超声波首波检测与定位的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声波首波检测与定位的方法和装置，该方法包括：构造超声波信号序列的轨道矩阵，对轨道矩阵进行奇异值分解获取超声波信号序列的奇异谱熵，对奇异谱熵进行中值滤波，去除信号毛刺，对已经过中值滤波的奇异谱熵进行阈值化处理，则已经过阈值化处理的奇异谱熵的下降沿即为超声波信号序列的首波，在轨道矩阵合适的情况下，超声波信号序列与噪声区的奇异谱熵落差大，边缘陡峭，奇异谱熵对超声波信号序列的幅值具有很强的鲁棒性，奇异谱熵不会因为超声波信号序列的中某一片段的信噪比的强弱而有较大变化，因此，本发明专利技术的超声波首波检测与定位的方法抗干扰能力强，既使对于淹没在噪声中极弱的首波也能够较为正确的定位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种信号处理
，尤其涉及一种超声波首波检测与定位的方法和装置。
技术介绍
首波是也称为头波，是超声和其它类型信号脉冲式检测领域中一个有效信号的开 始。首波的可靠检测和准确定位对这类测量的精度有关键作用。首波提取的最大困难是其 幅度一般很小，非常易于和系统噪声混淆，噪声的存在对其测量的准确性影响很大。而且一 般情况下首波波幅随着信号频率的增大衰减很快，因此在频率较高的测量中，其首波检测 更加困难。 目前，常用的首波检测方法主要有阈值法、加窗相关峰值法、长短时窗能量比法等。阈值法是设置一个门限(即阈值)，若信号幅值小于该门限则认为该信号是噪声信号，若信号幅值大于门限值，认为该信号是声波信号，而第一个大于该门限的信号即是首波。为防止个别噪声变异大于门限而导致误判，可采用连续多个信号幅值大于门限值来确认首波。加窗相关峰值法是检测波形与标准波形进行加窗相关对比，计算探索范围内的相关系数，最大相关系数的位置即是首波的波至点。长短时窗能量比法是在首波初至的检测范围内计算短步进时窗与长累积时窗的能量比，长累积时窗是第一个到当前位置处短步进时窗的并集，在首波到达前，长累积时窗的能量与短步进时窗的能量均很小，相差不大；在首波到达时，长累积时窗的能量仍很小，而短步进时窗的能量却突然变大，此时的长短时窗能量比出现大的跃变，需要选择合适的能量阈值，才能可以检测到弱初至首波。 上述几种方法在信号信噪比较强时，尤其是在首波附近的局部信噪比较强的时候，检测效果较好，反之，若首波附近局部区域的信噪比较小其检测效果将恶化，其中恶化最严重的是阈值法，其次是长短时窗能量比法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种抗干扰能力、能准确检测首波位置的超声波首波检测 与定位的方法和装置。 为达到上述目的，本专利技术一方面提供了一种超声波首波检测与定位的方法，包括 以下步骤 构造超声波信号序列的轨道矩阵； 对所述轨道矩阵进行奇异值分解获取所述超声波信号序列的奇异谱熵； 对所述奇异谱熵进行中值滤波，去除信号毛剌； 对已经过中值滤波的奇异谱熵进行阈值化处理，则已经过阈值化处理的奇异谱熵 的第一个下降沿即为所述超声波信号序列的首波。 本专利技术的超声波首波检测与定位的方法，所述构造超声波信号序列的轨道矩阵， 具体包括如下步骤 对一个长度为N点的超声波信号序列，截取以n点开始长度为L点的超声波信号 子序列，构造出所述超声波信号子序列的轨道矩阵An为<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 4</formula> 其中，n二l，2，……，N-L+1，L小于N而大于超声波信号序列的周期。 本专利技术的超声波首波检测与定位的方法，所述对轨道矩阵进行奇异值分解获取所 述超声波信号序列的奇异谱熵，具体包括如下步骤 对所述轨道矩阵An进行奇异值分解，获取其r个奇异值为oni(i = 1，2，……r); 根据公式^ (" = ^^/^(^得到所述超声波信号序列的归一化奇异谱概率密 度函数Pn(k)，其中，onk、 Onj均为奇异值，k二 1，2，…，r ; 根据公式t^力')xlog[凡(/) + lD得到所述超声波信号序列的奇异谱熵，其中，Pn(i)为归一化奇异谱概率密度函数。 本专利技术的超声波首波检测与定位的方法，所述对已经过中值滤波的奇异谱熵进行 阈值化处理，具体包括 根据公式Th = aX +min(H(n))，得到所述超声波信号序 列的奇异谱熵的上升沿和下降沿，其中，max(H(n))、max(H(n)分别为所述超声波信号序列 的奇异谱熵的最大值、最小值，a为比例因子。 本专利技术的超声波首波检测与定位的方法，在所述获取超声波信号序列的奇异谱熵 之前，还包括 根据所述超声波信号序列的短时能量对所述超声波信号序列进行预处理，得到所 述超声波信号序列出现的概率区间。 另一方面，本专利技术还提供了一种超声波首波检测与定位的装置，所述超声波首波 检测与定位的装置执行上述超声波首波检测与定位的方法。 本专利技术的超声波首波检测与定位的方法首先构造超声波信号序列的轨道矩阵， 然后对轨道矩阵进行奇异值分解获取超声波信号序列的奇异谱熵，接着，对奇异谱熵进行 中值滤波，去除信号毛剌，最后，对已经过中值滤波的奇异谱熵进行阈值化处理，则已经过 阈值化处理的奇异谱熵的下降沿即为超声波信号序列的首波，在轨道矩阵合适的情况下 (即超声波信号子序列的长度大于超声波信号序列的周期而小于超声波信号序列的长度 时)，超声波信号序列与噪声区的奇异谱熵落差大，边缘陡峭，而且奇异谱熵对超声波信号 序列的幅值具有很强的鲁棒性，奇异谱熵不会因为超声波信号序列的中某一片段的信噪比 的强弱而有较大变化，因此，本专利技术的超声波首波检测与定位的方法具有较强的抗干扰能 力，既使对于淹没在噪声中极弱的首波也能够较为正确的定位，这对远距离测量时的弱信 号波识别和定位至关重要。附图说明 图1为本专利技术的超声波首波检测与定位的方法流程图； 图2为本专利技术的超声波首波检测与定位的装置的结构框图； 图3为信噪比为27. 4dB的超声波信号序列的幅值图； 图4为信噪比为27. 4dB的超声波信号序列的奇异谱熵图； 图5为信噪比为4. 4dB的超声波信号序列的幅值图； 图6为信噪比为4. 4dB的超声波信号序列的奇异谱熵图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细描述 由于奇异谱熵具有如下特征 1)信号的奇异谱熵不同于噪声的奇异谱熵。 2)理论上，如果谱的分布保持不变，信号幅值的大小不会影响奇异谱熵。而实际上，奇异谱熵会随信号随机性而变化，但与能量特征相比，奇异谱熵的变化很小。 3)奇异谱熵对噪声具有一定的稳健性，当信噪比(SNR)下降时奇异谱熵的形状保持不变。本专利技术的核心思想基于奇异值分解理论，将由信号构成的具有一定嵌入维度的轨道矩阵进行奇异值分解，再利用信息熵的统计特性对奇异值集合进行不确定度分析，从而对原始信号的复杂程度给出一个确定的量度。 对于一个L点的信号序列x(i)，根据相空间重构理论，选择一个小于L的正整数M，就可以由信号序列构造出轨道矩阵A，表示为jc(2) … jc(Z-M + 1)— 」、； " 、 ；,),+ l)… jc(丄) 式中的轨道矩阵也称为Hankie矩阵。在矩阵构造中，常把相邻两行/列的重叠元素个数称为嵌入维度，Hankie矩阵嵌入维度为M_l，也可以构造出其他嵌入维度的矩阵。 由矩阵理论知，对于一个mXn的矩阵A，则存在一个mXm的酉矩阵U禾P nXn的酉矩阵V，使得A可分解为 A = UPVH其中，上标"H"表示矩阵的共轭转置；当m二n时，P二E ;当m〉n时，^ ^(m_ )x 当m〈n时，P二 &Gmx(w—m) _| o 0(m—n) Xn为(m-n) Xn的零矩阵，0mX(n—m)为mX (n_m)的零矩阵，而E = diag( o " o2， 0 3， o r) ， r = min(m， n) 。Oi(i = l，2， ......， r)称本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波首波检测与定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：构造超声波信号序列的轨道矩阵；对所述轨道矩阵进行奇异值分解获取所述超声波信号序列的奇异谱熵；对所述奇异谱熵进行中值滤波，去除信号毛刺；对已经过中值滤波的奇异谱熵进行阈值化处理，则已经过阈值化处理的奇异谱熵的下降沿即为所述超声波信号序列的首波。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹茂永，范迪，梁慧斌，孙农亮，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：95[中国|青岛]