自相关峰值仅30%

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  补偿系统传递函数后提升至70%

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  采样间隔8ns下实现亚采样精度(4ns)定位

系统补偿机制

创新性地采用线性传递函数补偿技术，针对2-11MHz带宽设计数字矩形滤波器。通过补偿包含AL₂O₃阻尼层的换能器频响特性，将编码超声信号的互相关均值从58%降至36%。特别值得注意的是，补偿后的信号即使采用原始数字码相关解码，仍能保持50%以上的峰值差异度。

多通道扩展验证

通过时延叠加模拟9通道系统，在随机时移(0-8000ns)和幅值缩放(0.5-1倍)条件下：

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  数字码定位误差为零

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  补偿超声信号误差<8ns

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  仅代码5因幅值衰减出现识别临界

工程应用价值

相比传统时分多址(TDMA)需等待超声衰减，该方法使检测速度提升数量级。在核电站管道检测等恶劣环境中，可大幅缩短人员暴露时间。研究同时揭示：

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  电压叠加可能超出电子系统极限

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  非线性声学效应需额外处理

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  建议采用FPGA实现实时信号分离

未来发展方向

团队指出延长LFSR至11级可扩展至2049个正交序列，但需平衡带宽需求与换能器性能。下一步将开发专用检测系统，探索在超声全矩阵捕获(FMC)成像中的应用潜力，为航空复合材料等高端制造领域提供革新性检测方案。