CN103698410A - 一种导波信号包络线的绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导波信号包络线绘制方法，其将采集和预处理后的导波信号每通道信号幅值取绝对值得导数据，提取该组信号所有极大值组成新序列，计算新序列每个点的导数，对新序列进行插值运算，最后平滑连接经插值运算后的序列，得到包络曲线。本发明方法适用于多通道导波检测中共模信号与差模信号提取中，作为共模信号与差模信号提取前的预处理。该发明方法使得信号包络线更加平滑，便于计算对称相位传感器接收数据的差模信号与共模信号；消除了突变点对运算带来的干扰，使线条变化更加平缓。

Description

一种导波信号包络线的绘制方法

技术领域

本发明涉及利用导波技术进行无损检测的领域，特别是一种导波信号的包络线绘制方法。 

背景技术

超声导波检测技术用于无损检测是近年来飞速发展的一项重要的无损探伤技术。与常规的漏磁、涡流、射线法比起来具有检测效率高、传播距离远、检测范围大、不需要表面处理、可进行在线检测等优点，适合与很多场合。 

但是超声导波信号具有数据量大，波形混叠，信号属于非线性、非平稳信号，在信号处理方面上面，造成了极大的难度，尤其对于，未经适当处理的信号提取差模信号与共模信号，效果不佳，影响后续处理。 

目前，已经发表或者公开的研究成果中，对提取差模信号与共模信号之前的处理方式还是十分少见的。常用的方法为直接将数据进行一次简单的包络线提取：即先求最大值；样条拟合最大值序列。该方法不足以消除波形混叠、高噪声环境下的波形之间干扰，难以消除相邻极值间相互影响，不能绘制平滑的包络线，对后续共模信号与差模信号的清晰提取提供的作用非常有限，直接影响后续缺陷判定。现有技术存在提取差模信号与共模信号效果不佳、误差较大的缺陷。 

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种导波信号包络线的绘制方法，其采用的技术方案如下： 

一种导波信号包络线绘制方法，其具体的步骤如下： 

步骤1从所采集并经过滤波的导波回波信号中提取I个数据x_i,i＝1,2,…I，作为待分析数据，所述的I个待分析数据为第一次待检回波信号到达前后由导波传感器获取的导波信号，该信号必须包括至少一次激励波和待检回波，引入循环计数变量P，用于记录循环次数，令P=1，之后执行步骤2； 

步骤2将步骤1所述的I个待分析数据x_i,i＝1,2,…I的每一个元素取绝对值，得到一新的数据序列|x_i|,i＝1,2,…I，并同时记录对应的采集时间序列为t_i,i＝1,2,…I，之后执行步骤3； 

步骤3寻找步骤2所得数据序列|x_i|,i＝1,2,…I中所有极大值点A_j，j=1,2......J，并同时记录下各极大值所对应的时间，得对应的时间序列t_j,j＝1,2,…J，总分析区间记为t_总=t_J-t₁，之后执行步骤4； 

步骤4计算步骤3所得极大值序列A_j，j=1,2......J中各点的导数，形成新的数据序列A’_j，j=1,2......J，其对应的时间序列不变，仍为t_j,j＝1,2,…J，之后执行步骤5； 

步骤5对步骤3所得极大值序列A_j，j=1,2......J进行插值运算，得到新的数据序列y_i,i＝1,2,…I，之后执行步骤6； 

步骤6判断P是否等于2，若P不等于2，令P=P+1，对步骤5所得数据序列y_i,i＝1,2,…I，重复步骤2至步骤5，得到数据序列z_i,i＝1,2,…I，之后执行步骤7；若P等于2，执行步骤7； 

步骤7平滑连接步骤6所得数据序列z_i,i＝1,2,…I，得到一平滑曲线，即为待检导波信号的包络曲线。 

所述的一种导波信号包络线绘制方法，其特征在于步骤5所述的对极大值序列A_j，j=1,2......J进行插值运算，包括如下步骤： 

1）将总分析时间t_总划分为J-1个独立的插值区间，如[t_j,t_j+1]为第j个独立 插值区间，之后执行步骤2）； 

2）在第j个插值区间内，以原采样周期T为插值步长，将插值区间长度[t_j,t_j+1]除以采样周期T，得第j个区间的插值点数为 

M_j＝(t_j+1-t_j)/T-1,j＝1,2......J-1，每个插值点处对应的时间为t_m＝t_j+m*T,m＝1,2......M_j，之后执行步骤3）； 

3）在第j个插值区间内，计算每个插值点处的基函数α_jm(t),β_jm(t)，j＝1,2......J-1,m＝1,2......M_j； 

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)={\left(\frac{t_m-t_{j+1}}{t_j-t_{j+1}}\right)}^2(1+2\frac{t_m-t_j}{t_{j+1}-t_j}),t_m\∈(t_j,t_{j+1})$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)={\frac{t_m-t_{j+1}}{t_j-t_{j+1}})}^2(t_m-t_j),t_m\∈(t_j,t_{j+1})$

4）在第j个插值区间内，计算每个插值点的值  $g_{\mathrm{jm}}\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M_j}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)A_j+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)A_j^{\′}];$

5）将所有的插值点与原极大值点按时间顺序组成新的数据序列y_i,i＝1,2,…I。 

所述导波信号包络线绘制方法适用于多通道导波检测中共模信号与差模信号提取中，作为共模信号与差模信号提取前的预处理。 

本发明摒弃了以前的相关数据直接运算，而由突变点杂乱、信号变化剧烈引起的差模信号与共模信号提取不清晰等缺点，该发明方法使得信号包络线更加平滑，便于计算对称相位传感器接收数据的差模信号与共模信号；消除了突变点对运算带来的干扰，使线条变化更加平缓。 

附图说明

图1超声导波管道检测系统图。 

图2本发明所述方法原理框图。 

图3为本发明步骤5所述插值运算流程图。 

图4为实施例的原始信号波形图。 

图5为将信号幅值取绝对值所得波形图。 

图6为提取图4所得绝对值信号的所有极大值。 

图7为对极大值序列进行一次插值运算所得数据序列。 

图8为二次插值运算后用B样条函数连接的信号包络。 

具体实施方式

下面结合附图1～8，对本发明提出的一种导波信号包络线绘制方法作进一步详述。 

图1为超声导波管道检测系统图，图2为本发明方法的原理框图，下面结合图1和图2对于如图4所示传感器获取的导波回波信号，利用本发明所述的一种导波信号包络线绘制方法，进行包络线的绘制，其具体步骤如下： 

步骤1由超声导波传感器在被测体内激励超声导波信号，并获取其回波信号； 

步骤2前置放大器放大步骤1中传感器所获取的回波信号； 

步骤3采集卡将步骤2中经放大的模拟回波信号转换为数字信号，即数据采集，再传输给计算机； 

步骤4计算机软件将步骤3所采集到的数字信号进行预处理； 

步骤5计算机从所采集并经过滤波的导波回波信号中提取I个数据x_i,i＝1,2,…I，作为待分析数据，所述的I个待分析数据为第一次待检回波信号到达前后由导波传感器获取的导波信号，该信号必须包括至少一次激励波和待检回波，引入循环计数变量P，用于记录循环次数，令P=1，之后执行步骤6； 

步骤6将步骤5所述的I个待分析数据x_i,i＝1,2,…I的每一个元素取绝对值，得到一新的数据序列|x_i|,i＝1,2,…I，并同时记录对应的采集时间序列为t_i,i＝1,2,…I，如图5所示，为所得数据|x_i|,i＝1,2,…I波形与对应时间t_i,i＝1,2,…I，之后执行步骤7； 

步骤7寻找步骤6所得数据序列|x_i|,i＝1,2,…I中所有极大值点A_j，j=1,2......J，并同时记录下各极大值所对应的时间，得对应的时间序列t_j,j＝1,2,…J，总分析区间记为t_总=t_J-t₁，如图6所示，为所得数据A_j，j=1,2......J波形与对应时间t_j,j＝1,2,…J，之后执行步骤8； 

步骤8计算步骤7所得极大值序列A_j，j=1,2......J中各点的导数，形成新的数据序列A’_j，j=1,2......J，其对应的时间序列不变，仍为t_j,j＝1,2,…J，之后执行步骤9； 

步骤9对步骤8所得极大值序列A_j，j=1,2......J进行插值运算，得到新的数据序列y_i,i＝1,2,…I，如图7所示，为所得数据y_i,i＝1,2,…I波形与对应时间t_i,i＝1,2,…I，之后执行步骤10； 

步骤10判断P是否等于2，若P不等于2，令P=P+1，对步骤9所得数据序列y_i,i＝1,2,…I，重复步骤7至步骤9，得到数据序列z_i,i＝1,2,…I，之后执行步骤11；若P等于2，执行步骤11； 

步骤11平滑连接步骤10所得数据序列z_i,i＝1,2,…I，得到一平滑曲线，如图8所示，即为待检导波信号的包络曲线。 

如图3所示，以上步骤9所述的对极大值序列A_j，j=1,2......J进行插值运算，包括如下步骤： 

1）将总分析时间t_总划分为J-1个独立的插值区间，如[t_j,t_j+1]为第j个独立插值区间，j＝1,2,…J，之后执行步骤2）； 

2）在第j个插值区间内，以原采样周期T为插值步长，将插值区间长度[t_j,t_j+1]除以采样周期T，得第j个区间的插值点数为 

M_j＝(t_j+1-t_j)/T-1,j＝1,2......J-1，每个插值点处对应的时间为t_m＝t_j+m*T,m＝1,2......M_j，之后执行步骤3）； 

3）在第j个插值区间内，计算每个插值点处的基函数α_jm(t),β_jm(t)， 

j＝1,2......J-1,m＝1,2......M_j； 

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)={\left(\frac{t_m-t_{j+1}}{t_j-t_{j+1}}\right)}^2(1+2\frac{t_m-t_j}{t_{j+1}-t_j}),t_m\∈(t_j,t_{j+1});$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)={\frac{t_m-t_{j+1}}{t_j-t_{j+1}})}^2(t_m-t_j),t_m\∈(t_j,t_{j+1});$

4）在第j个插值区间内，计算每个插值点的值 

$g_{\mathrm{jm}}\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M_j}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)A_j+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)A_j^{\′}];$

5）将所有的插值点与原极大值点按时间顺序组成新的数据序列y_i,i＝1,2,…I 

所述导波信号包络线绘制方法适用于多通道导波检测中共模信号与差模信号提取中，作为共模信号与差模信号提取前的预处理。本方法能针对导波信号进行适当处理，以待后续更好的提取差模信号与共模信号，为DAC（Distance Amplitude Curve）曲线的绘制提供依据。 

Claims (3)

1.一种导波信号包络线绘制方法，其步骤如下：

步骤1从所采集并经过滤波的导波回波信号中提取I个数据x_i,i＝1,2,…I，作为待分析数据，所述的I个待分析数据为第一次待检回波信号到达前后由导波传感器获取的导波信号，该信号必须包括至少一次激励波和待检回波，引入循环计数变量P，用于记录循环次数，令P=1，之后执行步骤2；

步骤2将步骤1所述的I个待分析数据x_i,i＝1,2,…I的每一个元素取绝对值，得到一新的数据序列|x_i|,i＝1,2,…I，并同时记录对应的采集时间序列为t_i,i＝1,2,…I，之后执行步骤3；

步骤3寻找步骤2所得数据序列|x_i|,i＝1,2,…I中所有极大值点A_j，j=1,2......J，并同时记录下各极大值所对应的时间，得对应的时间序列t_j,j＝1,2,…J，总分析区间记为t_总=t_J-t₁，之后执行步骤4；

步骤4计算步骤3所得极大值序列A_j，j=1,2......J中各点的导数，形成新的数据序列A’_j，j=1,2......J，其对应的时间序列不变，仍为t_j,j＝1,2,…J，之后执行步骤5；

步骤5对步骤3所得极大值序列A_j，j=1,2......J进行插值运算，得到新的数据序列y_i,i＝1,2,…I，之后执行步骤6；

步骤6判断P是否等于2，若P不等于2，令P=P+1，对步骤5所得数据序列y_i,i＝1,2,…I，重复步骤2至步骤5，得到数据序列z_i,i＝1,2,…I，之后执行步骤7；若P等于2，执行步骤7；

步骤7平滑连接步骤6所得数据序列z_i,i＝1,2,…I，得到一平滑曲线，即为待检导波信号的包络曲线。

2.根据权利要求1所述的一种导波信号包络线绘制方法，其特征在于步骤5所述的对极大值序列A_j，j=1,2......J进行插值运算，包括如下步骤：

1）将总分析时间t_总划分为J-1个独立的插值区间，如[t_j,t_j+1]为第j个独立插值区间，之后执行步骤2）；

2）在第j个插值区间内，以原采样周期T为插值步长，将插值区间长度[t_j,t_j+1]除以采样周期T，得第j个区间的插值点数为M_j＝(t_j+1-t_j)/T-1,j＝1,2......J-1，每个插值点处对应的时间为t_m＝t_j+m*T,m＝1,2......M_j，之后执行步骤3）；

3）在第j个插值区间内，计算每个插值点处的基函数α_jm(t),β_jm(t)，j＝1,2......J-1,m＝1,2......M_j；

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)={\left(\frac{t_m-t_{j+1}}{t_j-t_{j+1}}\right)}^2(1+2\frac{t_m-t_j}{t_{j+1}-t_j}),t_m\∈(t_j,t_{j+1})$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)={\frac{t_m-t_{j+1}}{t_j-t_{j+1}})}^2(t_m-t_j),t_m\∈(t_j,t_{j+1})$

4）在第j个插值区间内，计算每个插值点的值 $g_{\mathrm{jm}}\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M_j}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)A_j+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{jm}}\left(t\right)A_j^{\′}];$

5）将所有的插值点与原极大值点按时间顺序组成新的数据序列y_i,i＝1,2,…I。

3.根据权利要求1所述的一种导波信号包络线绘制方法，其适用于多通道导波检测中共模信号与差模信号提取中，作为共模信号与差模信号提取前的预处理。

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