CN107561163A - 超声波巴特沃斯帯阻滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声波信号滤波技术，为实现在频率域数据中尽可能多的滤去噪音信号，保留有效信号，达到削弱噪音、提高信噪比的目的，并应用本发明，实现超声波对损伤结构定位精度的提高。本发明采用的技术方案是，超声波巴特沃斯帯阻滤波方法，巴特沃思函数的表达式为： $H\left(f\right)=\frac{1}{\sqrt{1+{(f/f_c)}^{2n}}}---\left(1\right)$ n为函数的阶数，f为频率，f_c为截止频率。根据该函数在不同阶数下的幅频曲线及理想信号的频谱分布特征，将函数做f＝2π‑f变换，将变换前后的巴特沃思函数作为传递函数分别制成低通和高通滤波器，然后将两个滤波器并联后制成巴特沃斯帯阻滤波器进行滤波。本发明主要应用于超声波信号滤波场合。

Description

超声波巴特沃斯帯阻滤波方法

技术领域

本发明涉及一种超声波信号滤波方法，属于工程学领域，具体讲,涉及超声波巴特沃斯帯阻滤波方法。

背景技术

在最近数十年，超声波被广泛应用于结构损伤检测，它应用损伤结构的反射波脉冲信号，在假设超声波信号在结构中传播速度不变的前提下，根据损伤结构反射信号传播时间与激励信号传播时间的比值与各自传播距离的比值相等的原理，来实现损伤结构的定位。然由于外界环境及结构自身因素的影响，使得超声波在实际应用中存在大量噪音信号，严重影响了超声波的检测效果，使得定位精度大大降低，甚至无法定位。因此建立一种快速有效的滤波方法，对超声波损伤定位及其它方面应用有重要意义。

傅里叶变换能把超声波时间域信号转变成频率域信号，进而研究信号的频谱结构及变化规律。本发明应用该变换将损伤定位实验中的理想信号和实测带噪音信号分别转换为频率域数据，然后根据其频谱特征，将实测信号频谱数据中的噪音信号尽可能多的除去，有效信号保留，然后再转换为时间域数据，达到削弱噪音，提高信噪比的目的。

发明内容

为克服现有超声波滤波技术的不足，针对实测超声波信号中存在大量噪音的特点，本发明旨在提出一种快速、有效的滤波方法，即在频率域数据中尽可能多的滤去噪音信号，保留有效信号，达到削弱噪音、提高信噪比的目的，并应用本发明，实现超声波对损伤结构定位精度的提高。本发明采用的技术方案是，超声波巴特沃斯帯阻滤波方法，巴特沃思函数的表达式为：

n为函数的阶数，f为频率，f_c为截止频率。

根据该函数在不同阶数下的幅频曲线及理想信号的频谱分布特征，将函数做f＝2π-f变换，将变换前后的巴特沃思函数作为传递函数分别制成低通和高通滤波器，然后将两个滤波器并联后制成巴特沃斯帯阻滤波器进行滤波。

将阶数n取2、截止频率f_c取0.2045，并将函数做f＝2π-f变换，则变换后函数的f_c约为6.0787。

巴特沃斯帯阻滤波器的传递函数如下：

在一个实例中，

1)应用超声波采集装置，选择带汉宁窗的5个周期的正弦波作为激励信号，分别对一损伤管道及相同无损伤管道采集一组具有发射波形的超声波数据，并求出回波信号；

2)利用巴特沃斯帯阻滤波器对采集数据进行处理后求取回波信号；

3)分别对无损伤管道的发射波信号、接收波信号、处理后发射波信号、接收波信号及各自对应的回波信号做维格纳-威尔时频分析方法计算，并绘制等值线图；

4)应用能量极大值判别超声波的到时，并应用超声波的定位原理计算损伤位置。

本发明的特点及有益效果是：

通过本发明可以对超声波定位中的实测数据进行有效滤波，即将频率域数据中的噪音信号尽可能多地滤去，有效信号保留，有效提高信噪比，同时，在超声波对损伤结构的定位中，使得超声波时频分析的能量极大值更易识别，有效提高定位精度。

附图说明：

图1理想信号经DFT变换后的实部频谱特征曲线和滤波曲线。

图2理想信号经DFT变换后的虚部频谱特征曲线和滤波曲线。

图3实验中实测信号经DFT变换后的实部频谱特征曲线和滤波曲线。

图4实验中实测信号经DFT变换后的虚部频谱特征曲线和滤波曲线。

图5不同阶数的巴特沃思函数幅频特征曲线。

图6本发明处理前后的超声波波形对比曲线。

(a)本发明处理前发射信号波形曲线(b)本发明处理后发射信号波形曲线

(c)本发明处理前接收信号波形曲线(d)本发明处理后接收信号波形曲线

(e)本发明处理前回波信号波形曲线(f)本发明处理后回波信号波形曲线

图7原始信号的维格纳-威尔时频能量分布图。

图8本发明处理后信号的维格纳-威尔时频能量分布图。

图9本发明流程图。

具体实施方式

针对超声波数据在损伤结构检测过程中因外界环境及自身因素存在大量噪音信号的特点，本发明结合实际应用，根据损伤定位实验中理想信号经傅里叶变换(DFT)后的频谱分布特征及实测带噪音信号的频谱分布特征，发明一种快速、有效的滤波方法，即在频率域数据中尽可能多的滤去噪音信号，保留有效信号，然后再转换为时间域数据，达到削弱噪音、提高信噪比的目的，并应用本发明，实现超声波对损伤结构定位精度的提高。发明内容如下：

超声波损伤定位信号为带汉宁窗的5个周期的正弦波脉冲，分别将理想信号和实验中实测带噪音信号经傅里叶变换后，观测其频谱分布特征(图1、图2、图3、图4)，从图1、图2中可以看出，理想信号的功率谱主要分布低频和高频部分，中部频率范围内谱值很小，接近0，且实部和虚部数据频谱分布特征相似，从图3、图4中可以看出，实验中实测信号的功率谱在整个频率范围内均有数据分布，且实部和虚部数据频谱分布特征也相似，因此频率域内滤波主要将实测信号的中部频率范围内的功率谱滤去，且实部与虚部可用相同的滤波器。从图1、图3实部频谱分布特征可以看出，实部功率谱关于f＝π呈轴近似对称状态，从图2、图4虚部频谱分布特征可以看出，虚部功率谱关于(π,0)呈中心近似对称状态，故可将低通滤波器关于f＝π进行轴对称变换后形成高通滤波器，然后将低通与高通滤波器二者并联后形成帯阻滤波器，即可对超声波检测实验中带噪音信号进行有效滤波。

巴特沃思函数的表达式为：

n为函数的阶数，f为频率，f_c为截止频率。

根据该函数在不同阶数下的幅频曲线(图5)及理想信号的频谱分布特征(图1、图2)，将阶数n取2、截止频率f_c取0.2045，并将函数做f＝2π-f变换，则变换后函数的f_c约为6.0787，将变换前后的巴特沃思函数作为传递函数分别制成低通和高通滤波器，然后将两个滤波器并联后制成巴特沃斯帯阻滤波器，传递函数如下：

通过该滤波器对超声波数据进行滤波的方法即为超声波巴特沃斯帯阻滤波方法，传递函数的幅频曲线如图1、图2、图3、图4的滤波曲线。

应用本发明结合超声波定位方法，对本发明进行实例说明，具体步骤如下：

1.应用超声波采集装置，选择带汉宁窗的5个周期的正弦波作为激励信号，分别对一损伤管道及相同无损伤管道采集一组具有发射波形的超声波数据，并求出回波信号(图6e)；

2.应用本发明对采集数据进行处理后求取回波信号(图6f)；

3.分别对无损伤管道的发射波信号(图6a)、接收波信号(图6c)、本发明处理后发射波信号(图6b)、接收波信号(图6d)及各自对应的回波信号做维格纳-威尔时频分析方法计算，并绘制等值线图(图7、图8)；

4.应用能量极大值判别超声波的到时，并应用超声波的定位原理计算损伤位置(表1)。

表1采用本发明处理前后损伤结构定位结果对比表

从图6中可以看出，本发明处理后，超声波信号的噪音信号被明显削弱，信噪比得到了明显提高，图7和图8对比可以发现，本发明处理后的回波信号经维格纳-威尔时频计算的能量极大值更易识别，从表1可以发现，本发明处理后的超声波定位精度得到了明显提高。

Claims (4)

1.一种超声波巴特沃斯帯阻滤波方法，其特征是，巴特沃思函数的表达式为：

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n为函数的阶数，f为频率，f_c为截止频率；

根据该函数在不同阶数下的幅频曲线及理想信号的频谱分布特征，将函数做f＝2π-f变换，将变换前后的巴特沃思函数作为传递函数分别制成低通和高通滤波器，然后将两个滤波器并联后制成巴特沃斯帯阻滤波器进行滤波。

2.如权利要求1所述的超声波巴特沃斯帯阻滤波方法，其特征是，巴特沃斯帯阻滤波器的传递函数如下：

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3.如权利要求1所述的超声波巴特沃斯帯阻滤波方法，其特征是，将阶数n取2、截止频率f_c取0.2045，并将函数做f＝2π-f变换，则变换后函数的f_c约为6.0787。

4.如权利要求1所述的超声波巴特沃斯帯阻滤波方法，其特征是，在一个实例中，

1)应用超声波采集装置，选择带汉宁窗的5个周期的正弦波作为激励信号，分别对一损伤管道及相同无损伤管道采集一组具有发射波形的超声波数据，并求出回波信号；

2)利用所述巴特沃斯帯阻滤波器对采集数据进行处理后求取回波信号；

3)分别对无损伤管道的发射波信号、接收波信号、处理后发射波信号、接收波信号及各自对应的回波信号做维格纳-威尔时频分析方法计算，并绘制等值线图；

4)应用能量极大值判别超声波的到时，并应用超声波的定位原理计算损伤位置。