[發明專利]超聲波巴特沃斯、漢寧窗組合帶阻濾波方法

有效

• 申請號: 201810433742.1
• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN108872402B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發明（設計）人: 鄭國磊;田一梅;趙偉高;劉春彤
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N29/46
• 分類號: G01N29/46;H03H17/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及一種超聲波信號濾波方法，為提出一種最大限度地除去噪音的濾波方法，根據理想信號的頻譜變化特征，在頻率域數據中最大限度的濾去噪音信號，保留有效信號，達到除去噪音、極大提高信噪比，實現超聲波對損傷結構定位精度的提高。本發明，超聲波巴特沃斯、漢寧窗組合帶阻濾波方法，在[0,π]頻率范圍內將巴特沃斯函數與漢寧窗函數的組合函數作為傳遞函數制成低通濾波器，然后根據整個區間內頻譜的軸對稱性質，將[0,π]頻率范圍內的低通濾波器關于f＝π進行軸對稱變換后制成高通濾波器，然后將二者并聯后制成帶阻濾波器，即可對超聲波檢測實驗中帶噪音信號進行有效濾波。本發明主要應用于超聲波信號濾波場合。

技術領域

本發明涉及一種超聲波信號濾波方法，屬于工程學領域，具體講,涉及超聲波巴特沃斯、漢寧窗組合帶阻濾波方法。

背景技術

在最近數十年，超聲波被廣泛應用于結構損傷檢測，它應用損傷結構的反射波脈沖信號，在假設超聲波信號在結構中傳播速度不變的前提下，根據損傷結構反射信號傳播時間與激勵信號傳播時間的比值與各自傳播距離的比值相等的原理，來實現損傷結構的定位。然由于外界環境及結構自身因素的影響，使得超聲波在實際應用中存在大量噪音信號，嚴重影響了超聲波的檢測效果，使得定位精度大大降低，甚至無法定位?，F有的濾波方法中，只能將大部分噪音除去，信噪比得到一定程度的提高，但有效信號中仍包含許多噪音信號，因此建立一種最大限度除去噪音的濾波方法，對超聲波損傷定位及其它方面應用有重要意義。

傅里葉變換能把超聲波時間域信號轉變成頻率域信號，進而研究信號的頻譜結構及變化規律。本發明應用該變換將損傷定位實驗中的理想信號和實測帶噪音信號分別轉換為頻率域數據，將理想信號的微弱譜信號進行放大，然后根據其變化特征，制作適當的濾波器，將實測信號頻譜數據中的噪音信號基本除去，有效信號保留，然后再轉換為時間域數據，達到最大限度地除去噪音，極大提高信噪比的目的。

發明內容

為克服現有技術的不足，針對實測超聲波信號中存在大量噪音及現有濾波方法中信噪比提高較小的特點，本發明旨在提出一種最大限度地除去噪音的濾波方法，即根據理想信號的頻譜變化特征，在頻率域數據中最大限度的濾去噪音信號，保留有效信號，達到除去噪音、極大提高信噪比的目的，并應用本發明，實現超聲波對損傷結構定位精度的提高。本發明采用的技術方案是，超聲波巴特沃斯、漢寧窗組合帶阻濾波方法，在[0,π]頻率范圍內將巴特沃斯函數與漢寧窗函數的組合函數作為傳遞函數制成低通濾波器，然后根據整個區間內頻譜的軸對稱性質，將[0,π]頻率范圍內的低通濾波器關于f＝π進行軸對稱變換后制成高通濾波器，然后將二者并聯后制成帶阻濾波器，即可對超聲波檢測實驗中帶噪音信號進行有效濾波。

具體采用超聲波損傷定位信號為帶漢寧窗的5個周期的正弦波脈沖，分別將理想信號和實驗中實測帶噪音信號經傅里葉變換后，根據譜特征，將[0,π]頻率區間劃分為n個頻段，實部和虛部劃分頻段區間不同，不同頻段的頻譜曲線呈現出與不同的巴特沃斯函數或不同的漢寧窗函數的一部分相似，在假設實測信號的譜最大值和譜最小值不受噪音信號影響，或者噪音信號所占比重最小的前提下，滿足以下條件：①實測信號中的有效信號的譜值在[0,π] 頻率區間內隨著頻率的增大呈現遞減趨勢；②有效信號在各頻段內譜極大值與譜極小值的差與整個頻率域區間內譜最大值與譜最小值的差的比值與理想信號對應的比值相等；③各頻段內有效信號的譜形狀與理想信號對應的形狀相同。

巴特沃思函數的表達式為：

n為函數的階數，f為頻率，f_c為截止頻率；

漢寧窗的表達式為

N為數據總個數，n為待計算數據在全部數據中的位置，轉換為頻率表達式為