專利名稱：一種面向超聲波信號的小波去噪方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波數(shù)字化信號處理領(lǐng)域，尤其涉及一種面向超聲波信號的小波去噪方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超聲波探傷是五大常規(guī)無損檢測中運(yùn)用最為普遍的一種，超聲回波的信號處理直接關(guān)系到被測對象是否合格，關(guān)系到產(chǎn)品的安全狀況及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的超聲波信號處理方法，是通過基于傅里葉(Rmrier)變換實現(xiàn)回波降噪、 特征提取。此類處理方法的關(guān)鍵是抗混疊濾波器及AD轉(zhuǎn)換器，而抗混疊濾波器的設(shè)計相當(dāng)煩瑣，其電路板的印制所占面積大且不可重復(fù)利用，無法適用不同類型超聲波探傷機(jī)，影響了超聲信號處理質(zhì)量、超聲探傷產(chǎn)品的工作效率。如圖1為傳統(tǒng)超聲波信號處理流程簡圖。當(dāng)前超聲波探傷設(shè)備有了一定的改進(jìn)，有相當(dāng)部分設(shè)備都是采用基于FPGA為核心的超聲波檢測卡。在檢測卡上集合了數(shù)據(jù)采集電路、高速A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA、程控放大電路、復(fù)位電路及電源電路、模擬濾波電路等硬件以實現(xiàn)探頭對的超聲波的發(fā)射接收、超聲回波信號的處理，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入卡上FPGA的片內(nèi)存儲單元。其中的超聲回波信號處理方法較為通用的有二種一種是一階、高階有源濾波器電路，或者是帶通濾波器，如圖2 所示其基本單元為一階有源低通濾波器，輸入信號Ui經(jīng)電阻R接入放大器A的正向輸入端， 放大器A的正向輸入端經(jīng)電容C接地，放大器A的負(fù)向輸入端經(jīng)電阻&接放大器A的輸出端，放大器A的輸出端還經(jīng)電阻&接地，放大器A的輸出端輸出信號U。；一種是基于有限沖擊響應(yīng)(FIR)的濾波器，圖3是FPGA中專用數(shù)字信號處理模塊實現(xiàn)的HR濾波器基本結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。HR濾波器的工作頻率取決于各基本連接電路的最高工作頻率fsub_filtCT 及其后的加法器樹工作頻率fadd_tae，實際中加法器樹頻率fadd-tree比fsub_filtJ[S得多，這二者中較小者就是FIR濾波器的最高工作頻率即fadd_toe，這影響了 HR濾波器在高頻工況下的運(yùn)用，此外，隨著內(nèi)部乘法器與加法器的增加，HR濾波器的面積、功耗、成本也相應(yīng)的增加。 這樣，在超聲信息量大、實時性要求高的場合下，基于FIR濾波器的信號處理模塊則無法發(fā)揮其相應(yīng)的功能。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種面向超聲波信號的小波去噪方法及系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種面向超聲波信號的小波去噪方法，包括步驟1，獲取含噪聲的超聲回波信號數(shù)學(xué)模型f(t) = s(t)+r(t), s(t)是探頭接收到的衰減后的超聲回波信號，r(t)是包括結(jié)構(gòu)噪聲在內(nèi)的所有噪聲；步驟2，選取基本小波并計算該基本小波的尺度函數(shù)和濾波函數(shù)；步驟3，將超聲回波信號數(shù)學(xué)模型與基本小波的濾波函數(shù)卷積，得到去噪的超聲波信號。
在一個示例中，基本小波選自Daubechies小波族。在一個示例中，步驟2中，根據(jù)小波變換濾波器系數(shù)與、^!)求解尺度函數(shù) WO)與濾波函數(shù)Ψ (t)。在一個示例中，按照下式進(jìn)行卷積= |廠風(fēng)《>0，其中WTx(a，τ)為去噪的超聲波信號，a為
-yjaCt
尺度，為濾波函數(shù)Ψα)的共軛函數(shù)。在一個示例中，濾波函數(shù)￥(t)根據(jù)下式得到^(0 = 1^^1-0^ = 2,
k
3，.......，2N 1，N為小波變換濾波器的階數(shù)，gk為權(quán)重。本發(fā)明提供了一種面向超聲波信號的小波去噪系統(tǒng)，包括超聲回波信號數(shù)學(xué)模型獲取模塊，用于獲取含噪聲的超聲回波信號數(shù)學(xué)模型；基本小波選取模塊，用于選取基本小波并計算該基本小波的尺度函數(shù)和濾波函數(shù)；去噪模塊，用于將超聲回波信號數(shù)學(xué)模型與基本小波的濾波函數(shù)卷積，得到去噪的超聲波信號。在一個示例中，基本小波選自Daubechies小波族。在一個示例中，基本小波選取模塊根據(jù)小波變換濾波器系數(shù)Iitl(Ii)與、^!)求解尺度函數(shù)pO)與濾波函數(shù)ψ (t)。在一個示例中，去噪模塊按照下式進(jìn)行卷積= |廠風(fēng),其中WTx(a，τ)為去噪的超聲波信號，a為
yjaCt
尺度，為濾波函數(shù)Ψα)的共軛函數(shù)。在一個示例中，濾波函數(shù)￥(t)根據(jù)下式得到^(0 = 1 ^^-*)，k = 2，
k
3，.......，2N 1，N為小波變換濾波器的階數(shù)，gk為權(quán)重。本發(fā)明能夠去除超聲回波中的噪聲，并能夠減小器件的面積，增強(qiáng)器件的魯棒性。


下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中圖1為傳統(tǒng)超聲波信號處理流程簡圖；圖2是一階有源低通濾波器；圖3是FIR濾波器基本結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是小波消噪結(jié)構(gòu)圖；圖5是Daubechies小波濾波器；圖6是不同N值下(7)式的加權(quán)系數(shù)&。
具體實施例方式本發(fā)明提供的面向超聲波信號的小波去噪方法如圖4所示，包括
步驟11，獲取帶缺陷且含噪聲的超聲回波信號數(shù)學(xué)模型；超聲探傷過程中夾雜噪聲包括聲學(xué)與非聲學(xué)噪聲二種，其中聲學(xué)噪聲對超聲回波起主要的影響作用。通常而言，非聲學(xué)噪聲指電噪聲；聲學(xué)噪聲主要指結(jié)構(gòu)噪聲，主要是由于散射而引起，即因探傷對象材料及其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)對入射波的散射。下面主要分析結(jié)構(gòu)噪聲，如果結(jié)構(gòu)噪聲僅由單次散射構(gòu)成，且換能器是雙晶的，那么此時的結(jié)構(gòu)噪聲為rn(t)rn(t) = A0 ( α Jc) 1/2exp (- α ct)(1-1)其中，α為衰減系數(shù)，c為聲速，T為入射波脈沖寬度，Atl入射脈沖幅度。從式3_3 中可分析得知散射系數(shù)α s直接影響著結(jié)構(gòu)噪聲的幅值及衰減速度，是影響結(jié)構(gòu)噪聲大小最為重要的因素。超聲波探傷過程中，其脈沖信號一般為經(jīng)過探頭中心頻率調(diào)制過的寬帶信號，可令它是一高斯包絡(luò)的脈沖，則帶超聲缺陷回波的數(shù)學(xué)模型為s(t) = h(t)cos(2 π fVt+Φ)(1-2)其中A指探頭中心頻率，h(t)指鐘形函數(shù)，Φ指初始相位。因為超聲探傷接收到的是衰減信號，h(t)包絡(luò)取為雙指數(shù)衰減函數(shù)，超聲探傷過程中的雙指數(shù)衰減模型如下P (t) = P。· Ad · exp (- α ct) /ct λ(1-3)其中P(t)為超聲波在探傷對象中傳播一段距離后的聲壓，P0指入射到探傷對象的表面時的聲壓，Ad為探傷對象的接觸表面積，α為衰減系數(shù)，c為超聲波聲速，t為超聲波傳播時間，λ為超聲波波長。所以式(1-2可)寫成s (t) = P0 · Ad · exp (- α ct) · cos (2 π f0t+ φ) /ct λ (1-4)綜合而得帶缺陷的超聲回波信號數(shù)學(xué)模型可表示為如下3-7式f (t) = s(t)+r(t)(1-5)s(t)是探頭接收到的衰減后的超聲回波信號；r(t)是指包括結(jié)構(gòu)噪聲在內(nèi)的所有噪聲，一般情況下取r(t) = brn(t)，b是噪聲系數(shù)，rn(t)是結(jié)構(gòu)噪聲。步驟12，采用Daubechies小波族作為基本小波(也稱母小波)，濾波函數(shù)為 Ψ (t)；本發(fā)明中采用dbN(N為小波階數(shù))，閾值的規(guī)則和大小選擇應(yīng)該根據(jù)超聲回波信號衰減情況及噪聲大小作選擇；優(yōu)選地，選擇4 6級中的一級。步驟13，針對連續(xù)小波變換濾波器系數(shù)Iltl (η)與Ii1 (η)求解尺度函數(shù)Φ (t)與濾波函數(shù)Ψ⑴。令Φ (t)、Ψ (t)、h。(n) A (η)對應(yīng)的傅里葉變換分別是Φ (w)、Ψ (w),H0(w)、 H1 (w)。Φ iw) = Y\H0{2-]w)(2)

^(w) = H[^-)f[H0(2^w)(3)H0(W) = ^=H0(W)(4)H0 (z) = h0 (0) +h0 (1) z_1+h0 (2) z"2+h0 (3) z"3+......+h0 (n) z_n (5) 圖5為Daubechies小波濾波器，N從2 10的小波系數(shù)可從中直接讀取。通過式(5)式得到H0 (ζ)，再經(jīng)過Z變換得到H0 (w)，由H0 (w)及H1 (w)求解Φ (w)、Ψ (w)則可把尺度函數(shù)與濾波函數(shù)求出。值得注意的是只有極少數(shù)情況下可由式( 得到解析形式的解， 一般而言，大多數(shù)情況下無法求得解析解，只能對％ (η)作迭代數(shù)值卷積運(yùn)算求得Φα)。求得尺度函數(shù)與濾波函數(shù)后，通過式(7)由尺度對求解的濾波函數(shù)進(jìn)行修正。尺度函數(shù)Φ (t)是低通函數(shù)，通過Φ (t)能夠求出Ψ (t)，Ψ (t)是Φ (2t)的移位加權(quán)Wit) = Y^S Λ^-k)(6)
kk值從2-2N 1，N值不同，權(quán)重&的值亦不同，圖6為不同N值下式(6)的加權(quán)系數(shù)gko步驟14、將基本小波的函數(shù)Ψ (t)作位移τ后，再在不同尺度α下與超聲回波信號數(shù)學(xué)模型X(t)作內(nèi)積
/ +co. / — τaWTx (a, r) = f ^ x(t)￥\-^)dt,Ω>0 (7)
-yjd 00Cl等效的頻域表示為壞Tx(a,r) = ^X(w)x￥\aw)elwTdw ( 8 )。經(jīng)過式(7)運(yùn)算后，即可得到去噪的超聲波信號。本發(fā)明還提供了一種面向超聲波信號的小波去噪系統(tǒng)，包括超聲回波信號數(shù)學(xué)模型獲取模塊，用于獲取含噪聲的超聲回波信號數(shù)學(xué)模型；基本小波選取模塊，用于選取基本小波并計算該基本小波的尺度函數(shù)和濾波函數(shù)；去噪模塊，用于將超聲回波信號數(shù)學(xué)模型與基本小波的濾波函數(shù)卷積，得到去噪的超聲波信號。為了取得更好地去噪效果，基本小波選自Daubechies小波族?；拘〔ㄟx取模塊根據(jù)上式(幻_ 求得尺度函數(shù)與濾波函數(shù)求出。由于只有極少數(shù)情況下可由式( 得到解析形式的解，一般而言，大多數(shù)情況下無法求得解析解，只能對Iitl (η)作迭代數(shù)值卷積運(yùn)算求得Φ (t)。這種情況下，通過式(7)，利用Φ (t)求出Ψ (t)，其中N為小波變換濾波器的階數(shù)，。去噪模塊按照式(8)進(jìn)行卷積 其中WTx (a，τ)為去噪的超聲波信號，a為尺度，為濾波函數(shù)Ψ⑴的共軛函數(shù)。本發(fā)明所提供的系統(tǒng)可以通過DSP或者FPGA實現(xiàn)。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但本發(fā)明保護(hù)范圍并不局限于此。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的技術(shù)范圍內(nèi)，均可對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖兓蜃兓?，而這種改變或變化都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種面向超聲波信號的小波去噪方法，其特征在于，包括步驟1，獲取含噪聲的超聲回波信號數(shù)學(xué)模型f(t) = s(t)+r(t), s(t)是探頭接收到的衰減后的超聲回波信號，r(t)是包括結(jié)構(gòu)噪聲在內(nèi)的所有噪聲； 步驟2，選取基本小波并計算該基本小波的尺度函數(shù)和濾波函數(shù)； 步驟3，將超聲回波信號數(shù)學(xué)模型與基本小波的濾波函數(shù)卷積，得到去噪的超聲波信號。
2.如權(quán)利要求1所述的小波去噪方法，其特征在于，基本小波選自Daubechies小波族。
3.如權(quán)利要求1所述的小波去噪方法，其特征在于，步驟2中，根據(jù)小波變換濾波器系數(shù)hQ(n)與！^仏)求解尺度函數(shù)與濾波函數(shù)ψ( )。
4.如權(quán)利要求3所述的的小波去噪方法，其特征在于，按照下式進(jìn)行卷積
5.如權(quán)利要求3或4所述的小波去噪方法，其特征在于，濾波函數(shù)v(t)根據(jù)下式得到
6.一種面向超聲波信號的小波去噪系統(tǒng)，其特征在于，包括超聲回波信號數(shù)學(xué)模型獲取模塊，用于獲取含噪聲的超聲回波信號數(shù)學(xué)模型； 基本小波選取模塊，用于選取基本小波并計算該基本小波的尺度函數(shù)和濾波函數(shù)； 去噪模塊，用于將超聲回波信號數(shù)學(xué)模型與基本小波的濾波函數(shù)卷積，得到去噪的超聲波信號。
7.如權(quán)利要求6所述的小波去噪系統(tǒng)，其特征在于，基本小波選自Daubechies小波族。
8.如權(quán)利要求6所述的小波去噪系統(tǒng)，其特征在于，基本小波選取模塊根據(jù)小波變換濾波器系數(shù)b (η)與、^!)求解尺度函數(shù)與濾波函數(shù)V(t)。
9.如權(quán)利要求8所述的小波去噪系統(tǒng)，其特征在于，去噪模塊按照下式進(jìn)行卷積
10.如權(quán)利要求8或9所述的小波去噪系統(tǒng)，其特征在于，濾波函數(shù)v(t)根據(jù)下式得到
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向超聲波信號的小波去噪方法及系統(tǒng)。該方法包括步驟1，獲取含噪聲的超聲回波信號數(shù)學(xué)模型f(t)＝s(t)+r(t)，s(t)是探頭接收到的衰減后的超聲回波信號，r(t)是包括結(jié)構(gòu)噪聲在內(nèi)的所有噪聲；步驟2，選取基本小波并計算該基本小波的尺度函數(shù)和濾波函數(shù)；步驟3，將超聲回波信號數(shù)學(xué)模型與基本小波的濾波函數(shù)卷積，得到去噪的超聲波信號。本發(fā)明能夠去除超聲回波中的噪聲，并能夠減小器件的面積，增強(qiáng)器件的魯棒性。
文檔編號G01N29/46GK102495140SQ20111034195
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者周東華, 李娟 , 杜學(xué)鋼, 蘇信, 趙本利 申請人:清華大學(xué)