超声波巴特沃斯、汉宁窗组合帯阻滤波方法技术

本发明专利技术涉及一种超声波信号滤波方法，为提出一种最大限度地除去噪音的滤波方法，根据理想信号的频谱变化特征，在频率域数据中最大限度的滤去噪音信号，保留有效信号，达到除去噪音、极大提高信噪比，实现超声波对损伤结构定位精度的提高。本发明专利技术，超声波巴特沃斯、汉宁窗组合帯阻滤波方法，在[0,π]频率范围内将巴特沃斯函数与汉宁窗函数的组合函数作为传递函数制成低通滤波器，然后根据整个区间内频谱的轴对称性质，将[0,π]频率范围内的低通滤波器关于f＝π进行轴对称变换后制成高通滤波器，然后将二者并联后制成帯阻滤波器，即可对超声波检测实验中带噪音信号进行有效滤波。本发明专利技术主要应用于超声波信号滤波场合。

Combination of Butterworth and Hanning Window for Supersonic Wave Resistance Filtering

The invention relates to an ultrasonic signal filtering method. In order to propose a filtering method for removing noise to the greatest extent, according to the spectrum change characteristics of ideal signals, the noise signal is filtered to the greatest extent in the frequency domain data, and the effective signal is retained so as to remove noise, greatly improve the signal-to-noise ratio and realize the ultrasonic loss. Improvement of location accuracy of damaged structure. According to the present invention, the combined resistance filtering method of ultrasonic Butterworth and Hanning windows takes the combined function of Butterworth function and Hanning window function as the transfer function in the frequency range of [0,pi] to make a low-pass filter, and then according to the axisymmetric nature of the spectrum in the whole range, the low-pass filter in the frequency range of [0,pi] is made about f= Pi is transformed into a high-pass filter by axisymmetric transformation, and then the two filters are connected in parallel to form a resistance filter, which can effectively filter the noisy signal in the experiment of ultrasonic detection. The invention is mainly applied to the filtering occasion of the ultrasonic signal.

【技术实现步骤摘要】
超声波巴特沃斯、汉宁窗组合帯阻滤波方法
本专利技术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、汉宁窗组合帯阻滤波方法。
技术介绍
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。现有的滤波方法中，只能将大部分噪音除去，信噪比得到一定程度的提高，但有效信号中仍包含许多噪音信号，因此建立一种最大限度除去噪音的滤波方法，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。本专利技术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，将理想信号的微弱谱信号进行放大，然后根据其变化特征，制作适当的滤波器，将实测信号频谱数据中的噪音信号基本除去，有效信号保留，然后再转换为时间域数据，达到最大限度地除去噪音，极大提高信噪比的目的。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，针对实测超声波信号中存在大量噪音及现有滤波方法中信噪比提高较小的特点，本专利技术旨在提出一种最大限度地除去噪音的滤波方法，即根据理想信号的频谱变化特征，在频率域数据中最大限度的滤去噪音信号，保留有效信号，达到除去噪音、极大提高信噪比的目的，并应用本专利技术，实现超声波对损伤结构定位精度的提高。本专利技术采用的技术方案是，超声波巴特沃斯、汉宁窗组合帯阻滤波方法，在[0,π]频率范围内将巴特沃斯函数与汉宁窗函数的组合函数作为传递函数制成低通滤波器，然后根据整个区间内频谱的轴对称性质，将[0,π]频率范围内的低通滤波器关于f＝π进行轴对称变换后制成高通滤波器，然后将二者并联后制成帯阻滤波器，即可对超声波检测实验中带噪音信号进行有效滤波。具体采用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，根据谱特征，将[0,π]频率区间划分为n个频段，实部和虚部划分频段区间不同，不同频段的频谱曲线呈现出与不同的巴特沃斯函数或不同的汉宁窗函数的一部分相似，在假设实测信号的谱最大值和谱最小值不受噪音信号影响，或者噪音信号所占比重最小的前提下，满足以下条件：①实测信号中的有效信号的谱值在[0,π]频率区间内随着频率的增大呈现递减趋势；②有效信号在各频段内谱极大值与谱极小值的差与整个频率域区间内谱最大值与谱最小值的差的比值与理想信号对应的比值相等；③各频段内有效信号的谱形状与理想信号对应的形状相同。巴特沃思函数的表达式为：n为函数的阶数，f为频率，fc为截止频率；汉宁窗的表达式为N为数据总个数，n为待计算数据在全部数据中的位置，转换为频率表达式为f为频率，f1、f2为f所在频率区间的端值频率，f0为谱极大值对应频率。巴特沃斯、汉宁窗组合帯阻滤波器的传递函数为S为与理想信号中[f1，f2]区间内谱极大值与谱极小值的差与第三和第四频段中谱极大值与谱极小值的差的比值相关的值。具体地，将频率域区间[0,π]划分成15个区间，分别为：第一频段：[0,0.00628319)、第二频段：[0.00628319,0.207345)、第三频段：[0.207345,0.2632655)、第四频段：[0.2632655,0.41846)、第五频段：[0.41846,0.4969995)、第六频段：[0.4969995,0.628319)、第七频段：[0.628319,0.7156545)、第八频段：[0.7156545,0.83315)、第九频段：[0.83315,0.919858)、第十频段：[0.919858,1.05055)、第十一频段：[1.05055,1.13977)、第十二频段：[1.13977,1.25287)、第十三频段：[1.25287,1.346485)、第十四频段：[1.346485,1.47404)、第十五频段：[1.47404,π]，并将第三至第十五频段的谱信号进行不同倍数的放大显示，根据理想信号各频段的谱形状，在各频段内分别取不同的巴特沃思函数和不同的汉宁窗函数作为滤波器的传递函数，在各频段滤波器传递函数中添加一系数：与理想信号中各频段谱极大值与谱极小值的差与第三和第四频段中谱极大值与谱极小值的差的比值相关的值；根据频谱的对称性，将各频段内的传递函数做f＝π轴对称变换，即f＝2π-f，将变换前后的巴特沃思、汉宁窗组合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、汉宁窗组合帯阻滤波器进行滤波。本专利技术的特点及有益效果是：通过本专利技术可以对超声波定位中的实测数据进行极大限度滤波，即将频率域数据中的噪音信号基本滤去，有效信号保留，最大限度地提高信噪比，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理想信号经傅里叶变换后的实部频谱特征曲线和滤波曲线。图2理想信号经傅里叶变换后的虚部频谱特征曲线和滤波曲线。图3实验中实测信号经傅里叶变换后的实部频谱特征曲线。图4实验中实测信号经傅里叶变换后的虚部频谱特征曲线。图5本专利技术处理前后的超声波波形对比曲线。(a)本专利技术处理前发射信号波形曲线(b)本专利技术处理后发射信号波形曲线(c)本专利技术处理前接收信号波形曲线(d)本专利技术处理后接收信号波形曲线(e)本专利技术处理前回波信号波形曲线(f)本专利技术处理后回波信号波形曲线图6原始信号的维格纳-威尔时频能量分布图。图7本专利技术处理后信号的维格纳-威尔时频能量分布图。图8本专利技术流程图。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，本专利技术结合实际应用，根据损伤定位实验中理想信号经傅里叶变换后的频谱分布特征及实测带噪音信号的频谱分布特征，专利技术一种快速、有效的滤波方法，即在频率域数据中极大限度的滤去噪音信号，保留有效信号，然后再转换为时间域数据，达到基本除去噪音、极大限度的提高信噪比的目的，并应用本专利技术，实现超声波对损伤结构定位精度的提高。
技术实现思路
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，理想信号的实部和虚部频谱关于f＝π呈轴对称状态，在[0,π]频率区间内随着频率的增大，谱值曲线总体呈现递减趋势，局部呈现多个巴特沃斯函数曲线和汉宁窗函数曲线形状，根据谱特征，将该频率区间[0,π]划分为15个频段(实部和虚部划分频段区间不同)，不同频段的频谱曲线呈现出与不同的巴特沃斯函数或不同的汉宁窗函数的一部分相似，从图3、图4中可以看出，实验中实测信号的实部和虚部频谱在低频和高频的两段频率域内存在明显高于其它频段的谱值，其余各频段因受噪音信号影响，谱值差异不大(基本在同一数量级内)，在假设实测信号的谱最大值和谱最小值不受噪音信号影响(或者噪音信号所占比重最小)的前提下，满足以下条件：①本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波巴特沃斯、汉宁窗组合帯阻滤波方法，其特征是，在[0,π]频率范围内将巴特沃斯函数与汉宁窗函数的组合函数作为传递函数制成低通滤波器，然后根据整个区间内频谱的轴对称性质，将[0,π]频率范围内的低通滤波器关于f＝π进行轴对称变换后制成高通滤波器，然后将二者并联后制成帯阻滤波器，即可对超声波检测实验中带噪音信号进行有效滤波。

【技术特征摘要】
1.一种超声波巴特沃斯、汉宁窗组合帯阻滤波方法，其特征是，在[0,π]频率范围内将巴特沃斯函数与汉宁窗函数的组合函数作为传递函数制成低通滤波器，然后根据整个区间内频谱的轴对称性质，将[0,π]频率范围内的低通滤波器关于f＝π进行轴对称变换后制成高通滤波器，然后将二者并联后制成帯阻滤波器，即可对超声波检测实验中带噪音信号进行有效滤波。2.如权利要求1所述的超声波巴特沃斯、汉宁窗组合帯阻滤波方法，其特征是，具体采用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，根据谱特征，将[0,π]频率区间内划分为n个频段，实部和虚部划分频段区间不同，不同频段的频谱曲线呈现出与不同的巴特沃斯函数或不同的汉宁窗函数的一部分相似，在假设实测信号的谱最大值和谱最小值不受噪音信号影响，或者噪音信号所占比重最小的前提下，满足以下条件：①实测信号中的有效信号在[0,π]频率区间内随着频率的增大呈现递减趋势；②有效信号在各频段内谱极大值与谱极小值的差与整个频率域区间内谱最大值与谱最小值的差的比值与理想信号对应的比值相等；③各频段内有效信号的谱形状与理想信号对应的形状相同。3.如权利要求1所述的超声波巴特沃斯、汉宁窗组合帯阻滤波方法，其特征是，巴特沃思函数的表达式为：n为函数的阶数，f为频率，fc为截止频率；汉宁窗的表达式为：N为数据总个数，n为待计算数据在全部数据中的位置，转换为频率表达式为：f为频率，f1、f2为f所在频率区间的端值频率，f0为谱极大值对应频率。4.如权利要求1所述的超声波巴特沃斯、汉宁窗组合帯阻滤波方法，其特征是，巴特沃斯、汉宁窗组合帯阻滤波器的传递函数如下f为频率，f1、f2为f所在频率区间的端值频...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国磊，田一梅，赵伟高，刘春彤，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12