超声检测信号特征提取

超声检测信号特征提取
方法:采用小波包分析提取信号特征信息,其基本思想是选取适当的小波基函数对信号进行小波包变换,提取各个频带上的能量构成特征向量。
超声检测技术中,缺陷的准确定性分类这一技术难题至今尚未得以彻底解决。其主要原因在于,超声缺陷回波信号是一种典型的瞬态信号,采用传统的傅氏分析方法所得到的频谱,无法同时反映出其时域突变位置和对应频率等特征信息,而缺陷回波信号的特征提取和选择则是缺陷分类的前提,因此,特征提取方法的优劣直接影响着缺陷分类的正确性和可靠性。小波变换具有时频分辨率高和多分辨率分析的特点,适用于对瞬态信号的分析处理。应用小波包分解手段将实测的缺陷回波信号分解到不同尺度上,通过对各尺度上的能量进行统计分析,选取典型频段上的特征能量,构成反映信号本征的特征向量,采用基于距离的类别可分性判据对其进行可分性测度分析。结果证明,该方法对超声检测缺陷回波信号的特征提取是有效的。
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1.2 小波包变换
作为信号的一种时频分析方法,小波分解的缺点是频率分辨率随频率升高而降低。小波包分解是一种比小波分解更为精细的分解方法。
1.2.1 小波包特征提取
小波包变换的优势: 由于正交小波变换只对信号的低频部分做进一步分解,而对高频部分也即信号的细节部分不再继续分解,所以小波变换能够很好地表征一大类以低频信息为主要成分的信号,但它不能很好地分解和表示包含大量细节信息(细小边缘或纹理)的信号,如非平稳机械振动信号、遥感图象、地震信号和生物医学信号等。与之不同的是,小波包变换可以对高频部分提供更精细的分解,而且这种分解既无冗余,也无疏漏,所以对包含大量中、高频信息的信号能够进行更好的时频局部化分析,因此常用于信号特征的提取。
1.2.2 小波基的选择
对小波基的选取主要考虑以下几个因素:(1)正交性,能有效去除信号的相关性;(2)支撑集,为了得到有限长滤波器,避免滤波过程中的截断误差,保证优良的空间局部性质;(3)对称性,可使量化误差较小,保证子波的滤波特性有线性相移,不会造成信号失真;(4)正则性,用来度量小波函数的光滑性,对最小量化误差起主要作用,保证频率分辨率的高低。紧支撑性与正则性二者不可兼得,要求小波具有较高的光滑性,必然要求增加小波支集的长度;反之,为了保证小波分析的局部特性,利于算法实现,支集的长度要尽量小,但这又保证不了光滑性。参考文献《基于小波包分析的超声缺陷信号特征提取》(黄河等)。编程仿真可得(仿真环境matlab2008a):

图1 正常情况信号图
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图2 正常情况能量谱图
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图4 表面有一个气孔的能量谱图
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图6 表面有两个气孔的能量谱图
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图8 下方有气孔的能量谱图
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图9 表面有裂痕的能量谱图
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重新整理如下:
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局部放大,可得下图所示:
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从结果可以看出,不同性质的缺陷回波信号经小波包分解后,其能量在各个频带上的分布是不同的,且在所选频带上的分布差别明显。因此,可以看作不同类型缺陷的特征值,作为后续缺陷分类的依据。

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