張延兵,許世林,顧建平,張 穎,張 維
(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,江蘇 南京 210000;2.常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇 常州 213164;3.東北石油大學(xué)機(jī) 械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318)
電磁超聲檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù),該技術(shù)利用電磁超聲傳感器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸檢測(cè)。超聲波源直接在檢測(cè)對(duì)象中產(chǎn)生,回波振幅不受接觸壓力的影響,對(duì)表面粗糙度也不敏感,具有精度高、無(wú)需耦合劑、適用于高溫檢測(cè)以及容易激發(fā)各種超聲波性等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)檢測(cè)中,如測(cè)厚、探傷、材料晶格結(jié)構(gòu)檢測(cè)及材料應(yīng)力檢測(cè)等[1-4]。但由于電磁超聲回波信號(hào)弱,為增大信號(hào),往往采用較高的增益值,在增大回波缺陷信號(hào)的同時(shí)也增大了噪聲信號(hào),這導(dǎo)致信號(hào)的信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壓電超聲信號(hào)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題,目前多采用硬件電路降噪,對(duì)于回波信號(hào)降噪軟件處理方法的研究并不多[5,6]。硬件降噪有一定的效果,但由于使用環(huán)境多樣以及自動(dòng)化快速檢測(cè)的需要,還需要對(duì)缺陷信號(hào)降噪處理方法進(jìn)行研究。因此,針對(duì)電磁超聲檢測(cè)過(guò)程中的回波信號(hào)含噪問(wèn)題,采用小波閾值降噪以及基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Em原pirical Mode Decomposition,EMD)的小波閾值降噪方法這兩種方法對(duì)電磁超聲信號(hào)進(jìn)行降噪處理,并采用信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)及均方根誤差(Root Mean Squard Error,RMSE)這兩個(gè)指標(biāo)作為降噪優(yōu)劣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),前者越大越好,后者越小越好,從而探究最有效的電磁超聲信號(hào)降噪處理方法,以期提升電磁超聲檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用時(shí)信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)確率。
小波降噪閾值降噪是基于小波分解方法進(jìn)行的。首先,需要選擇合適的小波基和分解層數(shù)來(lái)分解噪聲信號(hào),得到了不同的低頻部分及高頻部分,如圖1 所示。噪聲信號(hào)往往包含在d1、d2、d3中,小波閾值去噪是按一定的閾值規(guī)則選取閾值后,再處理小波分解系數(shù),最后重建一些處理后的系數(shù),得到去噪信號(hào)[7]。
圖1 小波分解
目前常用的閾值主要有4 種:rigrsure 閾值、sqt原wolog 閾值、heursure 閾值和minimax 閾值。在決定閾值規(guī)則種類(lèi)后,需要根據(jù)待處理信號(hào)確定閾值重調(diào)方法,有“one”,“sln”,“mln”3 種。閾值判定函數(shù)有硬閾值及軟閾值兩種。
EMD 也是將信號(hào)分解成相互獨(dú)立的不同成分,與小波分解及傅里葉變換不同的是其不需要基函數(shù)。主要依靠自身在時(shí)域上的信號(hào)特征進(jìn)行分解,具有一定的自適應(yīng)性,適用于不同類(lèi)型的信號(hào)分解。分解得到的不同的imf 分量中的高頻分量通常被視為噪聲,剔除這些成分之后進(jìn)行重構(gòu)達(dá)到降噪的目的,然而,這些分量中容易出現(xiàn)模態(tài)混疊的現(xiàn)象,因此提出了集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Ensemble Empirical Mode Decom原position,EEMD)。EEMD 的主要原理是將白噪聲添加到信號(hào)中形成新信號(hào),然后執(zhí)行EMD 分解,以獲得imf 分量,然后繼續(xù)添加新的白噪聲,重復(fù)分解,最終將得到的imf 分量做平均[8]。EMD 和EEMD 用于分解信號(hào),然后使用小波閾值對(duì)分量進(jìn)行去噪。
由于使用實(shí)際電磁超聲檢測(cè)信號(hào)無(wú)法獲得真實(shí)不含噪信號(hào),因此此處分析釆用對(duì)比處理后信號(hào)有用成分幅值及無(wú)回波位置信號(hào)平穩(wěn)性作為對(duì)比方案。含噪信號(hào)釆用實(shí)際電磁超聲回波信號(hào),使用超聲波標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK-I-A,將傳感器放置在試塊上方,對(duì)準(zhǔn)試塊圓弧的圓心,測(cè)量100 mm 圓弧,微微調(diào)整使得波形出現(xiàn),傳感器測(cè)試方法如圖2 所示。測(cè)量過(guò)程采用的自發(fā)自收模式,記錄下回波波形,如圖3(a)所示。對(duì)波形進(jìn)行FFT 變換,得到頻域圖如圖3(b)所示。為了便于展示,將頻域圖的縱坐標(biāo)幅值歸一化,歸一化處理公式如下:
圖2 傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn)
圖3 實(shí)際含噪電磁超聲信號(hào)
式中x為原始值,y為歸一化后的值。后續(xù)使用兩種方法分別對(duì)該波形進(jìn)行降噪處理。
圖4(a)是使用sqtwolog 和minimax 閾值進(jìn)行小波閾值降噪處理后的信號(hào),使用“db4”小波,分解為4層,使用“mln”重調(diào)方法和軟閾值函數(shù)。圖(a)中顯示,2 種閾值均能很好地去除信號(hào)中的噪聲,使用mini原max 閾值時(shí)對(duì)信號(hào)造成的損失最小,信號(hào)幅值仍有760 mV,大于使用sqtwolog 時(shí)的740 mV,仍能保持較好的信號(hào)幅值。圖4(b)顯示,在處理后的信號(hào)中高于3 MHz 的部分被去除,保留了激發(fā)頻率附近區(qū)間的信號(hào)成分。說(shuō)明該方法保留低頻率成分,去除高頻率成分。使用minimax 閾值時(shí),信噪比SNR 和均方根誤差RMSE 的值分別為8.7582 和0.8158,而使用sqtwolog閾值規(guī)則時(shí),信噪比SNR 和均方根誤差RMSE 的值分別為7.1590 和0.9807,進(jìn)一步表明使用minimax 閾值規(guī)則時(shí),信號(hào)的降噪效果更好。
圖4 不同閾值方法小波閾值降噪處理后的信號(hào)
使用基于EEMD 的小波閾值降噪方法處理后的信號(hào)(圖5(a)),使用minimax 閾值,其余設(shè)定與前文小波降噪一致。圖5(a)中顯示,此方法能良好地去除信號(hào)中的噪聲,而且保留了原始信號(hào)有用成分,能量沒(méi)有損失,仍為830 mV。圖5(b)顯示,該方法相對(duì)于前兩種,對(duì)于不同頻率信號(hào)的處理效果結(jié)合了二者的特點(diǎn),去除高于3 MHz 的信號(hào)成分,也降低了激發(fā)頻率附近區(qū)間的能量。此時(shí)降噪后信號(hào)的信噪比SNR和均方根誤差RMSE 分別為10.2420 和0.6877,相較于小波閾值降噪方法,信號(hào)的降噪效果進(jìn)一步優(yōu)化。
圖5 基于EEMD 的小波閾值降噪處理后的信號(hào)
通過(guò)以上兩種方法的對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)小波閾值方法能夠去除電磁超聲檢測(cè)信號(hào)中的噪聲,但是對(duì)信號(hào)能量有一定的損失,使用基于EEMD 的小波閾值降噪方法能夠良好降噪,并且保留有用成分,便于后期檢測(cè)的閾值判定。
針對(duì)電磁超聲信號(hào)噪聲多的問(wèn)題,使用信噪比及均方根誤差兩個(gè)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)了兩種不同的信號(hào)降噪方法,將之應(yīng)用于實(shí)際電磁超聲信號(hào)降噪效果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)小波閾值降噪方法會(huì)造成信號(hào)能量損失,而將信號(hào)EEMD 處理后,再使用小波閾值降噪方法處理之后得到分量進(jìn)行重構(gòu),能夠在保留缺陷回波信號(hào)有用成分的幅值不變的同時(shí),很好地消除了信號(hào)中的噪聲。