相关算法软包装热封缺陷空气耦合超声检测

刘忆森，周松斌，韩 威，黄可嘉，李 昌，刘伟鑫

（1.广东省自动化研究所，广东 广州 510070；2.广东省现代控制技术重点实验室，广东 广州 510070；3.广东省现代控制与光机电技术公共实验室，广东 广州 510070）

相关算法软包装热封缺陷空气耦合超声检测

刘忆森1，周松斌1，韩 威2，黄可嘉2，李 昌3，刘伟鑫3

（1.广东省自动化研究所，广东 广州 510070；2.广东省现代控制技术重点实验室，广东 广州 510070；3.广东省现代控制与光机电技术公共实验室，广东 广州 510070）

为实现软包装热封缺陷的在线无损检测，将空气耦合超声检测技术应用于软包装热封缺陷检测。采用中心频率为1MHz、焦点直径约1mm的点聚焦空气耦合超声探头，并分别采用包络积分算法和相关算法对带有0.5～1.5mm泄漏通道型缺陷的热封封口进行面扫描成像。实验结果表明该方法可实现软包装热封泄漏缺陷的非接触成像。将带通滤波后的超声信号包络与标准信号包络相关性系数作为成像特征量，可有效消除空气耦合超声的透射能量波动噪声。相对于包络积分算法，相关算法可显著提升图像信噪比以及小尺寸缺陷检出能力。

空气耦合超声；非接触检测；相关算法；软包装热封缺陷

0 引 言

在食品、药品及日化行业中，热封软包装是一种广泛使用的包装形式。在包装封口的过程中，受热压时间、热压温度、热压压力、产品污染、周围环境污染等因素的影响，易产生气泡、夹杂、泄漏通道、压穿等形式的热封缺陷。热封缺陷，尤其是泄漏通道型缺陷的存在，会对产品质量与安全水平产生严重威胁，由此产生的食品药品安全事故频发。目前生产中，一般采用真空压差法、着色浸透法、撕裂法等方法对产品进行抽检。然而这些方法存在着费时长、检测步骤复杂、浪费产品、无法实现100%在线检测的问题。

在此背景下，基于超声技术的无损热封封口缺陷检测方法[1-3]迅速发展起来。然而，一般的超声检测法是利用水浸聚焦超声探头，需将待测样品浸入水中，进行超声扫描成像。因此这种方法仍然是一种离线检测方法，只能用于抽样检测。

空气耦合超声检测技术[4-6]具有非接触、非侵入、无需耦合剂的特点，可应用于原位检测，使产品的超声在线无损检测成为可能。但空气耦合超声换能器的换能效率极低，且频带窄、脉冲余振长，导致接收信号的信噪比很低，检测灵敏度和分辨率差。国外开展空气耦合超声研究较早，随着宽带大功率超声激励技术、微信号放大技术、脉冲压缩等信号处理技术的发展，空气耦合超声在表面成像[7]、复合材料检测[8]、食品质量检测[9]等方面获得了良好的应用效果。我国开展空气耦合超声技术研究较晚，目前在基于脉冲压缩的空耦超声检测[10]、空气耦合超声导波检测[11]等方面展开研究，取得了一定的成果。国内研究基本集中于空气耦合超声在复合材料检测领域的应用，而其在包装质量检测领域的应用暂未见报道。

本文将空气耦合超声技术应用于软包装热封缺陷的检测中，实现了通道泄露型热封缺陷的非接触检测；并针对空耦超声的透射能量噪声问题，采用相关算法，有效提高了超声图像信噪比及可检出缺陷最小尺寸。希望为软包装行业实现非接触在线检测提供技术参数。

1 扫描成像实验

1.1 空气耦合超声扫描系统

空耦超声扫描系统由中心频率为1MHz，焦距为38mm，焦点直径为1mm的Ultran点聚焦空气耦合探头，Agilent 33210A信号发生器，Trek 2100HF功率放大器，增益为60dB的微信号放大器，采样频率20MHz的采集卡Spectrum M2i.4021-exp，精度为1μm的精密位移台及主控PC机构成。系统结构框图及实物如图1所示。

图1 空气耦合超声扫描系统

扫描开始时，PC机控制信号发生器产生正弦脉冲串信号，经过功率放大器放大后激励空耦发射探头，激励电压峰值为200Vp-p，接收探头接收样品透射信号，经过微信号放大器放大后，由高速数据采集卡采集进入PC机，并进行实时信号处理。精密位移台带动发射和接收探头在XY平面做扫描运动，以实现二维扫描成像，扫描路径如图2所示。X轴扫描步长（SX）为0.25 mm，Y轴扫描步长（SY）为1mm。根据瑞利准则，传感器横向分辨率指脉冲回波信号功率下降6dB时的波束宽度。波束焦点直径BD（即-6dB横向分辨率）和换能器频率、焦距存在如下关系[3]：

图2 扫描路径示意图

式中：c——波速；

f0——换能器中心频率；

FL——焦距；

D——换能器晶片尺寸。

由式（1）计算可知，本文所采用换能器的焦点直径为1.07mm。因此，X轴扫描步长约为1/4焦点直径，Y轴扫描步长约等于焦点直径。

1.2 样品制备

检测样品为厚度0.16 mm的聚乙烯包装袋封口。分别将直径为1.5，1.0，0.7，0.5mm的铜丝置于包装袋封口处，然后利用热封设备进行封口，冷却后抽出铜丝，得到分别带有宽度（L）为1.5，1.0，0.7，0.5mm的泄露通道型缺陷的封口样品。对缺陷附近区域进行扫描，扫描面积为30mm×5mm。

2 软包装封口超声成像方法

2.1 包络积分算法成像

包络积分算法成像的原理是以超声透射波的能量为特征量进行二维灰度成像，其步骤如下：

1）在XY平面扫描空气耦合超声透射波；

2）对透射超声信号利用Hilbert变换求包络：

式中：x（t）——原始超声信号；

y（t）——超声信号包络；

t——超声信号的离散时间点。

3）对包络信号y（t）求积分，从而得到透射波能量值；

4）将XY平面每一点的能量值变换为灰度值，进行二维成像。

2.2 相关算法成像

相关算法成像是以每一点超声透射波与参考信号的相关程度作为特征量进行二维灰度成像，其步骤如下：

1）在XY平面扫描空气耦合超声透射波；

2）按照式（2）对透射超声信号作Hilbert变换求包络；

3）选择平面边缘5个点，假定为无缺陷的完好信号，计算这5个包络信号的平均值，作为参考信号；

4）计算每一点超声包络信号与参考信号的相关系数：

式中：y——扫描平面中某一点超声包络信号，y={y1，

y2，…，yn}；

r——参考信号，r={r1，r2，…，rn}；

n——信号点个数。

5）将XY平面每一点的相关系数变换为灰度值，进行二维成像。

2.3 成像质量评价指标

为评价不同成像方法的成像效果，将图像信噪比（SNR）作为图像质量评价指标[12]。对于一个m×n像素的超声图像：

式中：Speak——缺陷处信号灰度值峰值；

σb——背景信号灰度值均方差，即噪声信号均

方差；

xdi——图像每一行缺陷处灰度值的峰值；

3 实验结果与分析

3.1 不同成像方法成像结果分析

透过聚乙烯封口无缺陷处的超声透射信号如图3（a）所示。由于空气耦合超声换能器换能效率极低，因此尽管扫描硬件上采用了较大的激励强度与接收增益，接收信号的信噪比仍然较低。采用Chebyshev三阶带通滤波对原始回波信号进行处理，通带频率为0.8～1.2MHz。带通滤波后信号如图3（b）所示，信号信噪比由9.07dB提升至15.58dB。图3（c）和图3（d）分别为原始超声信号与带通滤波信号经过Hilbert变换后得到的信号包络。对比可知，经过带通滤波可有效去除包络曲线中的高频噪声干扰。

图3 无缺陷处超声透射信号

图4为1.5 mm泄漏通道缺陷的二维扫描成像图。其中图4（a）为包络积分成像的结果，肉眼可明显分辨缺陷的存在，但背景噪声较大，该图像的信噪比为13.55dB。图4（c）为信号带通滤波处理后再进行包络积分成像的结果。尽管带通滤波可有效提高透射超声信号的信噪比，但对于成像效果的提升却非常有限。图4（c）的图像信噪比为14.57dB，相对于图4（a），仅提升了1.02dB。图4（e）为相关算法成像结果，图像信噪比为22.76dB，相对于包络积分算法成像，图像信噪比有较大提升。图4（g）为信号带通滤波后再利用相关算法进行成像的结果，图像信噪比为32.99dB。可见利用带通滤波后信号进行相关成像，图像质量将进一步得到较大的提升。

为说明相关算法使空气耦合超声扫描图像质量得到显著提升的原因，将图4（a）、图4（c）、图4（e）、图4（g）中第1行线扫描数据归一化后分别列于图4（b）、图4（d）、图4（f）、图4（h）。热封封口成像的质量主要受到两方面的噪声影响：1）测量噪声，主要是由功率放大器、微信号放大设备等带入的测量电子白噪声；2）空气耦合超声透射能量波动噪声。空气耦合聚焦探头的透射信号强度对于样品的入射角度、样品的厚度均匀性、信号从样品周围的绕射、位移台扫描运动引起的震动乃至周围气流的波动等因素十分敏感。从图4（b）中可见无缺陷区域的噪声十分显著，而图4（d）经过带通滤波去除大部分的测量白噪声后，无缺陷区域噪声未见显著改善。由此可见，透射能量波动噪声是成像质量的主要影响因素。

由图4（f）可见，经过相关算法处理后，可以使无缺陷背景区的能量波动噪声得到显著改善。其原因是超声波在气固界面往返透射系数Tp[13]为

图4 1.5mm缺陷扫描成像结果

式中：z1——空气声阻抗；

z2——试样（聚乙烯）声阻抗。

当试样存在空隙缺陷时，透射信号强度将衰减103量级。在无缺陷处，尽管透射信号强度有较大波动，但与参考信号包络的相关性始终较强，因此相关系数始终接近1；在空隙缺陷处，超声透射强度基本为0，信号包络基本为白噪声信号包络，因此与参考信号包络的相关系数接近于0，因此相关算法能很好地屏蔽掉透射能量波动噪声，提升图像信噪比。

图4（h）中，背景区的能量波动噪声被进一步平滑，是由于带通滤波前的原始信号包络，带有能量较高的高频噪声，使包络线相关系数的计算带有一定随机性。带通滤波去除后，背景区信号与参考信号的相关性进一步提升，进而使图像信噪比得到提升。

3.2 缺陷尺寸对成像效果影响分析

对1.0，0.7，0.5 mm缺陷试样进行测试，研究缺陷尺寸减小时不同成像方法的成像效果，结果见图5。随着缺陷尺寸小于换能器焦点直径并进一步降低时，无论采用何种方法成像，图像的信噪比都将会逐步降低。当采用包络积分算法时，0.7mm缺陷的封口图像信噪比降低到7.61dB，缺陷图像较为模糊；而当缺陷尺寸降低到0.5mm时，包络积分算法成像的图像信噪比进一步降低到7.42dB，用肉眼几乎无法判断缺陷的存在。与已有文献的研究结果相同，当缺陷尺寸小于焦点直径时，将逐渐失去缺陷检出能力[3]。

当采用带通滤波再利用相关算法成像后，不同尺寸缺陷的成像质量得到不同程度的提升：1.0，0.7，0.5 mm图像信噪比分别提升17.24，13.27，8.74 dB。从图5（d）和图5（f）可见，采用相关算法后，可明显观察到用包络积分算法已难以观测到的小尺寸缺陷。因此，采用相关算法提升图像信噪比的同时，还可以提升热封封口的小尺寸缺陷检出能力。

图5 不同尺寸缺陷的成像效果

前文所采用4种成像方法的图像信噪比数据统计见表1。采用带通滤波后相关算法成像，可平均使图像信噪比提升14.67dB。但当缺陷尺寸逐渐减小时，相关算法相对于包络积分算法的信噪比提升能力逐渐降低。当缺陷小于0.5mm，即1/2的焦点直径时，无论采用文中哪一种成像方法都无法明显辨识出缺陷的存在，需要进一步增大换能器频率、减小换能器焦点直径来提升位置分辨率。

表1 不同算法成像信噪比统计

分析其原因主要是随着缺陷尺寸逐渐小于焦点直径（L

图6 不同尺寸缺陷线扫描相关系数

4 结束语

本文采用中心频率为1MHz、焦点直径约1mm的点聚焦空气耦合超声探头，并分别采用包络积分算法和相关算法对带有0.5～1.5mm泄漏通道型缺陷的软包装封口进行面扫描成像。结果表明，利用该方法，可以实现热封封口缺陷的非接触检测，对软包装行业实现非接触在线检测有一定参考意义。同时，利用带通滤波后信号进行相关算法成像，可有效消除空气耦合超声检测中的透射能量波动噪声。相对于包络积分算法，相关算法可显著提升图像信噪比及小尺寸缺陷的检出能力。

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（编辑：莫婕）

Air-coupled ultrasonic testing of flexible package seal defect based on correlation imaging method

LIU Yisen1，ZHOU Songbin1，HAN Wei2，HUANG Kejia2，LI Chang3，LIU Weixin3
（1.Guangdong Institute of Automation，Guangzhou 510070，China；2.Guangdong Key Laboratory of Modern Control Technology，Guangzhou 510070，China；3.Guangdong Public Laboratory of Modern Control and Manufacturing Technology，Guangzhou 510070，China）

In order to realize online nondestructive testing of flexible package seal defects，aircoupled ultrasonic testing was applied to detect seal defects of flexible package.A spot focused air-coupled ultrasonic probe whose center frequency is 1MHz and focus diameter is about 1mm was applied and envelop integration method and correlation method were applied to scan defects of 0.5 mm to 1.5mm leakage paths in sealing areas.Results show that this method can realize the noncontact imaging of seal leak defects of flexible package.Taking the ultrasonic signal envelope and standard signal envelope correlation coefficients after band-pass filtering as imaging characteristic quantity can effectively eliminate transmission energy fluctuating noise of the air-coupled ultrasound. Compared with the envelop integration method，the correlation method can significantly improve the signal-to-noise ratio of images and the small defects detection ability.

air-coupled ultrasonic；non-contact detection；correlation method；seal defect of flexible package

A

：1674-5124（2016）12-0111-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.023

2016-02-09；

：2016-03-15

广东省科技计划资助项目（2013B091100013，2013B010134008，2015A010103008）

刘忆森（1985-），女，江苏徐州市人，助理研究员，博士，主要从事传感技术与无损检测研究。

周松斌（1978-），男，广东饶平县人，研究员，博士，主要从事智能传感与检测、网络化测控、物联网方面的研究。