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摘 要：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1 MHz、焦点直径约1 mm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0.5～1.5 mm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。
关键词：空气耦合超声；非接触检测；相关算法；软包装热封缺陷
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）12-0111-05
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線检测方法，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1 MHz，焦距为38 mm，焦点直径为1 mm的Ultran点聚焦空气耦合探头，Agilent 33210A信号发生器，Trek 2 100 HF功率放大器，增益为60 dB的微信号放大器，采样频率20 MHz的采集卡Spectrum M2i.4021-exp，精度为1 μm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。
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200 Vp-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1 mm。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6 dB时的波束宽度。波束焦点直径BD（即-6 dB横向分辨率）和换能器频率、焦距存在如下关系[3]：
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，0.7 mm缺陷的封口图像信噪比降低到7.61 dB，缺陷图像较为模糊；而当缺陷尺寸降低到0.5 mm时，包络积分算法成像的图像信噪比进一步降低到7.42 dB，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。
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14.67 dB。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0.5 mm，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。
分析其原因主要是随着缺陷尺寸逐渐小于焦点直径（L 本文采用中心频率为1 MHz、焦点直径约1 mm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0.5～1.5 mm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。
参考文献
[1] MORRIS S A， OZGULER A， O’BRIEN J W D. New sensors help improve heat-seal microleak detection[J]. Packaging Technology & Engineering，1998，7（7）：42-49.
[2] OZGULER A， MORRIS S A， O’BRIEN J W D. Ultrasonic imaging of micro-leaks and seal contsminstion in flexible food packages by pulse-echo echnique[J]. Journal of Food Science，1998，63（4）：673-678.
[3] 袁红梅. 粘结结构界面缺陷超声检测技术及其应用研究[D]. 北京：北京工业大学，2010.
[4] GREEN J R E. Non-contact ultrasonic techniques[J]. Ultrasonics，2004（42）：9-16.
[5] HSU D K. Nondestructive testing using air-borne ultraso
und[J]. Ultrasonics，2006（44）：1019-1024.
[6] BLOMME E， BULCAEN D， DECLERCQ F. Air-coupled ultrasonic NDE： experiments in the frequency range 750 kHz-2 MHz[J]. NDT&E International，2002（35）：417-426.
[7] ROBERTSON T J， HUTCHINS D A， BILLSON D R， et al. Surface metrology using reflected ultrasonic signals in air[J]. Ultrasonics，2002（39）：479-486.
[8] KAZYS R， DEMCENKO A， ZUKAUSKAS E， et al. Air-coupled ultrasonic investigation of multi-layered composite materials[J]. Ultrasonics，2006（44）：819-822.
[9] MEYERL S， HINDLE S A， SANDOZ J P， et al. Non-contact evaluation of milk-based products using air-coupled ultrasound[J]. Measuement Science and Technology，2006（17）：1838-1846.
[10] 周正干，魏东，向上. 线性调频脉冲压缩方法在空气耦合超声检测中的应用研究[J]. 机械工程学报，2010，46（18）：24-28.
[11] 于洪涛. 复合材料板的非接触超声导波扫描成像检测技术研究[D]. 北京：北京工业大學，2013.
[12] 刘一舟. 基于马尔可夫随机场的超声图像降噪分析[D].武汉：武汉大学，2005.
[13] 周正干，魏东，向上. 空气耦合超声检测中衰减因素的研究[J]. 中国机械工程，2010，21（19）：2350-2353.
（编辑：莫婕）
关键词：空气耦合超声；非接触检测；相关算法；软包装热封缺陷
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）12-0111-05
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線检测方法，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1 MHz，焦距为38 mm，焦点直径为1 mm的Ultran点聚焦空气耦合探头，Agilent 33210A信号发生器，Trek 2 100 HF功率放大器，增益为60 dB的微信号放大器，采样频率20 MHz的采集卡Spectrum M2i.4021-exp，精度为1 μm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。
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200 Vp-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1 mm。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6 dB时的波束宽度。波束焦点直径BD（即-6 dB横向分辨率）和换能器频率、焦距存在如下关系[3]：
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，0.7 mm缺陷的封口图像信噪比降低到7.61 dB，缺陷图像较为模糊；而当缺陷尺寸降低到0.5 mm时，包络积分算法成像的图像信噪比进一步降低到7.42 dB，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。
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14.67 dB。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0.5 mm，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。
分析其原因主要是随着缺陷尺寸逐渐小于焦点直径（L
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[3] 袁红梅. 粘结结构界面缺陷超声检测技术及其应用研究[D]. 北京：北京工业大学，2010.
[4] GREEN J R E. Non-contact ultrasonic techniques[J]. Ultrasonics，2004（42）：9-16.
[5] HSU D K. Nondestructive testing using air-borne ultraso
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[6] BLOMME E， BULCAEN D， DECLERCQ F. Air-coupled ultrasonic NDE： experiments in the frequency range 750 kHz-2 MHz[J]. NDT&E International，2002（35）：417-426.
[7] ROBERTSON T J， HUTCHINS D A， BILLSON D R， et al. Surface metrology using reflected ultrasonic signals in air[J]. Ultrasonics，2002（39）：479-486.
[8] KAZYS R， DEMCENKO A， ZUKAUSKAS E， et al. Air-coupled ultrasonic investigation of multi-layered composite materials[J]. Ultrasonics，2006（44）：819-822.
[9] MEYERL S， HINDLE S A， SANDOZ J P， et al. Non-contact evaluation of milk-based products using air-coupled ultrasound[J]. Measuement Science and Technology，2006（17）：1838-1846.
[10] 周正干，魏东，向上. 线性调频脉冲压缩方法在空气耦合超声检测中的应用研究[J]. 机械工程学报，2010，46（18）：24-28.
[11] 于洪涛. 复合材料板的非接触超声导波扫描成像检测技术研究[D]. 北京：北京工业大學，2013.
[12] 刘一舟. 基于马尔可夫随机场的超声图像降噪分析[D].武汉：武汉大学，2005.
[13] 周正干，魏东，向上. 空气耦合超声检测中衰减因素的研究[J]. 中国机械工程，2010，21（19）：2350-2353.
（编辑：莫婕）