（材料科学与工程专业论文）基于小波分析的超声波信号降噪研究.pdf

捅要超声检测技术是一种确保设备安全运行的重要手段。在进行超声检测时，尤其在粗晶材料中大量的结构噪声使得有用信息湮没在噪声中，给超声检测的应用带来了一定的困难，因此超声信号的降噪处理十分重要。目前小波阂值法被广泛地应用于信号降噪处理中，其中母小波和分解层数的确定以及阂值和阈值处理函数的确定是小波阈值方法的两大关键技术。因此，本文基于信号处理理论以及超声回波信号的特点，分析研究了适合对超声信号进行小波处理的母小波所应具有的特性，并根据现有母小波的性质得出了：d a u b e c h i e s 小波族、s y m l e t s 小波族、c o i f l e t s 小波族和b i o r t h o g o n a l 小波族适合于进行超声信号分析。随后以构造的含噪超声信号作为研究对象，采用以上四种小波族和分解层数( 1 - - 1 0 ) 结合起来对构造的含噪信号进行交叉降噪试验。并考虑了在实际工程应用中，超声信号中的噪声是未知的，因此阈值重调方法采用“s i n 和“m l n ”，在这两种阈值重调方法下对构造的含噪信号分别采用四种阈值选取方法进行降噪处理；此外，考虑了软、硬阈值处理方法的缺点，分析三种闽值改进方法的优点。采用软、硬阈值法以及三种阈值改进方法对不同的含噪超声信号进行降噪处理。分析降噪后的结果可以得出：就超声回信号而言，采用d b l 2 和s y m 8 、s y m l o 、c o i l 2 和b i o r s 6 8 这五种小波的去噪效果较好，分解层数为4 时降噪效果达到最优；在重调方法采用“s i n ”和“m l n 时，采用“m i n i m a x i ”的降噪效果最优，降噪后的信噪比与其他三种规则相比要高0 1 0 7d b ；三种改进方法的降噪效果都优于硬阈值处理方法，而软阈值方法与软硬阈值折衷改进方法的降噪效果相差甚少，它们之间信噪比的差值基本保持在o 0 1 o 0 3d b 。当噪声等级为l 1 2 ( 噪声较大) 时，采用软硬阈值折衷改进方法的降噪效果优于其它两种改进方法，降噪后的信噪比比其他两种改进方法要高o 2 1 5d b 。而当噪声等级为1 3 , 、, 2 4 ( 噪声较小) 时，采用指数型阈值方法与采用双曲线型阈值方法的降噪效果相当，这时采用指数型阈值方法和双曲线型阈值方法降噪后的信噪比与采用软硬阈值折衷改进方法的相比要高0 2 - - 一1 8d b ，但是介于采用指数型阂值方法比采用双曲线型阈值方法有较好的降噪视觉效果，因此在噪声较小时，选择指数型阈值方法较合理。最后通过对两个实际采集到的奥氏体不锈钢焊缝人工缺陷的超声回波信号进行降噪处理，证明了本文研究得出的适合超声波小波阈值降噪的最优参数是合理的。关键词：超声波检测，信噪比，小波变换，阈值降噪，奥氏体不锈钢焊缝s t u d yo nd e n o i s eo fu l t r a s o n i ct e s t i n gs i g n a lb a s e do nw a v e l e ta n a l y s i sl i uj i n ( m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g )d i r e c t e db yp r o f l e iy ia b s t r a c tu l t r a s o n i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tt o o lt oe n s u r et h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n ts a f e t y h o w e v e r , w h e nc a r r y i n go u tu l t r a s o n i ct e s t i n ge s p e c i a l l yi nt h ec o a r s e g r a i n e dm a t e r i a l ，am a s so fs t r u c t u r a ln o i s em a k e st h eu s e f u li n f o r m a t i o nl o s ti nt h en o i s e a tt h ep r e s e n t ，t h ew a v e l e tt h r e s h o l d i n gm e t h o di st h em o s tw i d e l yi ns i n g n a ld e n o i s ep r o c e s s i n g w h e np r o c e s s i n gt h eu l t r a s o n i cs i g n a lb yt h ew a v e l e tt h r e s h o l d i n gm e t h o d ，t h es e l e c t i o no fd e c o m p o s i t i o nl e v e la n dt h em o t h e rw a v e l e ta n dt h ed e t e r m i n a t i o no ft h r e s h o l dv a l u ea n dt h r e s h o l dp r o c e s s i n gm e t h o da r et h et w ok e yi s s u e s b a s e do nt h et h e o r yo fs i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a s o n i cs i g n a l ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o t h e rw a v e l e t sf o ru l t r a s o n i cs i g n a la n a l y s i s ，t h er e s u l ts h o w st h a td a u b e c h i e sw a v e l e tf a m i l y ，s y m l e t sw a v e l e tf a m i l y ，c o i f l e t sw a v e l e tf a m i l ya n db i o r t h o g o n a lw a v e l e tf a m i l ya r es u i t a b l ef o ru l t r a s o n i cs i g n a la n a l y s i sa c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e so fe x i s t i n gm o t h e rw a v e l e t s s u b s e q u e n t l y ，t h ec o n s t r u c t e dn o i s yu l t r a s o n i cs i g n a l sw a sp r o c e s s e db yc o m b i n i n gt h a tf o u rk i n d so fw a v e l e tf a m i l yw i t hd e c o m p o s i t i o nl e v e l s ( 1 - 一10 ) t h en o i s e so fu l t r a s o n i cs i g n a li su n k n o w nw e r ec o n s i d e r e di np r a c t i c a la p p l i c a t i o n , “s i n a n d “m l n h a db e e na d o p t e dw h e nt h ep a p e rs e l e c t e dt h r e s h o l dr e s c a l i n gm e t h o d s ，t h ec o n s t r u c t e dn o i s yu l t r a s o n i cs i g n a lw a sp r o c e s s e db yf o u rk i n d so ft h r e s h o l ds e l e c t i o nm e t h o d s m o r e o v e r ，c o n s i d e r e dd i s a d v a n t a g e so fs o f ta n dh a r dt h r e s h o l d i n gf u n c t i o na n da n a l y z e da d v a n t a g e so ft h r e ek i n d so fi m p r o v e dt h r e s h o l d i n gm e t h o d s ，t h ep a p e rp r o c e s s e dt h ec o n s t r u c t e dn o i s yu l t r a s o n i cs i g n a lb ys o f ta n dh a r dt h r e s h o l d i n gm e t h o d sa n dt h r e ek i n d so fi m p r o v e dt h r e s h o l d i n gm e t h o d s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tf o rt h eu l t r a s o n i cs i g n a l s ，t h ef i v ew a v e l e t s ，s u c ha sd b l 2 ，s y m 8 ，s y m l 0 ，c o i f 2a n db i o r s 6 8 ，h a v eb e t t e rd e n o i s ee f f e c t ，a n dt h eo p t i m a ld e c o m p o s i t i o nl e v e li s4 ；w h e n “s i n a n d “m l n ”w a ss e l e c t e d ，t h eo p t i m a lt h r e s h o l ds e l e c t i o nm e t h o di s “m i n i m a x i ”，w h o s es n ri n c r e a s eb yo 1 o 7d bc o m p a r e dw i t ht h eo t h e rt h r e et h r e s h o l ds e l e c t i o nm e t h o d s ；i na d d i t i o n ，t h ed e n o i s ee f f e c t6 ft h r e ek i n d so fi m p r o v e dt h r e s h o l d i n gm e t h o d si sb e t t e rt h a nh a r dt h r e s h o l d i n gm e t h o d ，b u tt h e r ei sl i t t l ed i f f e r e n c eb e t w e e ns o f tt h r e s h o l d i n gm e t h o da n di m p r o v e dc o m p r o m i s em e t h o do fs o f t h a r dt h r e s h o l d ，a n dt h ev a l u eo ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt w om e t h o d sb a s i c a l l yk e e p so 0 1 o 0 3d b w h e nt h en o i s eg r a d ei s1 12 ( s t r o n g e rn o i s e ) ，t h ed e n o i s ee f f e c to fi m p r o v e dc o m p r o m i s em e t h o do fs o f t h a r dt h r e s h o l di sb e t t e rt h a nt h eo t h e rt w oi m p r o v e dm e t h o d s ，a n ds n ro fi m p r o v e dc o m p r o m i s em e t h o do fs o f t h a r dt h r e s h o l di n c r e a s eb y0 2 - -1 5d bc o m p a r e dw i t ht h eo t h e rt w oi m p r o v e dm e t h o d s w h e nt h en o i s eg r a d ei sl3 2 4 ( w e a k e rn o i s e ) ，t h ed e n o i s ee f f e c to fe x p o n e n t i a lt y p et h r e s h o l d i n gm e t h o di st h es a m et ot h ee f f e c to fh y p e r b o l i ct y p et h r e s h o l d i n gm e t h o d ，a n ds n ro ft h et w om e t h o d si n c r e a s eb yo 2 1 8d bc o m p a r e dw i t hi m p r o v e dc o m p r o m i s em e t h o do fs o f t h a r dt h r e s h o l d ，b u tt h ed e n o s i ev i s u a le f f e c to fe x p o n e n t i a lt y p et h r e s h o l d i n gm e t h o di sb e t t e rt h a nt h ee f f e c to fh y p e r b o l i ct y p et h r e s h o l d i n gm e t h o d t h e r e f o r e ，w h e nt h en o i s ei sw e a k e r ，t h ee x p o n e n t i a lt y p et h r e s h o l d i n gm e t h o di sc h o o s e d f i n a l l y , t h ep a p e rr e m o v e dn o i s e sf r o mt w op r a c t i c a lc o l l e c t e du l t r a s o n i cs i g n a l so fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lw e l d s ，a n df r o mt h ed e n o i s ee f f e c tt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so ft h ew a v e l e tt h r e s h o l d i n gm e t h o ds u i t e dt ot h eu l t r a s o n i ce c h os i g n a l sa r ep r o v e dt ob et h er e a s o n a b l eo n e s k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ；s i g n a l t o n o i s er a t i o ( s n r ) ；w a v e l e ta n a l y s i s ；t h r e s h o l dd e n o i s e ；a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lw e l d s1 1 1关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：日期：彤年j - 月乡日学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：剑蕉指导教师签名：肇省毽日期：d 口知年，月“日日期：2 d 年，月秒e t中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第1 章前言1 1超声波检测技术的应用概况焊接是工业生产中常用的一种施工手段。无论是长输管线、存储罐、换热器还是机械设备、钢结构等凡是与钢铁沾边甚至与金属沾边的产品，大都离不开焊接。焊接结构具有连接强度高、结构设计简单、制造时间短、成本低等优点。但由于焊接工艺与设备条件本身的固有缺点，使得焊接产品存在着不同程度的质量问题，由于焊接质量的原因造成重大事故的事情屡有发生。长期的生产实践表明，在焊接构件的失效事故中，约有7 0 的事故是由焊缝失效引起的。其中断裂失效己成为航空航天、船舶及海洋工程等重要焊接结构的主要失效方式。2 0 0 0 年9 月3 日，我国三峡水利枢纽工程中发生塔带机倒塌事件，造成伤亡3 0 余人的重大事故，事故的主要原因就在于塔带机横梁与塔身之间存有焊接裂纹并最终发生断裂乜1 。国家质检总局特种设备安全监察局宋继红口1 ，对2 0 0 1 - 2 0 0 4 年出现的压力设备事故进行统计分析，我国共发生各类压力设备事故6 5 0 起，这些事故共造成5 4 2 人死亡，1 1 8 3 人受伤，直接经济损失1 5 2 8 8 7 4 万元，而其中压力容器事故就占了1 5 0 起h 1 。虽然近几年压力容器的安全问题引起了人们的广泛关注，但是这样的事故还是时有发生。据国家质检总局特种设备安全监察局局长陈钢在国家质检总局召开的全国特种设备安全监察与节能监管工作会议上所作的介绍，2 0 0 9 年1 月至5 月，全国共发生统计范围内的特种设备事故8 3 起，死亡6 0 人，受伤1 1 4 人，直接经济损失5 4 2 3 万元。这些事故都不是由单一因素引起的，而是多个因素共同作用的结果，但压力容器发生事故的原因绝大多数是由于焊接缺陷引起的，所以焊接结构的安全问题是不容忽视的。各国为提高焊接结构的安全都作了许多研究，我国也对如何保证焊接质量作了许多的努力，如焊接工人必须经过劳动部门培训考核后持证上岗，焊材要合格、质量管理中焊接要作为特殊工序进行管理等。但是这些方法仍然不能保证焊接结构的安全，因此焊接检验就显得尤为重要。而无损检测是一种非破坏性的检验焊接质量的重要手段。目前根据国家有关技术标准要求，一些比较重要的焊道( 如压力容器、重要管道) 都要百分之百进行无损检测，一般的管道也要按百分比抽检。在油田能接触到地面建设的工程中，无论泵站、管线、化工装置、压力容器、钢结构制造安装，全都需要使用无损探伤进行检测，而且无损检测方法也适用于在役焊缝的检测。其中超声波检测技术是五大常规无第i 章前言损检测技术中使用频率最高，发展速度最快的一种检测技术，而且由于超声波探伤仪体积小、重量轻，便于携带和操作，并对人体无伤害，因此在无损检测中该方法得到了广泛应用嘲。1 - 2 超声信号降噪的研究进展超声检测技术在工程应用中使用频率较高，但是在超声检测中，尤其是在粗晶材料( 例如压力容器中常出现的奥氏体不锈钢焊缝或是铸铁材料) 的超声检测中，一方面由于粗大的晶粒组织引起严重的结构噪声，另一方面由于超声波在传播过程中能量的衰减，使得超声回波信号的信噪比恶化问题十分突出，造成误检率和漏检率上升，给超声检测的应用带来了很大的困难1 。因此，采取有效的措施抑制超声波信号中的噪声一直备受人们的关注。为了解决超声检测技术在粗晶材料中应用困难这一难题，国内外的学者进行了大量超声降噪研究，并取得了一系列的研究成果。1 - 2 1 硬件降噪为了抑制噪声信号，在研制探伤仪时接收电路中通常设计有抑制电路，用于将幅度较小的一部分噪声信号截去，不在显示屏上显示n 1 。但是对于信噪比较低的超声回波信号，过度的抑制会导致有用信号的丢失，因此在使用时要慎重h 1 。另外，合理地选择超声探头也可以在一定程度上抑制噪声。近几年来，广大学者从探头的波型、频率、探头角度、探头种类这几个方面对超声探头的选择进行了研究。1 、波型由于波长大，衰减小；波长小，衰减大。并且纵波波长约为横波波长的两倍嘧1 ，因此采用纵波检测可使粗晶组织对超声波的衰减影响减小。晏荣明等1 用实验证明了这一结论，作者用2 5 p 2 8 的直探头分别采用横波和纵波对奥氏体不锈钢焊缝中的人工横孔进行接触式超声探伤。实验结果表明，纵波可穿过近1 2 0r l l n l 长的奥氏体区，信噪比达到1 5d b ，而横波却无法穿过。张鹰等n 们对6 0n l l l 厚的奥氏体不锈钢双u 型焊缝采用脉冲反射法，用不同k 值、不同频率以及不同波形的探头对试样上的人工缺陷进行超声检测。试验结果表明，纵波探头检测奥氏体不锈钢焊缝的信噪比高于横波探头。2 、频率超声频率在很大程度上决定了超声波探伤的探测能力，必须选取合适。频率过高，超声波在材料中的衰减大，穿透能力差；频率低时，则相反旧1 。对于晶粒粗大的材料( 如2中国石油大学( 华东) 硕士学位论文奥氏体不锈钢焊缝) ，频率高时，不仅会导致超声波的衰减大，而且会出现晶界引起的林状回波，降低信噪比，导致无法探测。因此对于此种材料宜选用较低的频率，一般选用0 5 - 2 5m h z 7 羽。当超声波需穿越较长距离的奥氏体区时，1 2 5m h z 效果最好1 。3 、探头角度探头角度决定了声束入射工件的方向和声波途径，不同方向检测得到的信噪比和信号的衰减是不同的。超声波探测中声波往复穿透的距离要尽量的短，以减少衰减。实验证明，对于奥氏体不锈钢焊缝等粗晶材料，纵波折射角为4 5 0 是一个最佳角度扫3 。在焊缝较薄的时候，也可采用6 0 。和7 0 0 探头进行探测口1 。4 、探头种类超声波脉冲宽度和波束宽度对超声波检测也有一定的影响。一般脉冲宽度窄，波束宽度小，信噪比较高。聚焦探头则因其声束窄及能量焦中，而使检测信噪比和灵敏度得以提高。因此采用窄脉冲探头和聚焦探头对于检测粗晶材料较好，其中采用窄脉冲聚焦探头效果会更好m 。此外，晶片尺寸也对超声波检测有一定的影响。晶片尺寸大，声束指向性好，声能集中，信噪比优于小晶片探头。对于奥氏体不锈钢焊缝等粗晶材料，为了减少晶粒散射的面积，应当选用大晶片探头n 。1 2 2 软件降噪硬件降噪可以有效地降低超声检测回波中的噪声，但是其降噪的效果并不能达到工程应用的要求。因此广大学者就软件降噪进行了深入地研究，即对超声回波信号进行处理。近几十年，超声信号处理技术主要围绕增强信噪比展开，包括信号平均技术、相关技术、自适应滤波技术、时域反卷积、频域分析、时频分析( 裂谱法、窗口傅里叶变换、小波分析法) 等“引。这些方法都曾运用在实际操作中，并取得了一定的成果。1 、信号平均技术信号平均技术包括空间平均、时间平均、频率平均、角平均等n 引。这种技术的原理是通过适当改变探伤参数，使噪声信号随机变化，而缺陷信号基本不变，这样将多个信号相加取平均值，就可提高信噪比引。信号平均技术在应用中，信号个数越多，去除噪声效果越好，但可能会引起信号的失真，另外就是对缺陷定量不太精确，因此这种技术并未得到广泛地应用 1 4 o2 、相关技术3第1 章前言相关是指事物或过程中两种特征量之间联系的紧密程度。在超声检测中，特定的缺陷回波与发射信号有一定的相关性。因此，可以利用相关技术来增强粗晶材料中缺陷回波信号，把湮没在晶粒散射等噪声信号中的微弱信号提取出来，以提高信噪比n 钔。李伟等n 明采用相关技术对铝合金铸件裂纹的超声检测信号进行了滤波处理，通过相关运算后最大限度地降低了噪声，为准确评定裂纹奠定了良好的基础。但是相关技术是靠牺牲测量时间来提高信噪比增量的，因此会影响超声检测速度及检测能力n 引；另外，在实际超声检测中，相关函数有自噪声( 或称旁瓣) ，其干扰使得在检测目标附近有时存在大反射或大量小反射，使其应用受到限制n 钔。3 、自适应滤波技术自适应滤波的工作原理是通过估计输入信号的统计特性并调整其本身的响应，使某一代价函数达到最小值n 。近年来，国内外学者开始尝试将自适应滤波技术应用于超声检测中。简晓明等n 8 1 用自适应滤波技术抵消超声检测信号的探头余振或底波反射，以突出缺陷回波，并取得了良好的效果。在该技术方案中需要用一材料和形状大小与有缺陷的试样完全一致的无缺陷试样作为参考信号来源n 引。而采用最小均方( l m s ) 算法的自适应滤波技术不需要其它参考试样，在工程无损检测时只要按常规探伤方法移动探头，计算机将探头移动过程中的相邻两检测信号输入自适应滤波器，即可完成自适应滤波，有利于现场超声检测n 。张小飞等n 叼采用l m s算法的自适应滤波技术对粗晶的奥氏体不锈钢焊缝超声波检测回波信号进行处理，处理结果表明，用此方法能够很好的去除噪声。刘镇清等n 刀也采用l m s 算法的自适应滤波器对奥氏体不锈钢焊缝样品和模压复合材料试样人工缺陷超声检测信号进行处理，也取得了满意的结果。但是l m s 算法的自适应滤波效果并非总是那么好。对于文中提到的平均晶粒直径为0 8m m 的奥氏体不锈钢焊缝的人工横孔，进行相同的处理，结果很难辨别出是否有缺陷回波。作者认为这可能是由于自适应滤波器权系数不能迅速收敛到最佳值所致。4 、时域反卷积利用反卷积( t d d ) 可以重构失真信号的波形，提高超声检测的分辨率和成像质量，以实现待检对象缺陷的准确识别或材料内部声学参数的定量评价啪3 。s i m p s o n 乜门利用t d d 对奥氏体钢的表面缺陷进行了提高分辨率的试验，发现分辨率提高是很明显的，而且t d d 的优点是分辨率依赖于信号的采集带宽，而不依赖于信号的带宽。但是t d d 只有在较高的信噪比条件下方可得到较理想的结果，自适应性差，限制了此类方法的适用范4中国石油大学( 华东) 硕士学位论文围。为了解决这一问题，乔华伟等啪1 将小波变换应用到反卷积技术中，经计算机模拟和实验结果表明，该方法在提高时域分辨率( 特别是低信噪比时) 能力方面有较大作用。但是t d d 主要用来提高超声检测的分辨率，不能提高信噪比口铂，而且t d d 对换能器的线性度、信号之间的相关程度要求较高，而且速度慢，用傅立叶变换2m i n 能完成转换的信号，t d d 一般需要8 1 0m i n 嘲。5 、频谱分析频谱分析法最早由g e r i c k e 弓l 入超声信号处理，8 0 年代初在实验室中已基本成熟。频谱分析法将信号进行傅立叶变换，观察其频率谱，有时还观察其相位嘲1 。张慧等瞳钉对完整混凝土与有缺陷混凝土的试样分别进行超声波检测，对检测数据采用频谱分析方法，并结合p s d 一声速一波幅判断方法，对实测的声时、声速和波幅数据进行统计计算，得出缺陷可疑点，推定缺陷位置、类型及范围大小，并对桩身缺陷进行分析评价，取得较为满意的结果。但是噪声大时，频谱分析的效果显著下降。6 、时频分析在超声检测中，缺陷信号可以认为是宽带脉冲在换能器的中心频率处调制而成，因而是时限和带限的时变信号。仅仅对时变信号进行时域分析( 如相关技术) 或频域分析是不够的。短时傅立叶变换、分离谱法、小波分析都是对信号进行时频域分析的方法n 幻。( 1 ) 分离谱法分离谱法( s s p ) 是非线性滤波方法，分离谱处理的中心思想是利用缺陷回波与微结构散射回波对超声频率的敏感性不同进行多频道统计处理啪1 。刘镇清等采用分离谱算法成功地降低了一实际的奥氏体不锈钢焊缝超声探伤信号中的噪声。张惠等嘲1 基于l a b v i e w 软件平台，利用分离谱法有效地对粗晶铜管的超声波检测信号进行了降噪处理，信噪比得到了提高。但是对于缺陷回波信号的幅度小于组织噪声的幅度，或缺陷尺寸较小或小于单个散射体，用分离谱法消噪的效果就很不理想。分离谱法的另一不足之处是对滤波器的数目、带宽、相邻滤波器的频率间隔及滤波器组的位置等参数选择很敏感并且对每个信号都要改变滤波参数，不适于在线检测n 9 1 。( 2 ) 短时傅立叶变换为了克服傅里叶分析的局限性，使其对非平稳信号也能作较好的分析，提出了短时傅立叶变换( s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ，s t f t ) 。s t f t 通过对信号在时域上加一个窗函数，以实现在某一时刻附近的开窗和平移，再对加窗的信号进行傅里叶分析，对信5第l 章前言号进行时频分析。b i l g u t a y 等啪3 采用s t f t 为基础的分离谱技术，对材料的裂纹进行了检测。这一技术已被证明是一种有效的降低结构噪声的超声检测信号处理技术，并被用于增强裂纹信息和抑制粒子噪声。但是s t f t 对所有的频率都使用同样的窗口，而对实际时变信号的分析需要时频窗口具有自适应性，即对于高频信息，时间间隔要相对的小以给出较高的精度；对于低频信息，时间间隔要相对的大以给出完全的信息，而小波便是为此而设计的【】o( 3 ) 小波分析小波分析是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一门新的数学学科，是傅里叶分析发展史上里程碑式的进展。小波之所以在信号处理领域具有很大的优势，在于小波变换可以获得信号的多分辨率描述，这种描述符合人类观察世界的一般规律，同时，小波变换具有丰富的小波基可以适应具有不同特性的信号啪t3 l 3 羽。因此小波分析技术受到了广大超声信号处理领域学者的重视。1 2 3 小波分析在超声检测信号处理中的应用小波分析是根据信号和噪声的小波系数在不同尺度上具有不同性质的机理，构造相应规则，在小波域采用一定的方法对含噪信号的小波系数进行处理。处理的实质在于减小甚至完全剔除由噪声产生的系数，同时最大限度地保留真实信号的系数，最后由经过处理的小波系数重构原信号，得到真实信号的最优估计口。小波降噪的过程一般由三个步骤来完成汹1 ：( 1 ) 选择一种母小波并确定小波分解层数，然后对信号进行小波变换；( 2 ) 对变换后的小波系数进行非线性处理，以滤除噪声；( 3 ) 将处理后的小波系数进行小波逆变换，重构信号。其中步骤( 1 ) 中的母小波和分解层数的选择以及步骤( 2 )中的非线性处理方法的选择是要讨论的重点。1 、母小波和分解层数的选择( 1 ) 母小波小波变换具有丰富的母小波可以适应具有不同特性的信号，小波变换的好坏直接与母小波的选取密切相关。根据不同的应用领域以及不同的信号特征，可以选择不同的母小波函数b 射。到目前为止，已构造出了许多具有独特性质的小波族( 如常用的d b n 、c o i f n 、s y m n 、b i o r n r n d 小波以及d m e y 小波等) ，在工程应用中可以根据具体的信号特征并按照一定的规则进行选择m 1 。马宏伟等汹1 认为超声脉冲信号的功率谱通常被建模为6中国石油大学( 华东) 硕士学位论文g a u s s i a n 函数，并且超声缺陷回波的数学模型是g a u s s i a n 函数经过调制得到的，所以g a u s s i a n 小波函数是缺陷脉冲的最佳匹配，但g a u s s i a n 小波的实现比较复杂。张广明啪1的研究表明，采用d a u b e c h i e s 小波族作为分解超声波信号的母小波也能较好地匹配超声缺陷脉冲信号。刘素美等分别选取不同小波族函数在不同的参数条件下，通过对重构信号与原始信号进行比较，来选定适合超声波信号的最佳小波基函数。聂鹏等口力理论上分析了对刀具磨损a e 信号进行小波变换时小波基的选取问题，并以a e 信号经小波包分解后各频带上的能量为特征参数，比较了四种小波基特征参数的变化，不仅验证理论分析的正确性，还得出了a e 信号的最优小波基为d b 8 。( 2 ) 分解层数分解层数的确定对降噪效果的好坏也有一定的影响，因此要根据实际情形选择合适的分解层数。目前大量的学者在研究过程中，对分解层数的确定主要从经验值3 - - 5 层中选取啪1 ，这样选择有时存在一定的局限性。张吉先等口叼提出利用白化检验的自适应方法确定分解层数的方法，并做了与文献 4 0 中相同的仿真实验，结果证明文献 3 3 中当噪声幅度很小( 信噪比 2 5d b ) 时，去噪后的信噪比下降的原因是分解层数的问题，这也说明了分解层数对降噪效果是有影响的。2 、小波系数处理方法的选择非线性处理方法的选择也是小波分析的一个关键步骤。目前常用的非线性处理方法主要有三种，分别是由m a l l a t 提出的模极大值处理算法h ，由x u 等提出的空域相关滤波算法池1 ，由d o n o h o 提出的阈值滤波算法m 1 。( 1 ) 模极大值算法模极大值算法是根据信号与噪声在不同尺度上的模极大的不同传播特性，从所有小波变换模极大值中选择信号的模极大值而去除噪声的模极大值，然后用剩余的小波变换模极大值重构信号n 钔。顾建农等n 鄙利用小波变换模极大值分别对离散信号和原始跳变离散信号进行降噪处理，并利用交替投影的迭代算法对信号进行重构。实验结果表明，用此方法能有效地对信号进行去噪处理和恢复，尤其对于具有跳跃变化的信号更实用。但是采用交替投影法进行模极大值点重构信号，会造成重构信号的偏差，并且算法复杂，难以在实际应用中对信号进行实时处理h 引。所以，寻求一种既简洁又有效的算法，具有十分重要的意义。张小飞等n 力提出了一种新的模极大值小波域去噪信号的算法，该算法先用a d h o c 算法求出信号的模极大值，再根据模极大值小波域的定义求出信号的模极大值小波域，从而得到信号的小波系数，然后逆变换得到信号。实例分析表明，与交替7第l 章前言投影迭代算法相比，本算法在原理上更简单，程序实现更容易，去噪速度更快，去噪效果好，能满足在线检测的要求。吴玲玲等h 也提出了一种新的算法，即基于噪声系数线性压缩的信号重构方法，并用该方法对低信噪比数字通信信号进行降噪，仿真实验验证了其可行性和有效性。该方法运算量小，便于工程应用。将模极大值算法应用到处理超声检测信号中也取得了很好的效果。陈岳军等n 们应用模极大值算法对粗晶奥氏体不锈钢材料超声检测信号进行降噪处理，结果表明，晶粒噪声得到了极大的抑制，信噪比明显提高，从去除噪声的超声信号中可方便识别缺陷存在与否及缺陷方位。邬冠华等咖3 也将该算法应用到超声模拟信号和实测钛合金棒材超声信号中，其去噪效果均很理想，而且对存有可疑信号点的材料进行的晶相分析再一次验证了算法的正确性。( 2 ) 空域相关算法信号的小波变换在各尺度间有较强的相关性，而且在边缘的相关性尤其强；而噪声的小波变换在各尺度间却没有明显的相关性h 钔。因此可以利用小波系数在不同尺度上对应点处的相关性来确定是信号系数还是噪声系数，从而进行处理，这样处理后的小波系数基本上对应着信号的边缘，达到了滤波的目的n 引。蔡云泽等阵门对文献 4 2 中提出的空域相关算法，给出了一种改进算法，同时与文献 4 2 中的算法进行了比较，仿真实验针对一信噪比为1 1 6 9d b 的信号，采用文献 4 2 中的算法信噪比提高了6 0 2d b ，而采用本算法信噪比提高了7 9 7d b 。从仿真结果还看出来，用文献 4 2 中的算法提取边缘点时，保留的噪声变换值相当多，而用本算法，保留了少数噪声的变换值。本文还针对文献 5 2 ，5 3 中提出的在归一化系数n e w c o r r 2 ( 掰，刀) 前加系数c ( 聊) 的方法进行改进，改进后的系数c ( 川，1 ) 不仅形式简单，而且起到了弱化噪声、强化信号的作用，算法的仿真结果令人满意。陈晓楠等嘲1 在m a t l a b 软件平台上应用空域相关算法分别对信噪比为1 5 7 1 3 3d b 、1 0 1 3 0 5d b 、5 7 6 8 8d b 含噪信号进行仿真实验，并与阈值处理方法进行了比较。实验结果表明，此算法在不同的信噪比下具有良好的适应性，而且在检测突变点方面优于阈值处理的方法。( 3 ) 阈值算法小波阈值滤波算法是小波系数处理方法中常用的一种。在小波阈值滤波中，阈值的选取直接影响滤波效果。目前主要确定的阈值方法有通用阂值准则、s t e i n 无偏风险阈值准则、试探法的s t e i n 无偏风险阈值准则以及最大最小阈值准则汹1 。陈朝阳临乱基于小波变换对一带有缺陷的铜管试样的超声导波检测信号进行降噪处理，在阈值选取中通过采用四种不同准则确定的阈值，并采用软、硬阈值处理方法交叉使用。比较降噪后的结果得8中国石油大学( 华东) 硕士学位论文出，对于带电噪声的超声检测信号，无偏似然估计准则和混合准则的降噪效果均不明显，固定阈值准则和极大极小准则软阈值处理能显著降低噪声幅度，但同时也使信号幅度明显减小，而固定阈值准则硬阈值处理在显著降低噪声幅度的同时对缺陷信号幅度影响甚小，信噪比明显提高，降噪效果最为理想。马宏伟、卢超等口5 删在求解阈值时均采用通用阈值方法确定了全局阈值，并分别采用硬阈值方法和软阈值方法对变换后的小波系数进行阈值处理，重构后的信号，信噪比大大提高了。张磊、潘泉等璐7 删提出了自适应阈值t = - - c o ，其中系数c 可通过极小化均方差函数来自适应地选取以得到最优阈值。另外，该方法还验证了在般情况下，基于正态分布“3 仃准则 的阈值t = c o ，c 3 0 ，4 0 是合理的。在实际应用中，大多数超声波信号包含有奇异点，而且噪声信号也并非是平稳的白噪声。对于这种信号进行降噪处理时使用全局阈值是不合适的，在较低尺度上，会去除有用信号，而到了最大尺度级上会留下一部分噪声，因此可以考虑用分层阈值来克服这种缺点嘞1 。张吉先等口叫采用“3 献则”来确定各层小波空间中的阈值来进行信号阈值降噪，证明该方法有较好的去噪效果。然而在实际应用中使用通用阈值方法，往往会丢失一些真实信号。因此，刘东红、曲天书等旧- 刚采用s t e i n 无偏风险阂值准则进行阈值选取。而柯熙征等则采用最大最小阂值选择规则来确定阈值。以上这些方法只是对于正交小波变换而言的，对于非正交小波变换是不适用的。刘真等随2 1 提出了一种适合于双h a a r d x 波变换以及其它非正交小波基的阈值选取方法，实验证明此阂值的选取是有效的。因此阈值确定方法的选取则应具体情况具体分析。阈值函数体现了对小波系数不同处理策略，主要有软阈值和硬阈值函数。但是在实际应用中，利用软阈值消噪信号比较光滑，但有着较大的信号失真，而利用硬阈值消噪效果并不理想，对于时变信号消噪效果是有限的隋朝。为了克服软阈值法和硬阈值法的缺点，g a oh o n g y e 等6 5 1 提出了一种半软阈值函数，这种方法是软、硬阈值的一种折衷形式。但是使用该方法，需要确定两个阈值，增加了算法的复杂度。于是g a oh o n g - y e 嘟1随后又提出了用g a r r o t e 函数作为阈值函数，并且证明了与上述的各种阈值方法得到的滤波结果是渐进相等的。陈益，赵瑞珍等随3 叫提出了一种软、硬阈值折衷的处理方法，引入一个a 因子，并通过实验的方法得到了用于处理超声波信号的最佳0 值，仿真结果表明，改进后的方法非常适用于超声信号的分析，它最大程度地发挥了小波软、硬阈值消噪法的优点，避免了它们的缺点，使用该方法大大提高了回波信号的信噪比。赵瑞珍等哺铂还提出了多项式插值法和模平方处理方法，它们都不同程度地克服了软阈值和硬阈值的缺点，经过大量的试验可知，模平方处理方法总是明显优于单纯的软阈值和硬阈值方法，9第1 章前言而多项式插值方法的优越性不很明显。柯熙征等啪1 提出了一种指数型阈值函数，该函数在小波域内是连续的，它减小了软阈值方法中产生的恒定偏差，提高了重构精度，改善了去噪效果。曲天书等哺1 1 提出了一种新的阈值函数，与原来的分段函数相比，此函数具有明显优点，表达式简单易于计算，连续可微，易于求导，为实现信号的自适应去噪提供了可能。1 3 本文的研究内容在工业实际应用中，超声波检测技术是五大常规无损检测中使用频率最高，应用最广泛的一种方法，但是对于粗晶组织( 例如奥氏体不锈钢焊缝等) 进行超声波检测时，采集到的回波信号的信噪比较小，很难检测到缺陷信号。因此对超声回波信号进行降噪处理是非常重要的。而小波分析是近几年一个非常有效的信号降噪工具。在对信号进行小波分析时，一个重要的问题就是最优小波基以及最佳分解层数的选择；另一重要问题就是经小波变换后如何对小波系数进行处理。本研究采用小波阂值方法，而小波阈值处理方法的核心内容就是阈值与阈值处理方法的确定。因此本研究将从以下几个方面进行研究：( 1 ) 通过理论分析了解超声回波信号信噪比较低的原因，并对小波降噪的理论进行深入地研究，重点掌握小波降噪中的阈值滤波算法。( 2 ) 了解各种母小波及其特性，基于超声波信号的特点和母小波的特性，根据信号处理理论对超声波信号降噪处理时母小波的选择进行理论分析，由理论分析得出适合超声波降噪的小波族，采用选出的小波族结合分解层数对同一含噪超声波信号进行降噪试验，通过比较处理后的结果得出最优小波基以及最佳分解层数。( 3 ) 分析“通用阈值 、“s t e i n 无偏风险阈值 、“试探法的s t e i n 无偏风险阈值以及“最大最小准则阈值”这四种阈值确定方法以及“o n e 、“m l n ”和“s i n 这三种阈值重调方法。并采用这四种阈值确定方法和阈值重调方法对同一超声波信号进行降噪试验，通过分析降噪后的效果得出适合于超声波信号的阈值选取方法。( 4 ) 了解软、硬阈值处理方法的优缺点，进而提出软硬阈值折衷改进