濾波器在聲發(fā)射信號噪聲預(yù)處理中的應(yīng)用

馬菲　王春嫻

摘要：隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，利用聲發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)損傷聲發(fā)射源定位技術(shù)逐步成熟，在定位技術(shù)中對信號中噪聲的處理非常重要。本文在詳細(xì)分析聲發(fā)射源定位中噪聲模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于形態(tài)學(xué)的濾波器，給出了濾波器用于聲發(fā)射信號降噪的理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的濾波器在去除聲發(fā)射信號噪聲方面是有效的，與其他常用的信號處理方法相比有明顯的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué) 濾波器 噪聲處理

中圖分類號：TH165.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0071-02

對復(fù)合材料進(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測，找出其損傷部位，以確保設(shè)備和裝置的安全運(yùn)行，但進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)現(xiàn)場的噪聲非常嚴(yán)重，因此如何對初始聲波信號進(jìn)行有效的濾波就至關(guān)重要了。常用的濾波器方法有時(shí)域平均法、小波濾波器、均值濾波器、平滑濾波器等，這些常用的數(shù)字濾波器因?yàn)榛跁r(shí)域、頻域或者時(shí)頻域而設(shè)計(jì)的，所以會存在著時(shí)滯、相移等缺陷，尤其是當(dāng)信號頻率與噪音干擾相互疊加時(shí)，這些濾波器更難以將噪音過濾?；跀?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的濾波器是一種新型非線性濾波器，相比傳統(tǒng)的濾波手段，形態(tài)學(xué)濾波器更快速、簡便，尤其在對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理方面優(yōu)勢明顯，同時(shí)，形態(tài)學(xué)濾波在現(xiàn)行相位上的良好表現(xiàn)保證其取得更好的濾波效果，作為信號預(yù)處理手段，其效果完全符合后期需要。

1 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波器的設(shè)計(jì)

基于形態(tài)學(xué)開、閉運(yùn)算建立起來的形態(tài)學(xué)濾波器是用一個(gè)結(jié)構(gòu)元素B對初始信號串聯(lián)地使用開、閉運(yùn)算。這樣聲發(fā)射信號中比結(jié)構(gòu)元素小的游離的噪聲將被濾除。若原始聲發(fā)射為A，結(jié)構(gòu)元素為B，那么形態(tài)濾波器的構(gòu)成用如下模型表示：

在上式中發(fā)現(xiàn)廣義形態(tài)濾波器的權(quán)系數(shù)在整個(gè)濾波過程中均保持不變，這樣固定的權(quán)無法使濾波效果達(dá)到最佳。如何通過調(diào)節(jié)權(quán)系數(shù)使得濾波效果達(dá)到最優(yōu)的目的，可以借助于梯度法對權(quán)系數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，使其達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)。

2 基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波器的聲發(fā)射信號處理實(shí)驗(yàn)與分析

首先，以常見的聲音信號為例，對基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)聲發(fā)射信號濾波器有效性進(jìn)行驗(yàn)證。對原始信號進(jìn)行加噪處理，加入干擾噪音0.02cos（1000t），其進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器濾噪，所得結(jié)果圖如圖3-1所示。

通過圖3-1可以看出采用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器對信號進(jìn)行濾波處理的效果良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

針對復(fù)合材料聲發(fā)射信號濾波方法進(jìn)行研究，以斷鉛實(shí)驗(yàn)?zāi)M復(fù)合材料損傷檢測時(shí)的聲發(fā)射信號，對測量獲得的信號采用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波器進(jìn)行濾波，以消除干擾信號的影響。如圖3-2所示，通道1信號為原始采集的聲發(fā)射信號，通道2信號為添加高斯白噪聲后的聲發(fā)射信號。

通過觀察可以看出，聲發(fā)射信號受到高斯白噪聲的嚴(yán)重干擾，非常有必要對其進(jìn)行信號過濾處理。采用上述針對編織復(fù)合材料設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器對聲發(fā)射信號進(jìn)行過濾，即經(jīng)過廣義開-閉濾波器和廣義閉-開濾波器處理后的信號如圖3-3所示。

再用均值濾波器對復(fù)合材料聲發(fā)射信號進(jìn)行濾波，其濾波效果與經(jīng)過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波器處理的效果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波的優(yōu)越性，圖3-4所示為均值濾波器處理后的波形。

從圖3-3與圖3-4比較來看，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波器效果更好，因?yàn)榫禐V波器邊緣值出現(xiàn)模糊現(xiàn)象，并且有一定的延遲。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器的結(jié)構(gòu)元素寬度與數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器低通特性有一定的關(guān)系，寬度越大，數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器的幅頻特性通過相應(yīng)的寬度就會越窄。

3 結(jié)語

采用數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器對聲發(fā)射信號進(jìn)行預(yù)處理，其對噪聲的抑制效果明顯。數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器與其他濾波器相比，有著冪等性、平移不變性，單調(diào)性等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過均值濾波器處理過后的聲發(fā)射信號存在局部干擾，同時(shí)可以看出具有明顯的相位延遲。而經(jīng)過數(shù)學(xué)形態(tài)濾波器處理過后，除了主頻外，其余頻率幅值趨近于零。同時(shí)通過對相關(guān)理論的分析發(fā)現(xiàn)，其應(yīng)用不僅僅局限于聲發(fā)射信號，還可為滑?？刂扑惴ㄌ峁┮欢ǖ乃悸放c設(shè)計(jì)，滑模控制其中一個(gè)最大的瓶頸問題在于抖振，如何減弱抖振成為滑?？刂蒲芯康闹刂兄氐膯栴}了。為此，可以借助于非線性的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波器對高頻抖振進(jìn)行控制輸入信號過濾。從而可以有效的削弱控制抖振問題。

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