CN111783542B - 一种自动提取应力波反射周期的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构健康检测技术领域，尤其涉及一种自动提取应力波反射周期的方法；包括以下步骤：S1，采集原周期性反射信号；S2，对所述原周期性反射信号进行去噪、增强和时频分析生成信号时频图；S3，从所述信号时频图提取图像周期，通过像素和时间的关系计算反射周期。本发明实施例通过充分利用采集的应力波反射信号的时频域信息生成时频图，然后从时频图自动提取反射周期，计算过程不需人工参与，提高信号反射周期的准确性。

Description

一种自动提取应力波反射周期的方法及装置

技术领域

本发明涉及结构健康检测技术领域，尤其涉及一种自动提取应力波反射周期的方法及装置。

背景技术

实际工程常见的结构体，桩基、轴承、建筑梁、输油管道和锚杆等，都属于结构健康检测的范围。在各种因素的综合影响下，这些结构构件在建造完工之后常存在多种缺陷，影响到结构构件工程的质量、安全和使用寿命，甚至造成工程隐患和难以挽回的人身、财产损失。例如，波形梁钢护栏是公路上最重要的安全设施，其中护栏立柱是护栏的主要承力部件；立柱的埋深或者缺陷直接决定着交通事故发生时护栏能否起到安全防护作用。由于立柱的安装具有不可见性，加之现存检测方法的局限，增大了监管难度，无法形成有效地监督管理；应力波反射法作为一种无损检测技术在地埋立柱、锚杆等结构的完整性检测中取得了显著效果。

利用应力波反射法检测结构尺寸或缺陷定位的关键在于反射周期的提取。目前，反射周期提取的传统方法有峰峰值法、相位分析法。峰峰值法通过查找反射波前两次反射信号的峰值，将两峰值之间的时间间隔作为反射周期；相位分析法是根据入射波在端面或缺陷处产生反射时相位发生突变的原理提出的，利用反射信号频域中相位突变点确定反射发生的时间点。

上述分析方法存在的不足之处在于它们都只在反射信号的时域或频域进行分析，未能利用检测信号的时频域信息，在计算反射信号周期的过程中需要人工参与，计算速度慢，提取信号反射周期不准确。

发明内容

为克服现有技术存在的不足，本发明实施例提供一种自动提取应力波反射周期的方法及装置，利用检测的时频域信息，减少计算中人为因素的干扰，实现信号反射周期的精准提取。

一方面，本发明实施例提供一种自动提取应力波反射周期的方法，包括以下步骤：

S1，采集应力波反射信号；

S2，对所述应力波反射信号进行去噪、增强和时频分析生成信号时频图；

S3，从所述信号时频图提取图像周期，通过像素和时间的关系计算反射周期。

另一方面，本发明实施例提供一种提取应力波反射周期的装置，包括：

采集模块，采集应力波反射信号；

图像生成模块，对所述应力波反射信号进行去噪、增强和时频分析生成信号时频图；

图像提取模块，从所述信号时频图提取图像周期，通过像素和时间的关系计算反射周期。

本发明实施例提供一种自动提取应力波反射周期的方法及装置，通过充分利用采集的应力波反射信号的时频域信息生成时频图，然后从时频图自动提取反射周期，计算过程不需人工参与，提高信号反射周期的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供一种自动提取应力波反射周期的方法流程示意图；

图2为本发明实施例生成的时频图；

图3为本发明实施例提取时频图的边缘信息；

图4为本发明实施例提取图像主频。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供一种自动提取应力波反射周期的方法流程示意图；如图1所示，包括以下步骤：

S1，采集应力波反射信号；

S2，对所述应力波反射信号进行去噪、增强和时频分析生成信号时频图；

S3，从所述信号时频图提取图像周期，通过像素和时间的关系计算反射周期。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

S21，对应力波反射信号进行带通滤波去噪；

S22，使用多重自相关算法提高信噪比；所述多重自相关算法就是将信号自相关运算的结果再多次进行自相关运算；

S23，使用Hilbert变换将实信号转换为复信号并进行Wigner-Ville分析方法得到所述信号时频图。

进一步地，所述步骤S3具体包括：

S31，对所述信号时频图使用加权平均法进行灰度化；

S32，使用改进的Prewitt算子对灰度时频图进行X方向的边缘检测，提取所述时频图边缘信息；改进的Prewitt算子对图像的垂直方向的边缘特征更为敏感，其表示为：

S33，将所述边缘特征灰度图进行中值滤波处理，去除较弱的边缘纹理，得到过滤后的边缘特征分布二值图；S34，统计所述二值图中列像素的均值，并对其做自相关运算，得到所述二值图中列像素均值的能量变化曲线；

S35，对所述二值图中列像素均值的能量变化曲线做快速傅里叶变换提取图像主频；

S36，由所述图像主频计算反射周期；所述反射周期T的计算公式为：

T＝2*F/f*Δt (1)

其中，f为图像主频，F代表快速傅里叶变换后的最大频率，Δt为每个像素代表的时间间隔。

具体地，图2为本发明实施例生成的时频图；如图2所示，采集接收反射的多次应力波反射信号；通过手持式激振锤轻敲地埋桩端面，产生沿桩体传播的应力波，以500kHz的采样频率采集数据，采样点数为2048。

这里我们选择设计长度为2.00m的护栏立柱埋深为1.00m为例进行实验验证；先利用代通滤波去除信号中的噪声。；其次，进行多次自相运算；当函数中有周期性分量的时候，自相关函数的极大值能够很好的体现这种周期性；最后，多次自相运算分析后的信号进行Hilbert变换转换为复信号，对该复信号进行Wigner-Ville分析生成时频图。从图中可以看出能量的周期性变化，选取能量变化较大的时域上时间段为2000到6000采样点之间的频谱图(图中标注为黑色虚线框)作为感兴趣区域(ROI)，此时像素列宽col＝419，时间间隔为Δ＝0.008s，每一像素代表的时长为Δt＝Δ÷col＝0.008÷419＝1.9093e^-5s/pixel。

图3为本发明实施例提取时频图的边缘信息；如图3所示，先使用加权平均法将边缘图像灰度化，得到边缘特征灰度图；使用改进的Prewitt算子的x方向内核矩阵对时频图进行检测，得到信号时频图的边缘特征图；该边缘特征图像包括很多细小的干扰纹理，为了滤除细纹理的干扰并保存有用信息，需要进行中值滤波。如图3中左边部分为边缘特征图像，右边部分为滤波后的二值图，对比左图发现边缘特征的周期性更加明显了。

图4为本发明实施例提取图像主频；如图4所示，统计所述二值图中列像素的均值，并对其做自相关运算，得到所述二值图中列像素均值的能量变化曲线；对该曲线做快速傅里叶变换后绘制频谱图，继而提取周期主频率。图4(a)为二值图中列像素均值的统计曲线，虽然可以看到明显的较大波峰，但波形复杂。图4(b)为统计信号的自相关运算结果，周期性更加明显。图4(c)为快速傅里叶变换后的频谱图，除零频外的最大幅度对应的频率为41。经标定可知应力波在护栏立柱中的波速为5000m/s，使用公式反射周期计算公式得到反射信号的反射周期T＝0.000390s，进而根据距离计算公式

S＝T×v÷2 (2)

其中，假设应力波在护栏立柱中的传播速度为v，反射周期为T，则护栏立柱的长度为S；可计算出护栏立柱近似长度为0.9756m，接近实际长度1.00m，误差率为2.44％。本发明实施例提供一种自动提取应力波反射周期的方法，通过充分利用原周期性反射信号的时频域信息生成时频图，然后从时频图自动提取反射周期，计算过程不需人工参与，提高信号反射周期的准确性；

基于上述实施例，本发明实施例提供一种自动提取应力波反射周期的装置，包括：

采集模块，采集应力波反射信号；

图像生成模块，对所述应力波反射信号进行去噪、增强和时频分析生成信号时频图；

图像提取模块，从所述信号时频图提取图像周期，通过像素和时间的关系计算反射周期。

具体地，采集模块通过连接磁性PZT传感器探头采集应力波反射信号；将磁性PZT传感器探头吸附于涂有耦合剂(保证探头与端面良好接触，减小声阻抗)部分的护栏立柱暴露端，用于接收反射的多次周期性反射信号，通过手持式激振锤轻敲地埋桩端面，产生沿桩体传播的应力波；图像提取模块从所述信号时频图提取图像周期并计算反射周期；需要说明的是，本发明实施例提供一种自动提取应力波反射周期的装置还包括显示模块，所有实验数据都可以在笔记本上实时显示。

本发明实施例提供一种自动提取应力波反射周期的装置执行上述方法步骤，通过充分利用采集的原应力波反射信号的时频域信息生成时频图，然后从时频图自动提取反射周期，计算过程不需人工参与，提高信号反射周期的准确性；计算过程可视化，提升用户使用体验。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种自动提取应力波反射周期的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，采集应力波反射信号；

S2，对所述应力波反射信号进行去噪、增强和时频分析生成信号时频图；

S3，从所述信号时频图提取图像周期，通过像素和时间的关系计算反射周期；

所述步骤S2具体包括：

S21，对应力波反射信号进行带通滤波去噪；

S22，使用多重自相关算法提高信噪比；所述多重自相关算法就是将信号自相关运算的结果再多次进行自相关运算；

S32，使用Hilbert变换将实信号转换为复信号并进行Wigner-Ville分析方法得到所述信号时频图；

所述步骤S3具体包括：

S31，对所述信号时频图使用加权平均法进行灰度化；

S32，使用改进的Prewitt算子对灰度化后的所述信号时频图进行边缘检测，提取所述信号时频图边缘信息，得到边缘特征灰度图；

S33，将所述边缘特征灰度图进行中值滤波处理，去除较弱的边缘纹理，得到过滤后的边缘特征二值图；

S34，统计所述二值图中列像素的均值，并对其做自相关运算，得到所述二值图中列像素均值的能量变化曲线；

S35，对所述二值图中列像素均值的能量变化曲线做快速傅里叶变换提取图像主频；

S36，由所述图像主频计算反射周期；所述反射周期T的计算公式为：

T＝2*F/f*Δt (1)

其中，f为图像主频，F代表FFT变换后的最大频率，Δt为每个像素代表的时间间隔。

2.一种自动提取应力波反射周期的装置，其特征在于，包括：

采集模块，采集应力波反射信号；

图像生成模块，对所述应力波反射信号进行去噪、增强和分析生成信号时频图；图像提取模块，从所述信号时频图提取图像周期，通过像素和时间的关系计算反射周期；

所述图像生成模块具体包括：

对应力波反射信号进行带通滤波去噪；

使用多重自相关算法提高信噪比；所述多重自相关算法就是将信号自相关运算的结果再多次进行自相关运算；

使用Hilbert变换将实信号转换为复信号并进行Wigner-Ville分析方法得到所述信号时频图；

所述图像提取模块具体包括：

对所述信号时频图采用加权平均值法进行灰度化；

使用改进的Prewitt算子对经过灰度化处理后的所述信号时频图进行边缘特征检测，提取所述信号时频图的边缘信息，得到边缘特征灰度图；将所述边缘特征灰度图进行中值滤波处理，去除较弱的边缘纹理，得到过滤后的边缘特征二值图；统计所述二值图中列像素的均值，并对其做自相关运算，得到所述二值图中列像素均值的能量变化曲线；对所述二值图中列像素均值的能量变化曲线做快速傅里叶变换提取图像主频；由所述图像主频计算反射周期；所述反射周期T的计算公式为：

T＝2*F/f*Δt (1)

其中，f为图像主频，F代表FFT变换后的最大频率，Δt为每个像素代表的时间间隔。