本發(fā)明涉及超聲波信號去噪音的方法，屬于工程學(xué)領(lǐng)域，具體講，涉及超聲波信號無損濾波方法。

背景技術(shù)：

在最近數(shù)十年，超聲導(dǎo)波被廣泛用于結(jié)構(gòu)損傷檢測，它是應(yīng)用損傷結(jié)構(gòu)反射波脈沖實(shí)現(xiàn)損傷結(jié)構(gòu)的定位。但在數(shù)據(jù)采集過程中，由于存在諸多干擾因素，使得采集的數(shù)據(jù)中存在許多噪音信號，信噪比較差，尤其在超聲波定位實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)超聲波探測裝置距離損傷位置較遠(yuǎn)時，回波信號幾乎被噪音淹沒，損傷定位精度大大降低甚至無法定位。在應(yīng)用傳統(tǒng)的濾波方法時，例如傅里葉濾波、高斯濾波、圓滑濾波等，在除去噪音信號的同時，有效信號也被不同程度的削弱，嚴(yán)重影響了超聲波定位的精度。針對這種情況，建立一種有效信號無損濾波方法，對超聲波損傷定位及其它方面應(yīng)用有重要意義。

地震波的多次覆蓋就是對地下同一共深點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)觀測，然后經(jīng)過靜校正、速度分析以及動校正處理后對其進(jìn)行疊加，使一次反射波加強(qiáng)，進(jìn)而提高信噪比，為復(fù)雜地層的精細(xì)勘探提供高質(zhì)量的地震資料。本發(fā)明根據(jù)地震波的多次覆蓋技術(shù)，對超聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集(延長采集時間)，然后將采集的數(shù)據(jù)中具有發(fā)射波形的所有數(shù)據(jù)按照波形對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行疊加后求取平均值，達(dá)到削弱噪音，提高信噪比的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有超聲波采集技術(shù)的不足，針對超聲波信號存在噪音及目前現(xiàn)有濾波技術(shù)在除去噪音信號的同時有效信號也被大大削弱的特點(diǎn)，本發(fā)明旨在結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)超聲波有效信號的無損濾波技術(shù)，即在削弱噪音信號時有效信號保持不變，極大地提高信號的信噪比，并實(shí)現(xiàn)超聲波對損傷結(jié)構(gòu)定位精度的提高。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，超聲波信號無損濾波方法，將采集的超聲波數(shù)據(jù)中具有發(fā)射波形的所有數(shù)據(jù)按照波形對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行疊加后求取平均值，公式如下：

式中：vi為有效波形的第i個采集點(diǎn)的超聲波平均振幅大??；vij為第j個波形中的第i個采集點(diǎn)的超聲波振幅大??；n為有效波形的數(shù)量，m為一個有效波形中采集點(diǎn)的數(shù)量。

在一個實(shí)例中，具體步驟如下：

1)應(yīng)用超聲波采集裝置，選擇帶漢寧窗的5個周期的正弦波作為激勵信號，分別對一損傷管道及相同無損傷管道采集多組具有發(fā)射波形數(shù)據(jù)，并用采集的一組數(shù)據(jù)求出回波信號；

2)應(yīng)用公式(1)對采集的多組數(shù)據(jù)處理后求取回波信號；

3)分別對無損傷管道的一組發(fā)射波信號、接收波信號、步驟2)處理后發(fā)射波信號、接收波信號及各自對應(yīng)的損傷管道的回波信號做維格納-威爾時頻分析方法計(jì)算，并繪制等值線圖；

4)應(yīng)用能量極大值判別超聲波的到時，應(yīng)用超聲波的定位原理計(jì)算損傷位置。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是：

通過本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)超聲波有效信號的無損濾波，即即在削弱噪音信號時有效信號保持不變，有效提高信號的信噪比，在超聲波對損傷結(jié)構(gòu)的定位中，使得超聲波時頻分析的能量極大值更易識別，有效提高定位精度。

附圖說明：

圖1本發(fā)明處理前后的超聲波波形對比曲線，圖中：

(a)本發(fā)明處理前發(fā)射信號波形曲線(b)本發(fā)明處理后發(fā)射信號波形曲線

(c)本發(fā)明處理前接收信號波形曲線(d)本發(fā)明處理后接收信號波形曲線

(e)本發(fā)明處理前回波信號波形曲線(f)本發(fā)明處理后回波信號波形曲線。

圖2原始信號的維格納-威爾時頻能量分布圖。

圖3原始信號經(jīng)本發(fā)明處理后的維格納-威爾時頻能量分布圖。

圖4本發(fā)明流程圖。

具體實(shí)施方式

針對現(xiàn)有超聲波濾波方法中有效信號損失的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種超聲波有效信號無損去噪音方法。發(fā)明內(nèi)容如下：

根據(jù)地震勘探的多次覆蓋觀測原理，充分利用采集的超聲波數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)中具有發(fā)射波形的所有數(shù)據(jù)按照波形對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行疊加后求取平均值，由于有效信號(發(fā)射信號、接收信號、回波信號)是固定的，而噪音信號是隨機(jī)的，因此疊加后的信號中有效信號保持不變，而噪音信號得到了削弱(通過求平均值削弱)，這樣就提高了信噪比(數(shù)據(jù)越多，信噪比提高的越大)，公式如下：

式中：vi為有效波形的第i個采集點(diǎn)的超聲波平均振幅大??；vij為第j個波形中的第i個采集點(diǎn)的超聲波振幅大??；n為有效波形的數(shù)量，m為一個有效波形中采集點(diǎn)的數(shù)量。

下面結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。

應(yīng)用本發(fā)明結(jié)合超聲波定位方法，對本發(fā)明進(jìn)行實(shí)例說明，具體步驟如下：

1.應(yīng)用超聲波采集裝置，選擇帶漢寧窗的5個周期的正弦波作為激勵信號，分別對一損傷管道及相同無損傷管道采集多組具有發(fā)射波形數(shù)據(jù)，并用采集的一組數(shù)據(jù)求出回波信號(圖1e)；

2.應(yīng)用本發(fā)明方法對采集的多組數(shù)據(jù)處理后求取回波信號(圖1f)；

3.分別對無損傷管道的一組發(fā)射波信號(圖1a)、接收波信號(圖1c)、本發(fā)明處理后發(fā)射波信號(圖1b)、接收波信號(圖1d)及各自對應(yīng)的損傷管道的回波信號做維格納-威爾時頻分析方法計(jì)算，并繪制等值線圖(圖2、圖3)；

4.應(yīng)用能量極大值判別超聲波的到時，應(yīng)用超聲波的定位原理計(jì)算損傷位置(表1)。

表1本發(fā)明處理前后損傷結(jié)構(gòu)定位結(jié)果對比表

從圖1中可以看出，本發(fā)明處理后，超聲波信號的有效信息保持不變，噪音信號被明顯削弱，信噪比得到了明顯提高，圖2和圖3對比可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明處理后的回波信號經(jīng)維格納-威爾時頻分布方法計(jì)算的能量極大值更易識別，從表1可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明處理后的超聲波定位精度得到了明顯提高。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及超聲波信號去噪音的方法，為結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)超聲波有效信號的無損濾波技術(shù)，即在削弱噪音信號時有效信號保持不變，極大地提高信號的信噪比，并實(shí)現(xiàn)超聲波對損傷結(jié)構(gòu)定位精度的提高。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，超聲波信號無損濾波方法，將采集的超聲波數(shù)據(jù)中具有發(fā)射波形的所有數(shù)據(jù)按照波形對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行疊加后求取平均值，公式如下： V i = Σ j = 1 N V i j / N ]]>??i＝1,2,3...m?(1)式中：Vi為有效波形的第i個采集點(diǎn)的超聲波平均振幅大?。籚ij為第j個波形中的第i個采集點(diǎn)的超聲波振幅大??；N為有效波形的數(shù)量，m為一個有效波形中采集點(diǎn)的數(shù)量。本發(fā)明主要應(yīng)用于超聲波信號去噪音場合。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭國磊;田一梅;趙偉高
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.17
技術(shù)公布日：2017.08.18