声发射信号处理和分析技术

仪器的发展分不开的。因此，在阐述AE信号处理技术发展时，我们必须同时叙述AE仪器的发展。
所有的AE测试系统都由传感器、放大器和分析系统三个基本部分组成，AE仪器的发展也集中表现在这三个系统上。近几十年来，这三部分的内容（质量）都在不断更新，特别是AE传感器和分析系统的发展。AE仪器的发展经历了五个不同时期，差不多相应于20世纪后五个年代。最早出现的声发射仪，可以简单到仅仅是一个测量信号有效值的毫伏表，或者是一个脉冲计数器，这是第一代AE仪器，代表了20世纪50~60年代的水平。70年代的声发射仪器已使用计算机技术，它把形成各种AE特征量输出的多通道硬件模块插在一个机箱内，通过内部总线与一台标准小型计算机相连。除工作速度和存储能力不足外，其最大缺点来自性能很差的总线结构，各个通道的声发射信号的采集、传递、计算、存储和显示都要占用中央处理单元（CPU）的时间，不但速度慢，而且系统极易出现闭锁状态。稍后的第三代声发射仪有所分离，并利用IEEE488标准总线和直接内存存取，系统在信号处理速度和实时显示上有了一定改进。
80年代后期出现了利用并行处理技术解决实时采集和处理的仪器，如PAC公司的SPARTAN AT和LOCAN320等，使仪器在AE数据处理能力上有了较大提高（每秒数千个声发射事件）。在这类仪器中，为保证AE数据的实时采集，把数据采集和信号的分析、显示分开。设计时，每两个通道形成一个单元，配有专用微处理器，形成独立通道控制单元（ICC），完成实时数据采集，
而数据处理任务比较合理的分配给一些并行的计算单元，这样，仪器的实时性得到大大增强。这应属于第四代AE仪器。
90年代后，AE检测系统进入了全数字式的第五代。它是在高速A/D转换及有关集成电路（IC）芯片性能大幅度提高，价格又大幅度下降的背景下形成的。全数字化AE仪器的问世标志着声发射仪器的研制进入一个全新的阶段，它在系统结构和软件配置上保留了第四代产品的优点，但放大后的AE信号不必再经过一系列的模拟、数字电路形成数字特征量。这样做的好处是数字信号有良好的抗干扰特征，信息能够准确的发送、传递而无畸变，没有模拟器件因存在噪声或饱和带来的失真以及因器件离散等因素产生的数据不一致，从而使仪器的可靠性得到更好的保证。另外，由数字化的AE信号中提取特征量比模拟方法容易实现，如采用模拟方法很难在严格的意义上给出AE信号的能量和有效值，而在数字信号的基础上却容易实现。数字化后的信号保留了更多的AE信息，也为信号分析和特征提取提供更大的开发潜力。
图4是一个典型的全数字式AE系统图，它具有如下特点：
（1） 采用PC机的插板方式，只要把用于AE信号采集的AE DSP-32/16卡插入ISA（PC/AT）总线，配一台性能良好的PC机，就可构成2~256通道AE检测系统。仪器的模块式结构进一步简化。
（2） 数字信号处理器（DSP）卡采用了包括高速DSP（TMS320C40）和现场可编程门阵列（FPGA）在内的最新器件，一块卡包括两个独立的AE通道，由一个DSP进行管理，DSP从主机取得程序和设置命令，在硬件提取传统AE特征参数的同时，还可计算出附加的波形特征（频率特征、信号波形特征、组合特征和由用户开发的其它特征）。由于DSP具有高速的并行处理、数据传送和寻址能力，可在近乎实时的意义下完成数据记录和附加特征的提取，这在以往AE仪器中是难以设想的。全数字式AE仪器的问世为AE信号处理技术提供了一个全新的舞台。
使用DSP卡的第五代全数字式声发射仪虽然比前几代有了很大进步，但本质仍是参数声发射仪，即硬件的输出或显示记录存储的数据仍是实际声发射信号波形基础上提取的声发射参数。DSP卡声发射仪也都可配有波形采集，但波形采集平行于参数生成，计算机总线或总线技术应用的限制不能实时多通道传送波形数据到计算机，声源定位信号分析等实时显示分析的功能仍然只能由硬件输出的参数完成。21世纪出现了硬件的输出或显示记录存储的数据为声发射波形的全波形声发射仪，它的基本结构是在DSP卡的第五代全数字式声发射仪基础上去掉DSP，改用高速计算机总线PCI，直接高速地将经A/D转换后的全数字全波形声发射数据送到功能强大的计算机，由计算机软件完成参数生成及波形分析声源定位等任务。这种全数字全波形声发射仪最大限度地应用了现代电子和计算机高速数据采集和高速软件处理的技术，使得多通道声发射波形采集和分析不再困难，同时保留了参数声发射仪的全部功能，为声发射技术研究和应用提供了良好的工具。我国技术人员设计研制生产了世界上第一台多通道全波形声发射仪。