一種面向超聲波信號的小波去噪方法及系統的製作方法

2023-06-18 09:58:26 1

專利名稱：一種面向超聲波信號的小波去噪方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及超聲波數位化信號處理領域，尤其涉及一種面向超聲波信號的小波去噪方法及系統。
背景技術：
超聲波探傷是五大常規無損檢測中運用最為普遍的一種，超聲回波的信號處理直接關係到被測對象是否合格，關係到產品的安全狀況及企業的經濟效益。傳統的超聲波信號處理方法，是通過基於傅立葉(Rmrier)變換實現回波降噪、 特徵提取。此類處理方法的關鍵是抗混疊濾波器及AD轉換器，而抗混疊濾波器的設計相當煩瑣，其電路板的印製所佔面積大且不可重複利用，無法適用不同類型超聲波探傷機，影響了超聲信號處理質量、超聲探傷產品的工作效率。如圖1為傳統超聲波信號處理流程簡圖。當前超聲波探傷設備有了一定的改進，有相當部分設備都是採用基於FPGA為核心的超聲波檢測卡。在檢測卡上集合了數據採集電路、高速A/D轉換器、FPGA、程控放大電路、復位電路及電源電路、模擬濾波電路等硬體以實現探頭對的超聲波的發射接收、超聲回波信號的處理，並將轉換後的數據存入卡上FPGA的片內存儲單元。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的正向輸入端經電容C接地，放大器A的負向輸入端經電阻&接放大器A的輸出端，放大器A的輸出端還經電阻&接地，放大器A的輸出端輸出信號U。；一種是基於有限衝擊響應(FIR)的濾波器，圖3是FPGA中專用數位訊號處理模塊實現的HR濾波器基本結構單元的結構示意圖。HR濾波器的工作頻率取決於各基本連接電路的最高工作頻率fsub_filtCT 及其後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用，此外，隨著內部乘法器與加法器的增加，HR濾波器的面積、功耗、成本也相應的增加。 這樣，在超聲信息量大、實時性要求高的場合下，基於FIR濾波器的信號處理模塊則無法發揮其相應的功能。

發明內容
針對現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種面向超聲波信號的小波去噪方法及系統。本發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學模型f(t) = s(t)+r(t), s(t)是探頭接收到的衰減後的超聲回波信號，r(t)是包括結構噪聲在內的所有噪聲；步驟2，選取基本小波並計算該基本小波的尺度函數和濾波函數；步驟3，將超聲回波信號數學模型與基本小波的濾波函數卷積，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，根據小波變換濾波器係數與、^!)求解尺度函數 WO)與濾波函數Ψ (t)。在一個示例中，按照下式進行卷積= |廠風《>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Ψα)的共軛函數。在一個示例中，濾波函數￥(t)根據下式得到^(0 = 1^^1-0^ = 2,
k
3，.......，2N 1，N為小波變換濾波器的階數，gk為權重。本發明提供了一種面向超聲波信號的小波去噪系統，包括超聲回波信號數學模型獲取模塊，用於獲取含噪聲的超聲回波信號數學模型；基本小波選取模塊，用於選取基本小波並計算該基本小波的尺度函數和濾波函數；去噪模塊，用於將超聲回波信號數學模型與基本小波的濾波函數卷積，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小波變換濾波器係數Iitl(Ii)與、^!)求解尺度函數pO)與濾波函數ψ (t)。在一個示例中，去噪模塊按照下式進行卷積= |廠風,其中WTx(a，τ)為去噪的超聲波信號，a為
yjaCt
尺度，為濾波函數Ψα)的共軛函數。在一個示例中，濾波函數￥(t)根據下式得到^(0 = 1 ^^-*)，k = 2，
k
3，.......，2N 1，N為小波變換濾波器的階數，gk為權重。本發明能夠去除超聲回波中的噪聲，並能夠減小器件的面積，增強器件的魯棒性。


下面結合附圖來對本發明作進一步詳細說明，其中圖1為傳統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濾波器基本結構單元的結構示意圖；圖4是小波消噪結構圖；圖5是Daubechies小波濾波器；圖6是不同N值下(7)式的加權係數&。
具體實施例方式本發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學模型；超聲探傷過程中夾雜噪聲包括聲學與非聲學噪聲二種，其中聲學噪聲對超聲回波起主要的影響作用。通常而言，非聲學噪聲指電噪聲；聲學噪聲主要指結構噪聲，主要是由於散射而引起，即因探傷對象材料及其內部的微觀結構對入射波的散射。下面主要分析結構噪聲，如果結構噪聲僅由單次散射構成，且換能器是雙晶的，那麼此時的結構噪聲為rn(t)rn(t) = A0 ( α Jc) 1/2exp (- α ct)(1-1)其中，α為衰減係數，c為聲速，T為入射波脈衝寬度，Atl入射脈衝幅度。從式3_3 中可分析得知散射係數α s直接影響著結構噪聲的幅值及衰減速度，是影響結構噪聲大小最為重要的因素。超聲波探傷過程中，其脈衝信號一般為經過探頭中心頻率調製過的寬帶信號，可令它是一高斯包絡的脈衝，則帶超聲缺陷回波的數學模型為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，Φ指初始相位。因為超聲探傷接收到的是衰減信號，h(t)包絡取為雙指數衰減函數，超聲探傷過程中的雙指數衰減模型如下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後的聲壓，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為衰減係數，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學模型可表示為如下3-7式f (t) = s(t)+r(t)(1-5)s(t)是探頭接收到的衰減後的超聲回波信號；r(t)是指包括結構噪聲在內的所有噪聲，一般情況下取r(t) = brn(t)，b是噪聲係數，rn(t)是結構噪聲。步驟12，採用Daubechies小波族作為基本小波(也稱母小波)，濾波函數為 Ψ (t)；本發明中採用dbN(N為小波階數)，閾值的規則和大小選擇應該根據超聲回波信號衰減情況及噪聲大小作選擇；優選地，選擇4 6級中的一級。步驟13，針對連續小波變換濾波器係數Iltl (η)與Ii1 (η)求解尺度函數Φ (t)與濾波函數Ψ⑴。令Φ (t)、Ψ (t)、h。(n) A (η)對應的傅立葉變換分別是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的小波係數可從中直接讀取。通過式(5)式得到H0 (ζ)，再經過Z變換得到H0 (w)，由H0 (w)及H1 (w)求解Φ (w)、Ψ (w)則可把尺度函數與濾波函數求出。值得注意的是只有極少數情況下可由式( 得到解析形式的解， 一般而言，大多數情況下無法求得解析解，只能對％ (η)作迭代數值卷積運算求得Φα)。求得尺度函數與濾波函數後，通過式(7)由尺度對求解的濾波函數進行修正。尺度函數Φ (t)是低通函數，通過Φ (t)能夠求出Ψ (t)，Ψ (t)是Φ (2t)的移位加權Wit) = Y^S Λ^-k)(6)
kk值從2-2N 1，N值不同，權重&的值亦不同，圖6為不同N值下式(6)的加權係數gko步驟14、將基本小波的函數Ψ (t)作位移τ後，再在不同尺度α下與超聲回波信號數學模型X(t)作內積
/ +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 )。經過式(7)運算後，即可得到去噪的超聲波信號。本發明還提供了一種面向超聲波信號的小波去噪系統，包括超聲回波信號數學模型獲取模塊，用於獲取含噪聲的超聲回波信號數學模型；基本小波選取模塊，用於選取基本小波並計算該基本小波的尺度函數和濾波函數；去噪模塊，用於將超聲回波信號數學模型與基本小波的濾波函數卷積，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。基本小波選取模塊根據上式(幻_ 求得尺度函數與濾波函數求出。由於只有極少數情況下可由式( 得到解析形式的解，一般而言，大多數情況下無法求得解析解，只能對Iitl (η)作迭代數值卷積運算求得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，。去噪模塊按照式(8)進行卷積 其中WTx (a，τ)為去噪的超聲波信號，a為尺度，為濾波函數Ψ⑴的共軛函數。本發明所提供的系統可以通過DSP或者FPGA實現。以上所述僅為本發明的優選實施方式，但本發明保護範圍並不局限於此。任何本領域的技術人員在本發明公開的技術範圍內，均可對其進行適當的改變或變化，而這種改變或變化都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種面向超聲波信號的小波去噪方法，其特徵在於，包括步驟1，獲取含噪聲的超聲回波信號數學模型f(t) = s(t)+r(t), s(t)是探頭接收到的衰減後的超聲回波信號，r(t)是包括結構噪聲在內的所有噪聲； 步驟2，選取基本小波並計算該基本小波的尺度函數和濾波函數； 步驟3，將超聲回波信號數學模型與基本小波的濾波函數卷積，得到去噪的超聲波信號。
2.如權利要求1所述的小波去噪方法，其特徵在於，基本小波選自Daubechies小波族。
3.如權利要求1所述的小波去噪方法，其特徵在於，步驟2中，根據小波變換濾波器係數hQ(n)與！^仏)求解尺度函數與濾波函數ψ( )。
4.如權利要求3所述的的小波去噪方法，其特徵在於，按照下式進行卷積
5.如權利要求3或4所述的小波去噪方法，其特徵在於，濾波函數v(t)根據下式得到
6.一種面向超聲波信號的小波去噪系統，其特徵在於，包括超聲回波信號數學模型獲取模塊，用於獲取含噪聲的超聲回波信號數學模型； 基本小波選取模塊，用於選取基本小波並計算該基本小波的尺度函數和濾波函數； 去噪模塊，用於將超聲回波信號數學模型與基本小波的濾波函數卷積，得到去噪的超聲波信號。
7.如權利要求6所述的小波去噪系統，其特徵在於，基本小波選自Daubechies小波族。
8.如權利要求6所述的小波去噪系統，其特徵在於，基本小波選取模塊根據小波變換濾波器係數b (η)與、^!)求解尺度函數與濾波函數V(t)。
9.如權利要求8所述的小波去噪系統，其特徵在於，去噪模塊按照下式進行卷積
10.如權利要求8或9所述的小波去噪系統，其特徵在於，濾波函數v(t)根據下式得到
全文摘要
本發明公開了一種面向超聲波信號的小波去噪方法及系統。該方法包括步驟1，獲取含噪聲的超聲回波信號數學模型f(t)＝s(t)+r(t)，s(t)是探頭接收到的衰減後的超聲回波信號，r(t)是包括結構噪聲在內的所有噪聲；步驟2，選取基本小波並計算該基本小波的尺度函數和濾波函數；步驟3，將超聲回波信號數學模型與基本小波的濾波函數卷積，得到去噪的超聲波信號。本發明能夠去除超聲回波中的噪聲，並能夠減小器件的面積，增強器件的魯棒性。
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 優先權日2011年11月2日
發明者周東華, 李娟 , 杜學鋼, 蘇信, 趙本利 申請人:清華大學