[發明專利]一種信號預處理方法

有效

• 申請號: 201811597246.6
• 申請日: 2018-12-26
• 公開（公告）號: CN109507291B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發明（設計）人: 劉濤
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04
• 代理公司: 西安創知專利事務所 61213
• 代理人: 譚文琰

1.一種信號預處理方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、超聲回波信號獲取及同步上傳：采用超聲波探傷裝置(1)對被測對象進行超聲波檢測，獲得被測對象的超聲回波信號F(t)，并將所獲得的超聲回波信號F(t)同步傳送至數據處理設備(2)；

其中，F(t)＝[f(t₁),f(t₂),...,f(t_N')]^T，t表示時間參數，t_i為超聲波探傷裝置(1)的第i個采樣時刻，f(t_i)為超聲波探傷裝置(1)的第i個采樣時刻采樣得到的信號值，i為正整數且i＝1、2、3、…、N'，N'為正整數且其為超聲回波信號F(t)的信號長度；

步驟二、波峰與波谷確定：采用數據處理設備(2)對步驟一中所述超聲回波信號F(t)的所有波峰與所有波谷分別進行確定，并對所確定的每個波峰和每個波谷的采樣時刻與信號值分別進行同步記錄；

本步驟中，所確定的每個波峰和每個波谷均為所述超聲回波信號F(t)的一個極值點；

步驟三、極值點剔除：采用數據處理設備(2)且調用時域極值點剔除模塊或頻域極值點剔除模塊進行極值點剔除，獲得剔除后的M'個極值點，并按照各極值點的采樣時間先后順序對M'個所述極值點由前至后進行排列；其中，M'為正整數且其為本步驟中進行極值點剔除后獲得的極值點的總數量；

其中，采用數據處理設備(2)且調用時域極值點剔除模塊進行極值點剔除時，將步驟二中所確定的所有極值點中信號值的絕對值小于β'的極值點剔除，獲得剔除后的M'個極值點；其中，β'＝α'×max|F(t)|，α'為常數且其取值范圍為0.1～0.35，max|F(t)|為超聲回波信號F(t)中信號值的絕對值最大值；

采用數據處理設備(2)且調用頻域極值點剔除模塊進行極值點剔除時，將步驟二中所確定的所有極值點中信號值的絕對值小于β的極值點剔除，獲得剔除后的M'個極值點；其中，β為預先設定的剔除閾值且β＝α×max|Y(f)|，α為常數且其取值范圍為0.25～0.35，Y(f)為超聲回波信號F(t)的頻譜，max|Y(f)|為超聲回波信號F(t)的頻譜中幅值的絕對值最大值；

步驟四、信號分割：采用數據處理設備(2)對超聲回波信號F(t)進行分割，過程如下：

步驟401、相鄰極值點時間間隔確定：采用數據處理設備(2)對步驟三中M'個所述極值點中相鄰兩個所述極值點的時間間隔分別進行確定，獲得M'-1個相鄰極值點時間間隔；

M'-1個所述相鄰極值點時間間隔中第m'個所述相鄰極值點時間間隔記作Δt_m'，Δt_m'為M'個所述極值點中第m'個極值點的采樣時刻與第m'+1個極值點的采樣時刻的時間間隔；其中，m'為正整數且m'＝1、2、…、M'-2、M'-1；

M'-1個所述相鄰極值點時間間隔中除Δt₁之外的M'-2個所述相鄰極值點時間間隔均為待判斷時間間隔，Δt₁為M'個所述極值點中第1個極值點的采樣時刻與第2個極值點的采樣時刻的時間間隔；

步驟402、分割點判斷及分割點的采樣時刻確定：采用數據處理設備(2)由先至后對步驟401中M'-2個所述待判斷時間間隔分別進行分割點判斷，獲得L個待分隔時間間隔；其中，L為整數且L≥0，L為本步驟中所確定的待分隔時間間隔的總數量；每個所述待分隔時間間隔中均存在一個分割點；步驟一中所述超聲回波信號F(t)中所存在分割點的數量與所述待分隔時間間隔的數量相同，所述超聲回波信號F(t)中所存在分割點的數量與L相同；

M'-2個所述待判斷時間間隔的分割點判斷方法均相同；對Δt_m'進行分割點判斷時，對Δt_m'是否大于c·Δt_m'-1進行判斷：當Δt_m'＞c·Δt_m'-1時，判斷為Δt_m'為待分隔時間間隔，且Δt_m'上所存在分割點的采樣時刻為否則，判斷為Δt_m'上不存在分割點；其中，c為常數且c＞2.1；t_總m'為M'個所述極值點中第m'個極值點的采樣時刻與第m'+1個極值點的采樣時刻之和；

步驟403、信號分割判斷：對步驟402中所述的L進行判斷：當L＝0時，判斷為無需對所述超聲回波信號F(t)進行分割，完成信號分割過程；否則，判斷為需對所述超聲回波信號F(t)進行分割，進入步驟404；

步驟404、分割點排序：采用數據處理設備(2)且按照采樣時間先后順序，將步驟402中所確定的L個所述分割點由前至后進行排序；

步驟405、信號分割：根據步驟404中排序后的L個所述分割點的采樣時刻，由前至后將步驟一中所述超聲回波信號F(t)分割為L+1個信號段，分割后的每個所述信號段均為一個分割信號；

步驟五、信號分離判斷及信號分離：采用數據處理設備(2)對步驟四中獲得的所有分割信號分別進行信號分離判斷及信號分離，所有分割信號的信號分離判斷及信號分離方法均相同；

對任一個所述分割信號進行信號分離判斷及信號分離時，過程如下：

步驟B1、極值點獲取：采用數據處理設備(2)從步驟三中M'個所述極值點中篩選出該分割信號的所有極值點；

該分割信號記作信號F'(t)，篩選出極值點的總數量記作M”，其中M”為正整數；

步驟B2、極值點排序：采用數據處理設備(2)且按照采樣時間先后順序對步驟B1中篩選出的M”個所述極值點由前至后進行排列；

步驟B3、疊加判斷：采用數據處理設備(2)且按照采樣時間先后順序，由前至后對步驟B2中M”個所述極值點中相鄰兩個所述極值點分別進行疊加判斷，并根據疊加判斷結果對M”個所述極值點中疊加極值點對的總數量進行確定；

M”個所述極值點中相鄰兩個所述極值點的疊加判斷方法均相同；對M”個所述極值點中第m”個所述極值點與第m”+1個所述極值點進行疊加判斷時，采用數據處理設備(2)且調用波峰判斷模塊或波谷判斷模塊進行疊加判斷；其中，m”為正整數且m”＝1、2、…、M”-2、M”-1；

采用數據處理設備(2)且調用波峰判斷模塊進行疊加判斷時，當第m”個所述極值點與第m”+1個所述極值點均為波峰時，判斷為第m”個所述極值點與第m”+1個所述極值點為一個所述疊加極值點對；

采用數據處理設備(2)且調用波谷判斷模塊進行疊加判斷時，當第m”個所述極值點與第m”+1個所述極值點均為波谷時，判斷為第m”個所述極值點與第m”+1個所述極值點為一個所述疊加極值點對；

待M”個所述極值點中所有相鄰兩個所述極值點均完成疊加判斷后，獲得M”個所述極值點中的所有疊加極值點對，并獲得M”個所述極值點中所述疊加極值點對的總數量K'，其中K'為整數且K'≥0；再根據M”個所述極值點中所述疊加極值點對的總數量K'，并按照公式K＝K'+1，對所述超聲回波信號F(t)中疊加信號的數量K進行確定；

步驟B4、信號分離判斷：根據步驟B3中所述的K'，判斷是否需對信號F'(t)進行信號分離：當K'＝0時，判斷為無需對信號F'(t)進行信號分離，并將信號F'(t)標記為獨立超聲回波信號，完成信號F'(t)的信號分離判斷及信號分離過程；否則，當K'≥1時，判斷為需對信號F'(t)進行信號分離，并進入步驟B5；

步驟B5、信號分離：對信號F'(t)進行迭代分解處理，將信號F'(t)轉換為并獲得此時的迭代分解最佳原子集合；此時的所述迭代分解最佳原子集合中包含K個最佳匹配原子，為所述迭代分解最佳原子集合中的第z個所述最佳匹配原子；再根據此時所述迭代分解最佳原子集合中的K個所述最佳匹配原子對信號F'(t)進行分離，獲得K個分離信號，并將所獲得的K個所述分離信號均標記為獨立超聲回波信號，完成信號F'(t)的信號分離判斷及信號分離過程；

K個所述分離信號中第k'個所述分離信號記作F_k'(t)，其中，為此時所述迭代分解最佳原子集合中的k'個所述最佳匹配原子，k'為正整數且k'＝1、2、…、K；表示R^k'-1(t)與的內積；R^k'-1(t)為調用匹配追蹤算法模塊且利用此時所述迭代分解最佳原子集合中的前k'-1個所述最佳匹配原子對信號F'(t)進行k'-1次迭代分解后的殘差量，R⁰(t)＝F'(t)；

其中，R^K(t)為信號F'(t)經過K次迭代分解后的殘差量，其中z為正整數且z＝1、2、…、K，a_z為第z次迭代分解后的最佳匹配原子與上一次迭代分解后殘差量的展開系數；為第z次迭代分解時找出的最佳匹配原子，為Gabor原子且式中函數ψ(t)為高斯窗函數且r_z為的時頻參數，r_z＝(s_z,u_z,v_z,w_z)，s_z為尺度參數，u_z為位移參數，v_z為頻率參數，w_z為相位參數；

待步驟四中獲得的所有分割信號的信號分離判斷及信號分離過程均完成后，獲得超聲回波信號F(t)中的所有獨立超聲回波信號。