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1、多传感器信息融合技术在无损检测 中的应用研究 许 军 罗飞路 张耀辉 (国防科技大学,长沙 410073) 摘 要 概述多传感器信息融合技术的原理与方法,着重介绍将该技术应用于无损检测时的 具体算法。 主题词 传感器 信息处理 无损检测 仿真过程 RESEARCH ON THE APPL ICATI ON OFM ULTISENSOR DATA FUSI ON TO NONDESTRUCTIVE TESTING Xu Jun Luo Feilu Zhang Yaohui (N ationalU niversity of Defense Technology) Abstract The mult
2、isensor data fusion technology was described including its principle and method. A nd the algorithm for the application of the technology to nondestructive testing was given. Keywords Sensor Signal processing Nondestructive testing Emulation process 随着科学技术的不断进步,各种无损检测技术 也日趋完善,已成为保证产品质量和安全生产的必 不可少的手段
3、。目前,常用的无损检测技术有超声、 射线、 涡流、 磁粉、 渗透、 红外和微波检测等1。这些 方法各有所长,也各有其局限性。例如,超声检测对 平面型缺陷比较敏感,因此对裂纹、 未熔合等长条类 缺陷的检出率较高,而对体积状缺陷的检出率较 低2;射线检测对气孔、 夹渣等体积状缺陷较敏感; 磁粉检测可以确定钢铁材料表面缺陷的位置和分 布,但无法判断缺陷的内部形状和取向;涡流检测在 导电材料表面及近表面的缺陷检测中效果明显,而 在深层缺陷检测上受到很大限制。 因此,无论采用哪 种方法都不能检出所有的缺陷,即仅用一种方法检 测所得的结果往往是不全面的3。 所以,如何充分利 用各种无损检测方法的长处,相互
4、结合,取长补短, 提高无损检测的全面性、 可靠性和灵敏度,一直是人 们关注的课题4。 近年来,已有涡流超声综合检测投 入实际生产的报道5。 但是,目前这种综合检测的结 果基本上还是通过检测人员分析比较各检测设备提 供的信息,由人工综合给出的。这显然不利于高速、 高可靠性的自动化生产。 为此,本文提出了采用多传 感器信息融合技术完成综合无损检测的新思路,从 理论上给出了该技术在无损检测中的应用方法。 1 信息融合技术的基本理论 一般而言,信息融合(或数据融合)是指对来自 多个信息源的数据进行检测、 关联、 相关、 估计和综 合等多级、 多方面的处理,以获得对被测对象状态的 精确估计和评价6。 事
5、实上,信息融合是生物系统所 具备的一个基本功能。人类本能地将各感官获得的 信息与先验知识进行综合,对周围环境和发生的事 件做出估计和判断。 当运用各种现代信息处理方法, 通过计算机实现这一功能时,就形成了多传感器信 息融合技术。 因此,信息融合的基本目的是要充分利 用多个传感器资源,通过适当的综合来获得比任何 单一信息源所能表达的更多的信息7,即通过采用 多传感器协调和联合运作的优势提高检测系统的整 体性能。 根据融合系统所处理的信息层次,目前常将信 息融合系统划分为如下三个层次8: (1)数据层融合 数据层融合是指直接将各传 感器的原始数据进行关联(即将数据分类成有意义 的组合)后,送入融合
6、中心,完成对被测对象的综合 评价。数据层融合是传感器水平上的融合。其优点 是保持了尽可能多的原始信号信息,缺点是处理的 信息量过大,速度慢,实时性较差。 而且,当传感器的 243 第22卷第8期 2 0 0 0年8月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 8 A ug. 2000 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 类型不一致时,由于没有合适的方法对原始数据所 包含的特征进行一致性检验,所以数据层融合具有 很大的盲目性。故通常只用于数据之
7、间配准精度较 高的图象处理。 (2)特征层融合 特征层融合是指把原始数据 先经特征提取,再进行数据关联和归一化等处理,送 入融合中心进行分析与综合,完成对被测对象的综 合评价。特征层融合属于信息的中间层次融合。其 优点是既保留了足够数量的原始信息,又实现了一 定的数据压缩,有利于实时处理。而且,由于在特征 提取方面有许多成果可以借鉴,所以特征层融合是 目前应用较多的一种技术。 但是,该技术在复杂环境 中的稳健性和系统的容错性与可靠性还有待改善。 (3)决策层融合 决策层融合是指在融合前, 将各传感器的信号先做本地处理,即与每一传感器 相应的处理单元先分别独立地完成特征提取和决策 等任务,然后进
8、行关联,再送入融合中心处理。 因此, 这种方法的实质是根据一定的准则和每个决策的可 信度做出最优的决策。决策层融合是数据融合中的 高级融合。其优点是数据通讯量小、 实时性好,可以 处理非同步信息,能有效地融合不同类型的信息。 而 且,在一个或几个传感器失效时,系统仍能继续工 作,具有良好的容错性,系统可靠性高7。 因此,决策 层融合是目前信息融合研究的一个热点8。 但是,这 种技术也有其不足之处,如原始信息的损失,被测对 象的时变特征和先验知识的获取困难,知识库的巨 量特性等而难以得到实用。 实际中选择何种融合方式应由具体问题确定。 在无损检测中,由于各种检测设备的特性不一致,使 各种检测方法
9、得到的缺陷信息模式不同,很难对其 直接关联,因此不易进行数据层融合9。 而由各检测 设备获得的缺陷特征的非一致性也使采用特征层融 合遇到困难。因此,在无损检测中,较为实用的选择 是采用决策层融合。这种方式不仅对各检测设备的 输出信息约束最小,而且系统的可靠性较高。 2 信息融合的常用算法 目前常用的算法有经典推理法、Bayes推理法、 Dempster2Shafer证据理论(D2S证据理论)法、 模板 法、 聚类法、 表决法、 熵方法、 自适应神经网络法和模 糊集理论法等。本文只着重介绍在决策层融合中应 用最广泛的D2S证据理论法。 D2S证据理论对不确定性的描述是,用b(A)表 示对事件A的
10、基本可信度,当关于某命题的各种相 互独立的可能答案或假设构成一个有限集合,即一 个辨识框架 ( 时,( 中所有可能子集的集合可用幂 集2来表示(因为当 ( 中有N个元素时, 2中有2 N - 1个元素)。此时,基本可信度分配函数b(A)从幂 集2到0, 1之间的映射满足如下两个条件: ( 1)不可能事件的基本可信度分配为零,即 b(b时,判定该命题成立。反之, 等待下一周期检测结果,继续融合,再作判决。 进一步分析时,还可将不同命题归类,分别求出 其支持可信度和拟信度。 例如,本例中 “裂纹” 的支持 可信度S和拟信度P l分别为: S(裂纹 ) = b1(裂纹 ) + b4(表面裂纹) =
11、0. 848 5 (下转第357页) 443 许 军等:多传感器信息融合技术在无损检测中的应用研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 图3 检测部位示意图 由附表可见, 10个检测部位的五次重复透射检 测结果各自的标准偏差的最大值为0. 000 3g?cm 3, 各自与排水法检测结果的极差为0. 000 8g?cm 3, 五 次重复透射检测结果的平均值(i= ij 5 )与排 水法检测结果的极差为0. 000 5g?cm 3。 3 结论 建立
12、了炸药柱径向密度分布 射线透射法无损 检测装置,该装置具有优良的计数稳定性和较高的 自动化程度,可获得置信概率95%时0. 1%的密度 分辨力。 装置同样适用于检测炸药柱的局部密度,也 可用于其它材料密度和密度分布的检测。 参考文献 1 温茂萍,田 勇,游开兴.炸药部件无损检测综述.含能材 料, 1994, 2(1) 2 Kaye SM , Herman HL.Encyclopedia of Explosives and Related Item s(Vol . 9). R76- 103. N ew Jersey, U SA: Picatinny A rsenal, 1980. 3 田 勇,李
13、高强,温茂萍.强激光与粒子束 编辑部, ed. 小型传爆药柱密度的 射线透射检测方法.中国工程物 理研究院材料科学与工程学术交流会论文集,绵阳: 1996. 4 D rontning WD. Development of an A utomated X2Ray GaugeforNondestructiveQ uantitativeA nalysis. DE88008633. 5 美国无损检测学会编,美国无损检测手册 译审委员会 译.美国无损检测手册射线卷.上海:世界图书出版公 司, 1992. 6 田 勇,李高强,温茂萍.炸药柱径向局部密度的自对照 射线透照法.无损检测, 1999, 21(5
14、): 215 收稿日期: 1999212218 (上接第344页) P l(裂纹) = 1 -b2(凹坑 ) + b3(气孔 ) = b1(裂纹 ) + b4(表面裂纹 ) + b5(不明) = 0. 853 6 4 结束语 (1)理论分析和仿真结果说明,将多传感器信 息融合技术应用于无损检测是可行的。不同检测设 备提供的信息经多次融合,反复抽取有用信息后,可 大大降低判断的盲目性,提高了综合检测的准确性 和稳健性。 (2)针对无损检测的特点,采用决策层融合是 合适的。特别是D2S证据理论的融合算法,结构简 单、 速度快、 结果稳定、 可操作性强,易于在一般软、 硬件环境下实现。 (3)进一步
15、研究新的融合方法对无损检测的适 用性,并结合试件和生产实际进行试验研究,必将会 对无损检测技术的发展起到积极的推动作用。 参考文献 1 中国机械工程学会无损检测学会编.无损检测概论.北 京:机械工业出版社, 1993. 2 袁 榕,刘 庆.对压力容器焊缝无损检测可靠性的探 讨.无损检测, 1997, 19(2): 41- 44 3 仲维畅.超声波探伤技术的局限性和可靠性.无损检测, 1996, 18(3): 65- 67 4 任吉林.涡流检测技术近20年的进展.无损检测, 1998, 20(5): 121- 125 5 刘 征.冷拉棒材涡流超声综合检测.无损检测, 1993, 15 (5):
16、133- 134 6 EdwardW altz等著,刘宗贵等编译.多传感器数据融合. 1993. 7 蓝金辉等.多传感器目标分类的数据融合方法.测试技术 学报, 1998, 12(1): 26- 28 8 罗雪山等 . C 3I系统理论基础. 长沙:国防科技大学C3I系 统研究中心, 1997. 9 钱彦岭.红外无损检测技术的研究: 硕士学位论文.长 沙:国防科技大学, 1998. 收稿日期: 1998212218 欢迎来稿 欢迎订阅 欢迎刊登广告 753 田 勇等:炸药柱径向密度分布的 射线自动透射检测装置 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载