一種基于emd聯(lián)合小波閾值去噪的粗晶材料超聲檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于EMD聯(lián)合小波閾值去噪的粗晶材料超聲檢測方法，結(jié)合EMD對非平穩(wěn)非線性信號的自適應(yīng)分解能力與小波多尺度多分辨降噪能力，對粗晶材料檢測的低信噪比信號進行去噪處理，充分改善檢測信號信噪比，實現(xiàn)對粗晶材料的有效檢測。本發(fā)明的優(yōu)點是：充分結(jié)合兩者在檢測信號處理中的優(yōu)勢，能夠?qū)Φ托旁氡鹊臋z測信號進行合理去噪，能更有效的區(qū)分信號和噪聲，選取更合適的閾值去除噪聲，大幅提高信噪比，最終達到對粗晶材料進行有效檢測的目的。
【專利說明】一種基于EMD聯(lián)合小波閾值去噪的粗晶材料超聲檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明適應(yīng)于低信噪比檢測信號的缺陷定位，具體涉及一種基于EMD聯(lián)合小波閾值去噪的粗晶材料超聲檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]粗晶材料具有抗腐蝕、抗高溫蠕變能力強等優(yōu)點，近些年來，在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，如在化工反應(yīng)容器和管道、液氣存儲和運輸、核電等工業(yè)部門中都有著廣泛的用途。但是在對其進行超聲檢測時，結(jié)構(gòu)噪聲嚴重降低了檢測信號的信噪比，缺陷反射常常被噪聲淹沒而難以識別。因此，無論在生產(chǎn)過程中，還是在日常維護中，對這類材料進行無損檢測是必不可少的。
[0003]無損檢測是在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展的檢測技術(shù)，它借助先進的技術(shù)和儀器設(shè)備，在不損壞、不改變被檢測對象理化狀態(tài)的情況下，對被檢測對象的內(nèi)部和表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)進行高靈敏度何高可靠性的檢查和測試，借以評判它們的連續(xù)性、完整性、安全性一起其他性能指標。無損檢測作為一種有效的檢測手段，已在我國廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟建設(shè)的各個領(lǐng)域，例如特種設(shè)備的制造檢測和在用檢驗，以及機械、冶金、石油天然氣、化工、航空航天、船舶鐵路、電力、建筑等行業(yè)。尤其在保證承壓類特種設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量和使用安全方面，無損檢測技術(shù)顯得尤為重要。超聲檢測技術(shù)具有檢測深度大、靈敏度高、穿透力強、定位準確、成本低廉、速度快、對人體無害及便于現(xiàn)場使用等特點，因此，與其他無損檢測手段相比較，超聲檢測技術(shù)應(yīng)用最廣泛。在對粗晶材料進行超聲檢測時，無規(guī)則的大晶粒界面將對超聲波產(chǎn)生強烈散射，造成嚴重的結(jié)構(gòu)噪聲和超聲能量衰減，再加上發(fā)射接收探頭之間的聲電串混和測試系統(tǒng)的各種隨機噪聲，致使超聲檢測靈敏度和缺陷檢出率嚴重下降。如何對強噪聲信號進行噪聲抑制，提高信噪比和缺陷檢出率是這項研究工作的重點。
[0004]1998年N.E.Huang等人提出了經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法(EMD)，適用于分析非平穩(wěn)非線性的時變過程，其與小波分析的區(qū)別在于它是后驗的，不需要事先選定基函數(shù)，而是根據(jù)信號本身的特性自適應(yīng)地產(chǎn)生合適的模態(tài)函數(shù)，這些模態(tài)函數(shù)能很好的反映信號在任何時間局部的頻率特性。由于它可以將復(fù)雜信號分解成一系列頻率由高到低的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)，因此可以將其看作是信號極值特征尺度為度量的時空濾波過程，并可利用這個性質(zhì)對信號進行濾波分析與去噪處理。但是利用EMD完成濾波去噪只是簡單地用原信號減去分解后的若干個MF分量，導(dǎo)致相應(yīng)分量上的有用信息與噪聲一起濾除，從而造成信號失真。
[0005]小波分析是當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程學(xué)科中一個迅速發(fā)展的新領(lǐng)域，小波變換聯(lián)系了應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計算機科學(xué)、信號與信息處理、圖像處理、地震勘探等多個學(xué)科。近年來小波分析在信號處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，1995年Donoho和Johnstone提出小波閾值去噪方法。雖然該方法應(yīng)用在很多地方，并取得了較好的去噪效果，但其自身仍然存在不可避免的缺點，特別是閾值選取上，要依據(jù)信號分解后的小波系數(shù)衡量，取值過小會造成信號部分特征信息與噪聲一同被濾除，信號失真嚴重；而取值過大使得去噪效果不明顯，信噪比不能得到有效改善。[0006]結(jié)合兩種去噪方法的特點，將EMD與小波分析融合到一起進行信號處理，先利用EMD分解低信噪比檢測信號，將信號相鄰峰值點間的時延定義為時間尺度，并讓信號篩分分解為不同尺度的若干MF分量，逐層獲取信號的信息；再運用小波分析對分解出的各MF分量進行逐個分析去噪，保存信號中尖峰和突變部分，在更窄的頻帶中有效信號的小波系數(shù)更加突出，能更有效的區(qū)分信號和噪聲，選取更合適的閾值去除噪聲，從而提高信噪比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了增強檢測信號信噪比，提高粗晶材料超聲檢測的可靠性，提供一種基于EMD聯(lián)合小波閾值去噪的粗晶材料超聲檢測方法，充分結(jié)合兩者在檢測信號處理中的優(yōu)勢，能夠?qū)Φ托旁氡鹊臋z測信號進行合理去噪，在去除噪聲的同時最大程度的保留信號特征信息，最終達到對粗晶材料進行有效檢測的目的。
[0008]本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，技術(shù)方案為:結(jié)合EMD對非平穩(wěn)非線性信號的自適應(yīng)分解能力與小波多尺度多分辨降噪能力，對粗晶材料檢測的低信噪比信號進行去噪處理，充分改善檢測信號信噪比，實現(xiàn)對粗晶材料的有效檢測；特征在于具體方法為:在已知缺陷的粗晶材料中獲得超聲檢測信號，由于粗晶材料晶粒大，超聲信號散射和衰減嚴重，導(dǎo)致信噪比低；首先將檢測信號進行EMD處理，利用EMD的自適應(yīng)分解能力，按頻率由高到低分解出一系列窄頻帶的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)分量，每個分量中都含有原信號的特征信息；然后利用小波閾值去噪方法對各IMF分量進行去噪，由于IMF分量頻帶窄，小波只需要在小頻帶范圍內(nèi)進行小波分解，所以有用信號的小波系數(shù)更加突出，去噪效果更佳，獲得的重構(gòu)信號可以獲得最優(yōu)估計；最后將小波去噪后的各MF進行信號重建，就可以在達到去除噪聲的基礎(chǔ)上盡可能的保留檢測信號的有用特征信息的目的。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點是:充分結(jié)合兩者在檢測信號處理中的優(yōu)勢，能夠?qū)Φ托旁氡鹊臋z測信號進行合理去噪，能更有效的區(qū)分信號和噪聲，選取更合適的閾值去除噪聲，大幅提高信噪比，最終達到對粗晶材料進行有效檢測的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明仿真測試信號加載前后波形圖。
[0011]圖2為本發(fā)明三種方法處理結(jié)果與原信號全局波形的比較圖。
[0012]圖3為本發(fā)明粗晶材料測試信號圖。
[0013]圖4為本發(fā)明EMD聯(lián)合小波去噪結(jié)果與測試信號比較圖。
[0014]在圖1中，上部分圖為無噪聲檢測信號，下部分圖為加入噪聲后檢測信號，圖1中由左到右為始波、缺陷波與底波。
【具體實施方式】
[0015]以下結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】對本發(fā)明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護范圍。
[0016]—種基于EMD聯(lián)合小波閾值去噪的粗晶材料超聲檢測方法,是結(jié)合EMD對非平穩(wěn)非線性信號的自適應(yīng)分解能力與小波多尺度多分辨降噪能力，對粗晶材料檢測的低信噪比信號進行去噪處理，充分改善檢測信號信噪比，實現(xiàn)對粗晶材料的有效檢測；特征在于具體方法如下:首先仿真設(shè)計一個粗晶材料檢測信號，由一個無噪聲信號加入隨機噪聲構(gòu)成，信噪比為5dB，如圖1所示，圖中由于信噪比低，缺陷波幾乎被噪聲淹沒，無法被分辨出來；然后將檢測信號進行EMD分解，可以按頻率由高到低的自適應(yīng)分解獲得13個窄頻帶IMF分量及殘差信號(如果按照EMD去噪方法去除前3個噪聲嚴重的MF分量后，全局信噪比為
11.13dB ;而直接進行小波閾值去噪后，全局信噪比為12.87dB),由于這些MF分量頻帶窄，對它們進行小波閾值處理時，噪聲與有效信號成分的小波系數(shù)差異明顯，閾值的選取更方便準確，因此去除各IMF分量中的噪聲同時，信號的特征信息能夠更完整的保留下來；最后將去噪后的MF分量重構(gòu)信號，計算全局信噪比為16.58dB，信噪比有較大提高。
[0017]如圖2所示，三種方法處理后整體波形與原始無噪聲信號比較，而在對缺陷波進行單獨比較可以觀察各種處理方法對于信號特征信息保留的完整程度。
[0018]根據(jù)這種方法特點對實際粗晶材料試塊檢測數(shù)據(jù)進行處理，試塊晶粒度為2級，厚度為80mm，在埋深60mm有一個孔徑為Φ2πιπι的平底孔，實測信號如圖3，圖中始波與地面回波較明顯，而平底孔反射回波被噪聲淹沒。經(jīng)過該處理方法后，將處理結(jié)果與實測信號比較如圖4所示，平底孔反射信號從強噪聲信號中“脫穎而出”，反射位置清晰可見。
【權(quán)利要求】
1.一種基于EMD聯(lián)合小波閾值去噪的粗晶材料超聲檢測方法，技術(shù)方案為:結(jié)合EMD對非平穩(wěn)非線性信號的自適應(yīng)分解能力與小波多尺度多分辨降噪能力，對粗晶材料檢測的低信噪比信號進行去噪處理，充分改善檢測信號信噪比，實現(xiàn)對粗晶材料的有效檢測；其特征在于具體方法為: (1)將檢測信號進行EMD處理，利用EMD的自適應(yīng)分解能力，按頻率由高到低分解出一系列窄頻帶的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)分量，每個分量中都含有原信號的特征信息； (2)然后利用小波閾值去噪方法對各IMF分量進行去噪，由于IMF分量頻帶窄，小波只需要在小頻帶范圍內(nèi)進行小波分解； (3)將小波去噪后的各MF進行信號重建，就可以在達到去除噪聲的基礎(chǔ)上盡可能的保留檢測信號的有用特征信息 的目的。
【文檔編號】G01N29/44GK103901115SQ201410150224
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】施倩, 李秋鋒, 周瑞琪 申請人:南昌航空大學(xué)