一种基于压缩感知的汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩方法技术

本发明专利技术公开了一种基于压缩感知的汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩方法，所述压缩方法包括以下步骤：搭建用于实验室分析的汽轮机叶轮超声相控阵缺陷检测系统，获取由被测试件缺陷位置反射的超声相控阵信号；对超声相控阵信号进行稀疏变换，并通过计算稀疏度来选取最优稀疏基；根据最优稀疏基，对超声相控阵信号进行重构；使用不同算法计算不同压缩率下的汽轮机叶轮裂纹回波信号重构误差，并根据结果选择最优算法；使用3σ评定准则，对上述最优算法进行评估。本发明专利技术使用多组不同大小不同角度的裂纹信号进行测试，结果表明，当压缩率达到70％时，使用压缩感知算法重构的平均PRD仅为3.9117％，完全满足工业检测需求。

Compression ultrasonic phased array signal compression method based on compressed sensing

The invention discloses a compression method of compressed sensing ultrasonic phased array signal based on the steam turbine impeller, the compression method comprises the following steps: set up for the steam turbine impeller of phased array ultrasonic defect detection system for laboratory analysis, obtained by ultrasonic phased array signal of a defect position of reflection being tested; sparse transform of phased array ultrasonic signal, and by calculating the sparse to select the optimal sparse basis; according to the optimal sparse basis, to reconstruct the ultrasonic phased array signal; using different calculation of a steam turbine impeller crack under different compression ratio and the back wave signal reconstruction error, and select the optimal algorithm according to the results of the use of 3 Sigma; evaluation criteria to evaluate the optimal algorithm. Crack signal of the invention uses multiple sets of different sizes of different angle test results show that when the compression ratio reaches 70%, the average use of PRD compressed sensing reconstruction algorithm is only 3.9117%, fully meet the needs of industrial inspection.

【技术实现步骤摘要】
一种基于压缩感知的汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩方法
本专利技术涉及汽轮机叶轮超声相控阵信号处理领域，尤其涉及一种基于压缩感知的汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩方法。
技术介绍
我国是目前世界上在建核电站最多的国家，保障核电站的安全运行至关重要。作为核电站的核心部件，汽轮机长期工作在高温高压环境下，其叶轮部分在应力和腐蚀的同时作用下很容易形成裂纹，如果不能及时发现，裂纹会随着汽轮机的持续工作不断扩展，最终可能会使叶片飞裂，造成难以估量的财产损失，甚至危害人身安全。全世界范围的研究者很早就关注到这一问题并提出了很多检测方案，目前应用最广的是超声无损检测技术。但是，检测要求在不拆卸叶片的前提下完成，而且汽轮机叶轮轮缘结构复杂，探头放置位置受限，使用传统超声无法实现裂纹的有效检测。超声相控阵技术的发展可以解决上述难题。相比传统超声检测，相控阵超声具有扫查范围大、检测速度快、分辨率高、适用于复杂构件检测等优点，其独具的阵列型超声探头可以通过控制发射脉冲的时延使声波有序叠加干涉，形成聚焦和偏转声束，极大的提高了检测能力。但是，汽轮机外形尺寸很大，直径可达1～2米，要想快速完成检测，必须同时放置多组探头，再加上相控阵探头本身阵元数很高，不可避免的带来了数据量大的问题，增加了信号采集和处理的难度。研究者提出了很多算法解决这一问题，其中最典型的是基于小波变换的压缩方法。这些方法都取得了很好的压缩效果，但依然要遵循传统的奈奎斯特采样定理，无法从根本上减少采样数据量。
技术实现思路
本专利技术将压缩感知算法应用到汽轮机叶轮超声相控阵检测中，通过一系列计算选择适用于叶轮裂纹信号的最优稀疏基和最佳重构算法，提供了一种基于压缩感知的汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩方法，详见下文描述：一种基于压缩感知的汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩方法，所述压缩方法包括以下步骤：搭建用于实验室分析的汽轮机叶轮超声相控阵缺陷检测系统，获取由被测试件缺陷位置反射的超声相控阵信号；对超声相控阵信号进行稀疏变换，并通过计算稀疏度来选取最优稀疏基；根据最优稀疏基，使用不同算法对超声相控阵信号进行重构；使用不同算法计算不同压缩率下的汽轮机叶轮裂纹回波信号重构误差，并根据结果选择最优算法；使用3σ评定准则，对上述最优算法进行评估。所述搭建用于实验室分析的汽轮机叶轮超声相控阵缺陷检测系统，获取由被测试件缺陷位置反射的超声相控阵信号的步骤具体为：1)截取一小部分汽轮机叶轮并制作等比例的模拟试块，使用电火花加工技术在沟槽位置加工6个裂纹缺陷；2)搭建超声相控阵缺陷检测系统，包括：上位机、超声相控阵检测仪、超声相控阵探头；3)采用线性扫描对缺陷进行检测，采样频率为100MHz，所有缺陷检测完毕，提取6个裂纹位置的A扫回波信号进行后续处理。所述对超声相控阵信号进行稀疏变换，并通过计算稀疏度来选取最优稀疏基的步骤具体为：采用介于L1范数和L2范数之间的公式定量描述各稀疏变换的稀疏度；对A扫信号进行离散傅里叶变换得到X(k)，进行离散余弦变换得到D(k)，并计算相应的稀疏度；使用四层分解的sym4小波基对x(n)进行离散小波变换得到WTf(m,n)，并计算其稀疏度；选取常见的db,sym,bior,rbio和coif家族共54种小波基对A扫信号进行分解，分解层数设定为2到6层，根据稀疏度计算结果选取最优稀疏基。所述根据最优稀疏基，使用不同算法对超声相控阵信号进行重构的步骤具体为：使用高斯随机矩阵为测量矩阵，选择上述分析得出的最优稀疏基，使用一系列贪婪算法对汽轮机叶轮裂纹超声相控阵信号进行重构，包括：匹配追踪算法、正交匹配追踪算法、正则化的正交匹配追踪算法、逐步正交匹配追踪算法和压缩采样匹配追踪算法。所述计算不同压缩率下的汽轮机叶轮裂纹回波信号重构误差的步骤具体为：定义压缩率为已压缩的信号长度与原始信号长度之比，选取百分比均方误差定量评价重构算法的精度；通过随机移除部分原始信号，将压缩率范围设定为20％～80％，每隔5％一档，对超声相控阵回波信号在所有压缩率下进行重构并根据结果选择最优算法。所述使用3σ评定准则，对上述最优算法进行评估的步骤具体为：使用上述最优算法进行多次运算，以消除由于使用高斯矩阵所带来的随机性；使用3σ评定准则对多次运算结果进行评估，确定算法的适用性。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1.压缩感知是近几年信号处理领域的研究热点，本专利技术将该算法应用到汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩领域，取得了令人满意的效果；2.本专利技术计算了DFT、DCT和54种小波基在2-6层分解下的稀疏度，选出了最适合汽轮机叶轮裂纹信号的稀疏分解；3.本专利技术使用MP、OMP、ROMP、StOMP、CoSaMP五种贪婪算法对汽轮机叶轮裂纹超声回波信号进行重构，比较了这些算法在不同压缩率下的重构误差，并根据100次运算结果选出OMP算法为最适合此类信号的重构算法；4.本专利技术使用多组不同大小不同角度的裂纹信号进行测试，结果表明，当压缩率达到70％时，使用压缩感知算法重构的平均PRD仅为3.9117％，完全满足工业检测需求。附图说明图1为基于压缩感知的汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩方法的流程图；图2(a)为模拟试块制作示意图；图2(b)为超声相控阵检测示意图；图3为超声相控阵缺陷检测系统的结构示意图；图4(a)为2号缺陷A扫信号的示意图；图4(b)为2号缺陷离散傅里叶变换结果图；图4(c)为2号缺陷离散余弦变换结果图；图4(d)为2号缺陷离散小波变换结果图；图5为不同压缩率下使用五种贪婪算法的重构误差结果图；图6(a)为压缩率70％时使用OMP算法100次重构的散点分布图；图6(b)为压缩率70％时使用StOMP算法100次重构的散点分布图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。近年来，一种新兴的压缩感知算法受到了信息论、图像处理、医疗成像、模式识别、光学成像、射电天文、信道编码等诸多领域研究者的广泛关注。该理论的核心在于用远低于奈奎斯特采样数量的测量值精确重构满足一定条件的稀疏信号。与传统的压缩方法相比，压缩感知可以将采样和压缩合并进行，直接获得已经压缩的信号，大大降低前端传感器的采样压力，为数据采集带来了革命性的突破。实施例1一种基于压缩感知的汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩方法，参见图1，该压缩方法包括以下步骤：101：搭建用于实验室分析的汽轮机叶轮超声相控阵缺陷检测系统，获取由被测试件缺陷位置反射的超声相控阵信号；102：对超声相控阵信号进行稀疏变换，并通过计算稀疏度来选取最优稀疏基；103：根据最优稀疏基，使用不同算法对超声相控阵信号进行重构；104：使用不同算法计算不同压缩率下的汽轮机叶轮裂纹回波信号重构误差，并根据结果选择最优算法；105：使用3σ评定准则，对上述最优算法进行评估。其中，步骤101中的搭建用于实验室分析的汽轮机叶轮超声相控阵缺陷检测系统，获取由被测试件缺陷位置反射的超声相控阵信号的步骤具体为：1)截取一小部分汽轮机叶轮并制作等比例的模拟试块，使用电火花加工技术在沟槽位置加工6个裂纹缺陷；2)搭建超声相控阵缺陷检测系统，包括：上位机、超声相控阵检测仪、超声相控阵探头；3)采用线性扫描对缺陷进行检测，采样频率为100MHz，所有缺陷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压缩感知的汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩方法，其特征在于，所述压缩方法包括以下步骤：搭建用于实验室分析的汽轮机叶轮超声相控阵缺陷检测系统，获取由被测试件缺陷位置反射的超声相控阵信号；对超声相控阵信号进行稀疏变换，并通过计算稀疏度来选取最优稀疏基；根据最优稀疏基，使用不同算法对超声相控阵信号进行重构；使用不同算法计算不同压缩率下的汽轮机叶轮裂纹回波信号重构误差，并根据结果选择最优算法；使用3σ评定准则，对上述最优算法进行评估。

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知的汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩方法，其特征在于，所述压缩方法包括以下步骤：搭建用于实验室分析的汽轮机叶轮超声相控阵缺陷检测系统，获取由被测试件缺陷位置反射的超声相控阵信号；对超声相控阵信号进行稀疏变换，并通过计算稀疏度来选取最优稀疏基；根据最优稀疏基，使用不同算法对超声相控阵信号进行重构；使用不同算法计算不同压缩率下的汽轮机叶轮裂纹回波信号重构误差，并根据结果选择最优算法；使用3σ评定准则，对上述最优算法进行评估。2.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩方法，其特征在于，所述搭建用于实验室分析的汽轮机叶轮超声相控阵缺陷检测系统，获取由被测试件缺陷位置反射的超声相控阵信号的步骤具体为：1)截取一小部分汽轮机叶轮并制作等比例的模拟试块，使用电火花加工技术在沟槽位置加工6个裂纹缺陷；2)搭建超声相控阵缺陷检测系统，包括：上位机、超声相控阵检测仪、超声相控阵探头；3)采用线性扫描对缺陷进行检测，采样频率为100MHz，所有缺陷检测完毕，提取6个裂纹位置的A扫回波信号进行后续处理。3.根据权利要求1所述的一种基于压缩感知的汽轮机叶轮超声相控阵信号压缩方法，其特征在于，所述对超声相控阵信号进行稀疏变换，并通过计算稀疏度来选取最优稀疏基的步骤具体为：采用介于L1范数和L2范数之间的公式定量描述各稀疏变换的稀疏度；对A扫信号进行离散傅里叶变换得到X(k)，进行离散余弦变换得到D(k)，并计算相应的稀疏度；使用四层分...

【专利技术属性】
技术研发人员：白志亮，陈世利，贾乐成，徐天舒，曾周末，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12