FR2612659A1

FR2612659A1 - Signal processing method and circuit for implementing it

Info

Publication number: FR2612659A1
Application number: FR8703903A
Authority: FR
Inventors: Jean-Marc Lecoeur
Original assignee: ICETI
Current assignee: ICETI
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1988-09-23
Anticipated expiration: 2007-03-20
Also published as: FR2612659B1

Abstract

The invention relates above all to the signals delivered by an ultrasonic transducer 10 used in a non-destructive testing system. The method of the invention is characterised in that it consists in sampling the signal at instants t1, t2, etc. at which the signal passes through an extreme E1, E2,...En. Application to ultrasonic non-destructive testing.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT DE SIGNAL ET CIRCUIT DE MISE EN OEUVRE. SIGNAL PROCESSING METHOD AND IMPLEMENTATION CIRCUIT.

DESCRIPTION
La présente invention a pour objet un procédé de traitement de signal et un circuit de mise en oeuvre. Elle trouve une application dans le contr8le non destructif par ultrasons.DESCRIPTION
The present invention relates to a signal processing method and an implementation circuit. It finds application in non-destructive ultrasonic testing.

Dans une installation de controle non destructif utilisant les ultrasons, on trouve un palpeur constitué par un ou plusieurs transducteurs ultrasonores. Un transducteur est excité par des impulsions électriques et il émet des impulsions ultrasonores dirigées sur ou dans une pièce à controler. Les ondes ultrasonores renvoyées par la pièce sont reçues par un transducteur (le même qu'à L'émission, ou un autre), qui émet, en réponse, un signal électrique. L'analyse de ce signal permet de contrôler la qualité de la pièce. In a non-destructive testing installation using ultrasound, there is a probe constituted by one or more ultrasonic transducers. A transducer is excited by electrical pulses and it emits ultrasonic pulses directed onto or into a part to be controlled. The ultrasonic waves returned by the part are received by a transducer (the same as on emission, or another), which emits, in response, an electrical signal. The analysis of this signal makes it possible to control the quality of the part.

Un système de traitement de signal utilisable dans un appareil de contrôle non destructif par ultrasons est représenté sur la figure 1. Un transducteur ultrasonore 10 émet un signal électrique qui est dirigé vers un circuit de traitement 20. A signal processing system usable in an ultrasonic non-destructive testing device is shown in FIG. 1. An ultrasonic transducer 10 emits an electrical signal which is directed to a processing circuit 20.

Celui-ci comprend un échantillonneur 22 et un circuit de traitement proprement dit 24. Le signal délivré par le transducteur 10 est un signal analogique S(t), qui présente généralement la forme d'une onde alternative amortie.This includes a sampler 22 and a processing circuit proper 24. The signal delivered by the transducer 10 is an analog signal S (t), which generally has the form of a damped alternating wave.

L'échantillonneur 22 délivre une suite S(n) d'échantillons, où n désigne un rang.The sampler 22 delivers a series S (n) of samples, where n denotes a rank.

En général, mais non obligatoirement, les échantillons sont numérisés dans L'échantillonneur. Le circuit 24 travaille alors en numérique ("processeur" numérique, calculateur, microordinateur, etc.). Il délivre un signal Inf qui contient l'information recherchée (présence d'un défaut, position de ce défaut, épaisseur d'une pièce, diamètre, etc.). In general, but not necessarily, the samples are digitized in the sampler. The circuit 24 then works in digital (digital "processor", calculator, microcomputer, etc.). It delivers a signal Inf which contains the information sought (presence of a defect, position of this defect, thickness of a part, diameter, etc.).

Dans L'art antérieur, L'opération d'échantillonnage consiste à prélever des échantillons du signal à des instants régulièrement espacés, comme illustré sur la figure 2 (partie a). In the prior art, the sampling operation consists in taking samples of the signal at regularly spaced times, as illustrated in FIG. 2 (part a).

On choisit pour cela une fréquence d'échantillonnage qui est
supérieure à la plus grande frequence du signal à traiter. La
suite des échantillons permet d'effectuer un traitement numérique
complet.We choose for this a sampling frequency which is
greater than the greatest frequency of the signal to be processed. The
sequence of samples allows digital processing
full.

Cette technique est remarquable à certains égards,
notamment pour ce qui est de la représentation du signal : on voit sur la partie b de la figure 2 l'allure du signal
reconstitué à partir des échantillons. Cependant, cette technique d'échantillonnage ne permet pas un traitement en temps réel. Elle implique donc une analyse différée, ce qui suppose une capacité de mémoire de stockage très importante : le matériel correspondant est donc coûteux. Par ailleurs, la fréquence de recurrence des impulsions de contrôle se trouve limitée à de faibles valeurs, comme on peut le comprendre à L'aide de
l'exemple suivant.This technique is remarkable in some ways,
in particular with regard to the representation of the signal: we see on part b of FIG. 2 the appearance of the signal
reconstituted from the samples. However, this sampling technique does not allow processing in real time. It therefore involves a delayed analysis, which supposes a very large storage memory capacity: the corresponding hardware is therefore expensive. Furthermore, the frequency of recurrence of the control pulses is limited to low values, as can be understood using
the following example.

On suppose que le signal analogicue à traiter presente une durée de 10, > s (ce qui représente Le temps mis par une onde ultrasonore longitudinale pour explorer 30 mm d'acier). Le palpeur ultrasonore travaillant à une fréquence de l'ordre de 10 MHz, on peut échantillonner le signal à une fréquence de 200 MHz. Pour un signal de durée 106,kas, on obtiendra alors un 6 nombre d'échantillons égal à (10.10 )(200.10 ) soit 2000. Le temps moyen de traitement de chacun des échantillons étant de l'ordre de 8ps (avec un microordinateur de référence HD 6303 travaillant à 8 MHz), l'analyse -de la totalité du signal demandera 8x2000=16000,zs. Ainsi, la fréquence de récurrence d'exploration ne pourra-t-elle dépasser 62,5 Hz, ce qui est faible. It is assumed that the analog signal to be processed has a duration of 10> s (which represents the time taken by a longitudinal ultrasonic wave to explore 30 mm of steel). The ultrasonic probe working at a frequency of the order of 10 MHz, the signal can be sampled at a frequency of 200 MHz. For a signal of duration 106, kas, we will then obtain a number of 6 samples equal to (10.10) (200.10), ie 2000. The average processing time for each of the samples being of the order of 8 ps (with a microcomputer of reference HD 6303 working at 8 MHz), the analysis -of the entire signal will require 8x2000 = 16000, zs. Thus, the exploration recurrence frequency cannot exceed 62.5 Hz, which is low.

La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient. A cette fin, elle propose un procédé et un circuit de mise en oeuvre qui rompent avec les techniques antérieures en ce sens qu'ils font appel à un échantillonnage qui n'est plus périodique mais qui est lié à la forme du signal. De façon plus précise, la prise d'échantillons correspond aux instants où le signal à traiter passe par un extremum (maximum ou minimum). The object of the present invention is precisely to remedy this drawback. To this end, it proposes a method and an implementation circuit which break with the prior techniques in the sense that they use a sampling which is no longer periodic but which is linked to the form of the signal. More precisely, taking samples corresponds to the moments when the signal to be processed passes through an extremum (maximum or minimum).

Il est manifeste que le nombre d'échantillons qui sera ainsi obtenu sera beaucoup moins grand que dans l'art antérieur, ce qui peut sembler aller à l'encontre des techniques d'échantillonnage. Cependant, les travaux de l'inventeur ont montré que l'on pouvait fort bien se contenter d'un tel échantillonage dans la plupart des cas que l'on rencontre dans le contrôle non destructif. En effet, dans le contexte d'une telle technique, il s'agit avant tout de déterminer certains paramètres du signal, comme son enveloppe, son amplitude maximum, sa position temporelle, sa phase, etc. Ces déterminations peuvent parfaitement être accomplies à partir d'un signal échantillonné comme préconisé par L'invention. Elles ne nécessitent pas la connaissance précise des variations du signal entre deux extremums. It is obvious that the number of samples which will thus be obtained will be much less than in the prior art, which may seem to go against sampling techniques. However, the work of the inventor has shown that one could very well be satisfied with such a sampling in most of the cases encountered in non-destructive testing. Indeed, in the context of such a technique, it is above all a question of determining certain parameters of the signal, such as its envelope, its maximum amplitude, its temporal position, its phase, etc. These determinations can perfectly be accomplished on the basis of a sampled signal as recommended by the invention. They do not require precise knowledge of the variations of the signal between two extremes.

L'abaissement du nombre d'échantillons à traiter évite bien les inconvénients de l'art antérieur mentionnés plus haut il réduit la capacité de la mémoire de stockage, abaisse le temps de traitement et permet d'accroitre la cadence'des tests. The reduction in the number of samples to be processed well avoids the drawbacks of the prior art mentioned above, it reduces the capacity of the storage memory, reduces the processing time and makes it possible to increase the rate of the tests.

De façon précise, L'invention a donc pour objet un procédé de traitement des signaux délivrés par un transducteur ultrasonore utilisé dans un système de contrôle non destructif, ce procédé consistant à échantillonner le signal délivré par le transducteur, puis à effectuer un traitement sur le signal échantillonné, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il consiste à échantillonner le signal à des instants où il passe par un extremum. Specifically, the invention therefore relates to a method of processing the signals delivered by an ultrasonic transducer used in a non-destructive control system, this method consisting in sampling the signal delivered by the transducer, then in performing a processing on the sampled signal, this process being characterized by the fact that it consists in sampling the signal at times when it passes through an extremum.

La présente invention a également pour objet un circuit de traitement de signal destiné au traitement des signaux issus d'un transducteur ultrasonore disposé dans un système de contrôle non destructif. Ce circuit met en oeuvre le procédé qui vient d'être défini. A cette fin, il comprend un échantillonneur relié au transducteur ultrasonore et un ensemble de traitement de signal échantillonné ; ce circuit est caractérisé par le fait que
L'échantillonneur comprend un moyen pour déterminer les instants où le signal passe par un extremum et un moyen pour échantillonner le signal à ces instants.The present invention also relates to a signal processing circuit intended for processing signals from an ultrasonic transducer arranged in a non-destructive control system. This circuit implements the process which has just been defined. To this end, it includes a sampler connected to the ultrasonic transducer and a sampled signal processing assembly; this circuit is characterized by the fact that
The sampler includes means for determining the instants when the signal passes through an extremum and means for sampling the signal at these instants.

De toute façon, les caractéristiques de l'invention apparaStront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. In any case, the characteristics of the invention will appear better after the description which follows, of embodiments given by way of explanation and in no way limiting.

Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, montre la structure génerale d'un circuit de traitement de signal,
- la figure 2, déjà decrite, illustre le principe de l'échantillonnage d'un signal analogique selon l'art antérieur,
- la figure 3 illustre le procédé d'échantillonnage de l'invention,
- la figure 4 montre comment restituer l'enveloppe du signal et déterminer son amplitude maximum, pour un signal échantillonné selon l'invention,
- la figure 5 montre comment déterminer l'instant d'apparition d'un signal,
- la figure 6 montre comment détecter la phase d'un signal,
- la figure 7 illustre un circuit d'échantillonnage selon l'invention.This description refers to attached drawings in which:
FIG. 1, already described, shows the general structure of a signal processing circuit,
FIG. 2, already described, illustrates the principle of sampling an analog signal according to the prior art,
FIG. 3 illustrates the sampling method of the invention,
FIG. 4 shows how to restore the envelope of the signal and determine its maximum amplitude, for a sampled signal according to the invention,
FIG. 5 shows how to determine the instant of appearance of a signal,
FIG. 6 shows how to detect the phase of a signal,
- Figure 7 illustrates a sampling circuit according to the invention.

Le signal S(t) représenté sur la figure 3, partie a, est typique des signaux que l'on rencontre en contrôle non destructif par ultrasons. Il correspond à un cas ou l'amortissement est faible on ne note pas moins de cinq alternances. Dans la pratique, on peut trouver des signaux qui sont davantage amortis et qui présentent seulement deux alternances. L'efficacité du procédé de l'invention n'en est que renforcee comme on le comprendra mieux par la suite. The signal S (t) represented in FIG. 3, part a, is typical of the signals that are encountered in non-destructive testing by ultrasound. It corresponds to a case where the damping is low, there are no less than five half-cycles. In practice, one can find signals which are more damped and which have only two half-waves. The effectiveness of the process of the invention is only reinforced as will be better understood later.

Le signal S(t) présente cinq extremums El, E2,... E5 qui interviennent aux instants tl, t2,... t5 marqués sur la ligne (b). The signal S (t) has five extremes El, E2, ... E5 which occur at times tl, t2, ... t5 marked on line (b).

Les échantillons S(1), S(2),... S(5) pris à ces instants sont représentés sur la partie (c) de la figure 3. C'est ce signal échantillonné qui sera traité. The samples S (1), S (2), ... S (5) taken at these times are represented on part (c) of FIG. 3. It is this sampled signal which will be processed.

On observera deux propriétés de l'échantillonnage de l'invention - la prise d'échantillons aux extremums entraîne que la fréquence
d'échantillonnage est égale au double de la fréquence du
signal, ce qui est conforme à la condition d'échantillonnage
dite de Shannon, - si la fréquence varie, soit d'un signal à l'autre, soit au sein
du même signal, cette condition reste satisfaite car les
instants d'échantillonnage. ne sont pas imposés par une horloge
extérieure mais par le rythme même du signal.We will observe two properties of the sampling of the invention - taking samples at the extremes means that the frequency
sampling rate is twice the frequency of the
signal, which complies with the sampling condition
called Shannon, - if the frequency varies, either from one signal to another, or within
of the same signal, this condition remains satisfied because the
sampling moments. are not imposed by a clock
outside but by the very rhythm of the signal.

Les figures 4 à 6 illustrent, à titre non exhaustif, quelques exemples de traitement de signal pouvant être effectués sur le signal échantillonné selon l'invention. FIGS. 4 to 6 illustrate, by way of non-exhaustive example, some examples of signal processing that can be carried out on the sampled signal according to the invention.

Sur la figure 4, on a symbolisé l'opération qui consiste à déterminer l'enveloppe 26 du signal (technique dénommée généralement "A-scan"). Les échantillons sont redressés pour avoir tous la même polarité. L'enveloppe est obtenue par une technique classique d'interpolation. In FIG. 4, the operation which consists in determining the envelope 26 of the signal has been symbolized (technique generally called "A-scan"). The samples are straightened to all have the same polarity. The envelope is obtained by a conventional interpolation technique.

La figure 4 illustre également la détermination de
L'amplitude crête du signal. Cette détermination est immédiate puisqu'il suffit de comparer les échantillons et de déterminer quel est le plus grand.Figure 4 also illustrates the determination of
The peak amplitude of the signal. This determination is immediate since it suffices to compare the samples and determine which is the largest.

La figure 5 illustre la détermination de l'instant T d'apparition du premier échantillon. Cet échantillon correspond à la première alternance du signal. Les autres échantillons ne sont pas pris en compte. FIG. 5 illustrates the determination of the instant T of appearance of the first sample. This sample corresponds to the first half-wave of the signal. The other samples are not taken into account.

La figure0 6 montre comment on détermine la phase du signal. Sur la partie (a), le signal a une phase positive car le premier échantillon est positif. Le même signal à phase négative est illustré sur la partie (b) avec un premier échantillon négatif. Figure0 6 shows how the phase of the signal is determined. On part (a), the signal has a positive phase because the first sample is positive. The same negative phase signal is illustrated in part (b) with a first negative sample.

Tous ces exemples montrent que le traitement de signal peut s'effectuer dans des conditions très simples avec rapidité et efficacité et ceci en dépit (ou à cause de) la réduction considérable du nombre d'échanti-llons prélevés. All these examples show that the signal processing can be carried out under very simple conditions with speed and efficiency and this in spite of (or because of) the considerable reduction in the number of sampled samples.

Enfin, la figure 7 montre un mode de realisation d'un circuit d'échantillonnage mettant en oeuvre le procédé de
l'invention. Le circuit représenté comprend un comparateur 30, une ligne à retard 36, un circuit de prise d'échantillons 38 et un convertisseur analogique-numérique 40. Le circuit 30 comprend une ligne à retard 32 et un comparateur 34 à deux entrées reliées
l'une à l'entrée générale Ea et l'autre à la ligne à retard.Finally, FIG. 7 shows an embodiment of a sampling circuit implementing the method of
the invention. The circuit shown comprises a comparator 30, a delay line 36, a sampling circuit 38 and an analog-digital converter 40. The circuit 30 comprises a delay line 32 and a comparator 34 with two connected inputs
one at the general entrance Ea and the other at the delay line.

Le fonctionnement de ce circuit est le suivant. Le signal analogique appliqué à l'entrée Ea est retardé dans la ligne 32. Le comparateur 34 reçoit le signal Sncident et le signal retardé et délivre un signal logique indiquant, à chaque instant, si le signal incident est plus grand ou plus petit que le signal retardé, c'est-à-dire finalement si le signal est croissant ou décroissant. The operation of this circuit is as follows. The analog signal applied to the input Ea is delayed in line 32. The comparator 34 receives the signal Sncident and the delayed signal and delivers a logic signal indicating, at all times, whether the incident signal is larger or smaller than the delayed signal, that is to say ultimately if the signal is increasing or decreasing.

Les fronts de montée et de descente du signal logique emis par le comparateur marquent ainsi les passages du signal par un minimum ou par un maximum. The rising and falling edges of the logic signal emitted by the comparator thus mark the signal passages by a minimum or by a maximum.

Ces instants sont pris comme instants d'échantillonnage. Comme leur détermination a introduit un retard, la ligne 36 est utilisée pour compenser ce retard. Elle permet d'appliquer au circuit 38 un signal dont les extremums sont bien situés aux instants des fronts de montée et de descente définis par le comparateur 30. These instants are taken as sampling instants. As their determination introduced a delay, line 36 is used to compensate for this delay. It makes it possible to apply a signal to circuit 38 whose extremums are well located at the instants of the rising and falling edges defined by the comparator 30.

Le circuit 38 prélève ainsi la valeur de l'extremum du signal. Il faut observer, à cet égard, que ce circuit peut être d'une qualité moyenne en ce sens que des fluctuations ("jitter" en anglais) peuvent l'affecter. En effet, comme on prélève une amplitude au moment où le signal passe par un extremum, une fluctuation de tst sur l'instant d'échantillonnage n'entraînera pratiquement pas d'erreur sur l'amplitude de L'échantillon (cf. The circuit 38 thus takes the value of the extremum of the signal. It should be noted, in this regard, that this circuit can be of average quality in the sense that fluctuations ("jitter" in English) can affect it. Indeed, as we take an amplitude at the moment when the signal passes through an extremum, a fluctuation of tst over the sampling instant will practically cause no error on the amplitude of the sample (cf.

schéma en bas du circuit 38). Avec les procédés de l'art antérieur, L'échantillonnage s'effectue souvent le long d'une rampe, ce qui occasionne des erreurs, sauf à recourir à des echantillonneurs de très grande qualité, mais qui sont alors très coûteux. diagram at the bottom of circuit 38). With the methods of the prior art, the sampling is often carried out along a ramp, which causes errors, except by using samplers of very high quality, but which are then very expensive.

Enfin, l'échantillon est numérisé par Le convertisseur 40. Des mots, par exemple de 8 bits (octets), forment les échantillons Sn adressés ensuite vers les moyens de traitement numérique. Finally, the sample is digitized by the converter 40. Words, for example of 8 bits (bytes), form the samples Sn then addressed to the digital processing means.

Dans la pratique, les deux circuits 38-40 sont généralement rassemblés en un seul. In practice, the two circuits 38-40 are generally combined into one.

Claims

1. Signal processing method for processing the signals (S (t)) delivered by an ultrasonic transducer (1C) used in a non-destructive testing system, this method consisting in sampling (22) the signal (S (t) ) delivered by the transducer (10) then to carry out a processing on the sampled signal (S (n)), this method being characterized by the fact that it consists in sampling the signal at instants (t1, t2, ... ) where it passes through an extremum (El, E2, ... En).

2. Method according to claim 1, characterized in that the processing carried out on the sampled signal consists either in measuring the variations in amplitude of the signal, or in measuring its maximum amplitude, or in determining the phase of the signal, or in a combination of these treatments.

3. signal processing circuit intended for processing signals from an ultrasonic transducer (10) disposed in a non-destructive control system, this circuit implementing the method of claim 1 and comprising a sampler (22) connected to the ultrasonic transducer (10) and a set (24) for processing the sampled signal, this circuit being characterized by the fact that the sampler (22) comprises means (30) for determining the instants when the signal (S (t)) goes through an extremum and a means (38-40) to sample the signal at these times.