[發明專利]一種基于貪婪算法的相控陣超聲信號重構優化方法

在審

• 申請號: 201710005147.3
• 申請日: 2017-01-04
• 公開（公告）號: CN106841402A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 白志亮;陳世利;肖啟陽;賈樂成;曾周末
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N29/44
• 分類號: G01N29/44
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 李林娟

技術領域

本發明涉及超聲相控陣信號壓縮感知領域，尤其涉及一種基于貪婪算法的相控陣超聲信號重構優化方法。

背景技術

超聲相控陣是超聲無損檢測領域新近發展的一項技術，近幾年以其檢測速度快、成像精度高、適應復雜形貌構件檢測等優點而得到越來越多的關注。該技術通過控制各發射陣元的激勵時間來改變聲波到達目標區域的相位，從而獲得偏轉和聚焦聲束。使用超聲相控陣技術可以在不移動探頭的情況下獲得整個被檢測區域的缺陷分布情況并可以實時顯示檢測結果，為工業無損檢測提供了很大便利。

隨著該技術的不斷發展，相控陣探頭已由傳統的一維線型陣列發展為二維矩陣陣列、環形陣列、扇形陣列、柔性陣列等適用于更高檢測需求的陣列形式，極大的提高了檢測效率和成像精度。但是，陣列數目的增加和形狀的改進同時也帶來了一個很大的問題——數據量的激增，增加了數據傳輸處理的難度和前端采集傳感器的壓力。

發明內容

本發明提供了一種基于貪婪算法的相控陣超聲信號重構優化方法，本發明使用壓縮感知算法對信號進行壓縮重構并通過實驗結果確定最優貪婪算法，本發明還通過與傳統小波壓縮的對比來驗證算法的重構效果和適用性，詳見下文描述：

一種基于貪婪算法的相控陣超聲信號重構優化方法，所述信號重構優化方法包括以下步驟：

搭建超聲相控陣缺陷檢測系統，獲取經由被測試件的缺陷位置反射的超聲回波，并提取A掃信號；

采用正交基對A掃信號進行稀疏變換，并通過計算稀疏度來選取最優稀疏基；

根據最優稀疏基，采用匹配追蹤、正交匹配追蹤、正則化的正交匹配追蹤、逐步正交匹配追蹤、壓縮采樣匹配追蹤對超聲相控陣信號分別進行重構；

計算不同壓縮率下使用上述五種貪婪重構算法的超聲相控陣信號重構誤差并根據結果選擇最優算法；

將最優算法的結果與傳統的小波壓縮結果相比較，驗證算法的適用性。

所述超聲相控陣缺陷檢測系統包括：依次電連接的上位機、超聲相控陣檢測儀、以及超聲相控陣探頭。

所述采用正交基對A掃信號進行稀疏變換，并通過計算稀疏度來選取最優稀疏基的步驟具體為：

采用介于L1范數和L2范數之間的公式定量描述各稀疏變換的稀疏度；

對A掃信號進行離散傅里葉變換得到X(k)，進行離散余弦變換得到D(k)，并計算相應的稀疏度；使用四層分解的sym4小波基對x(n)進行離散小波變換得到WT_f(m,n)，并計算其稀疏度；

選取常見的db,sym,bior,rbio和coif家族共54種小波基對A掃信號進行分解，分解層數設定為2到6層，根據稀疏度計算結果選取最優稀疏基。

所述根據最優稀疏基，采用匹配追蹤對超聲相控陣信號進行重構的步驟具體為：

獲取矩陣A中相應列矢量的系數n_k，從矩陣A中選取列向量a_n，使其與殘差具有最高的相關性；

更新重建目標信號；更新殘差，迭代重復，更新殘差值；返回重構信號s₁。

所述根據最優稀疏基，采用正交匹配追蹤對超聲相控陣信號進行重構的步驟具體為：

從矩陣A中選取列向量a_n，使其與殘差具有最高的相關性，記錄相關系數n_k；計算當前列向量下的最佳近似系數；

迭代重復：更新殘差值，返回重構信號s₂。

所述根據最優稀疏基，采用正則化的正交匹配追蹤對超聲相控陣信號進行重構的步驟具體為：

計算相關系數u，從u中尋找K個最大值所對應的索引位置，將其存入索引集J中；K為稀疏度值；

使用正則化方法進行二次篩選，選擇能量最大的一組相關系數對應的原子索引值存入J₀中，J₀為集合J的第一個元素；

令Ω＝Ω∪J₀，更新支撐集A_Ω；使用最小二乘法進行信號逼近及殘差更新；Ω為索引集；

重復上述步驟直到|Ω|≥2K，返回重構信號s₃。

所述根據最優稀疏基，采用逐步正交匹配追蹤對超聲相控陣信號進行重構的步驟具體為：